Исчезновение морского льда в полярных регионах из-за глобального потепления не только увеличивает количество света, попадающего в океан, но и изменяет его цвет. Эти изменения имеют далеко идущие последствия для фотосинтезирующих организмов, таких как ледяные водоросли и фитопланктон, говорится в исследовании, опубликованном 30 апреля в журнале Nature Communications

Международная исследовательская группа выяснила как потеря морского льда изменяет освещенность под водой. Морской лед и морская вода принципиально отличаются друг от друга тем, как они пропускают свет. Морской лед сильно рассеивает свет и отражает большую его часть, пропуская при этом лишь малую его часть.

Тем не менее, это ограниченное количество света по-прежнему содержит почти весь диапазон видимых длин волн. Напротив, морская вода поглощает красный и зеленый свет, в то время как синий свет проникает глубоко в толщу воды. Именно это придает океану синий цвет.

Другое ключевое различие между льдом и жидкой водой заключается в роли молекулярных колебаний. В жидкой воде молекулы H₂O могут свободно перемещаться и вибрировать, что приводит к образованию отчетливых полос поглощения на определенных длинах волн. Эти полосы избирательно удаляют части светового спектра, создавая пробелы в освещении, доступном для фотосинтеза.

Предыдущие исследования продемонстрировали, что эти особенности молекулярного поглощения создают «спектральные ниши» — отдельные наборы длин волн, доступных для фотосинтезирующих организмов. Фитопланктон и цианобактерии выработали множество пигментов, настроенных на различные спектральные ниши, что определяет их глобальное распределение в океанах, прибрежных водах и озерах.

Однако во льду молекулы воды заперты в жесткую кристаллическую решетку. Эта фиксированная структура подавляет их способность к молекулярным колебаниям и тем самым изменяет их абсорбционные свойства. Как следствие, во льду отсутствуют полосы поглощения жидкой воды, и, следовательно, под морским льдом сохраняется более широкий спектр света. Это фундаментальное различие играет ключевую роль в спектральном сдвиге, который происходит при таянии морского льда.

Когда морской лед исчезает и на смену ему приходит открытая вода, освещение под водой меняется с широкого спектра цветов на более узкий, с преобладанием синего. Это изменение спектра имеет решающее значение для фотосинтеза.

«Фотосинтетические пигменты водорослей, живущих подо льдом, приспособлены для оптимального использования широкого спектра цветов, присутствующих в небольшом количестве света, проходящего через лед и снег, — сказала ведущий автор Соя-Возняк. — Когда лед тает, эти организмы внезапно оказываются в среде с преобладанием синего цвета, что делает их пигменты менее пригодными для жизни».

Используя оптические модели и спектральные измерения, исследователи показали, что это изменение цвета света не только изменяет эффективность фотосинтеза, но и может привести к изменениям в видовом составе. Виды водорослей, специализирующиеся на синем свете, могут получить серьезное конкурентное преимущество по сравнению с ледяными водорослями.

По словам проф. Хьюсман, эти изменения могут иметь каскадные экологические последствия. «Фотосинтезирующие водоросли составляют основу арктической пищевой сети. Изменения в их продуктивности или видовом составе могут резко возрасти и повлиять на рыб, морских птиц и млекопитающих. Более того, фотосинтез играет важную роль в естественном поглощении CO2 океаном».

В исследовании подчеркивается, что изменение климата в полярных регионах приводит не только к таянию льдов — оно вызывает фундаментальные сдвиги в ключевых процессах, таких как передача света и энергии в морских экосистемах.