Таяние льдов меняет цвет океана и угрожает арктической жизни

Таяние морского льда в полярных регионах из-за глобального потепления не только увеличивает количество света, проникающего в океан, но и изменяет его цвет. Эти изменения имеют далеко идущие последствия для фотосинтезирующих организмов, таких как ледовые водоросли и фитопланктон.

К такому выводу пришли авторы нового исследования, опубликованного в журнале Nature Communications, под руководством морских биологов Моники Соя-Возняк и Джефа Хойсмана из Института биоразнообразия и динамики экосистем (IBED) Амстердамского университета.

Международная исследовательская группа, в которую также вошли физико-химик Сандер Воутерсен (HIMS/UvA) и коллеги из Нидерландов и Дании, изучила, как потеря морского льда изменяет подводную световую среду. Морской лед и морская вода принципиально по-разному пропускают свет. Лед сильно рассеивает свет и отражает большую его часть, пропуская лишь небольшое количество. Однако этот ограниченный свет содержит почти полный спектр видимых длин волн. Морская вода, напротив, поглощает красный и зеленый свет, тогда как синий свет проникает глубоко в толщу воды, придавая океану его характерный синий цвет.

Ключевое различие между льдом и жидкой водой заключается в роли молекулярных колебаний. В жидкой воде молекулы H₂O могут свободно двигаться и колебаться, что приводит к образованию четких полос поглощения на определенных длинах волн. Эти полосы избирательно удаляют части светового спектра, создавая пробелы в свете, доступном для фотосинтеза. Во льду же молекулы воды зафиксированы в жесткой кристаллической решетке. Эта структура подавляет их способность к молекулярным колебаниям и тем самым изменяет характеристики поглощения. Вследствие этого во льду отсутствуют полосы поглощения, характерные для жидкой воды, и под морским льдом сохраняется более широкий спектр света. Это фундаментальное различие играет ключевую роль в спектральном сдвиге, происходящем при таянии морского льда.

Предыдущие исследования Маайке Стомп и профессора Хойсмана показали, что эти особенности молекулярного поглощения создают «спектральные ниши» — особые наборы длин волн, доступные для фотосинтезирующих организмов. Фитопланктон и цианобактерии в ходе эволюции выработали разнообразные пигменты, настроенные на разные спектральные ниши, что определяет их глобальное распространение в океанах, прибрежных водах и озерах.

Когда морской лед исчезает и уступает место открытой воде, подводная световая среда смещается от широкого спектра цветов к более узкому, преимущественно синему. Это спектральное изменение критически важно для фотосинтеза. Ведущий автор Моника Соя-Возняк поясняет, что фотосинтетические пигменты водорослей, обитающих под морским льдом, приспособлены к оптимальному использованию широкого диапазона цветов, присутствующих в небольшом количестве света, проходящего через лед и снег. При таянии льда эти организмы внезапно оказываются в среде с преобладанием синего света, которая меньше соответствует их пигментам.

Используя оптические модели и спектральные измерения, исследователи показали, что этот сдвиг в цвете света не только изменяет эффективность фотосинтеза, но и может привести к изменениям в видовом составе. Виды водорослей, специализированные на синем свете, могут получить сильное конкурентное преимущество по сравнению с ледовыми водорослями. Профессор Хойсман поясняет, что такие изменения способны вызвать каскадные экологические эффекты. Фотосинтезирующие водоросли являются основой арктической пищевой цепи, поэтому изменения в их продуктивности или видовом составе могут повлиять на рыб, морских птиц и морских млекопитающих. Кроме того, фотосинтез играет важную роль в естественном поглощении углекислого газа океаном.

Исследование подчеркивает, что изменение климата в полярных регионах приводит не только к таянию льда, но и к фундаментальным сдвигам в ключевых процессах, таких как передача света и поток энергии в морских экосистемах. Полученные результаты указывают на важность более явного учета световых спектров и фотосинтеза в климатических моделях и прогнозах состояния океана, особенно в полярных регионах, где изменения окружающей среды ускоряются беспрецедентными темпами.