إن فصول الشتاء في منطقة البحيرات العظمى قاسية ــ لدرجة أن العلماء الذين يعملون هناك يركزون في كثير من الأحيان على أشهر الصيف، عندما كان يُعتقد أن الميكروبات الصغيرة الموجودة في قاعدة السلسلة الغذائية هي الأكثر إنتاجية.
ومع ذلك، فإن الأبحاث الناشئة تغير فهمنا لهذه النظم البيئية الشتوية وتسلط الضوء على عالم نابض بالحياة من النشاط الشتوي تحت الجليد مباشرة.
اكتشف العلماء في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين أن مجتمعات الدياتومات – وهي طحالب صغيرة تقوم بالتمثيل الضوئي – كانت تزدهر في الضوء تحت جليد البحيرة الذي تجتاحه الرياح. لكن اتضح أن ذلك لم يكن سوى جزء من القصة.
مع اختفاء الجليد الشتوي في البحيرات العظمى – حيث وصل إلى مستويات قياسية في شتاء 2023-2024 – تظهر التحليلات الجديدة أن بعض الدياتومات يبدو أن لديها طريقة مختلفة لتوليد الطاقة والبقاء على قيد الحياة في المياه المظلمة العكرة الخالية من الجليد حتى الصيف.
تعتبر هذه الميكروبات ضرورية لصحة منطقة البحيرات الكبرى. إنها تقوم بتنظيف المياه من الملوثات وهي الخطوة الأولى في الشبكة الغذائية المعقدة التي تدعم مصايد الأسماك التي تدعم جزءًا من الاقتصاد الإقليمي. يمكن أن يكون للتغييرات هنا تأثيرات واسعة النطاق على بيئة البحيرات وتأثيرات اقتصادية مباشرة على المجتمعات المحيطة.
ناز من الجليد
اندلع الاهتمام بالحياة تحت الجليد في عام 2007، عندما لاحظ فريق دولي من العلماء على متن كاسحة الجليد التابعة لخفر السواحل الكندي شيئًا غير عادي بينما كانت السفينة تشق طريقها عبر جليد بحيرة إيري.
وعندما انكسر الجليد، نزحت مياه بنية داكنة من البحيرة. كانت تعج بالدياتومات.
كانت هناك دراسات متفرقة عن الميكروبات الشتوية في الماضي، لكن علماء الليمون – العلماء الذين يدرسون البحيرات – لم يكن لديهم الأدوات اللازمة لفهم سلوك الميكروبات بشكل كامل حتى وقت قريب.
على مدى السنوات الخمس الماضية، دعم معهد الجينوم المشترك التابع لوزارة الطاقة الأمريكية مشروع البيولوجيا الجزيئية الذي قام بتسلسل الحمض النووي الريبي (RNA) لجميع الكائنات الحية الدقيقة من العينات التي تم جمعها من بحيرة إيري لمعالجة كيفية بقاء هذه الكائنات الحية على قيد الحياة خلال أشهر الشتاء وقد تتكيف أو لا تتكيف. ، لسيناريوهات المناخ المستقبلية. تظهر الآن ملاحظات جديدة حول كيفية استخدام الدياتومات للضوء من خلال هذا الجهد.
استخدام البروتينات الشائعة في عيون الحيوانات
عادةً ما نفكر في الدياتومات ككائنات حية تستخدم ضوء الشمس لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مادة حية عن طريق عملية التمثيل الضوئي. إنها منتشرة في الصيف عبر منطقة البحيرات الكبرى، حيث تساعد في تغذية مصائد الأسماك الرياضية والتجارية التي تبلغ قيمتها مليارات الدولارات في البحيرات.
خلال فصل الشتاء، يمكن للدياتومات توليد الطاقة من الضوء الذي يرشح عبر الجليد الذي تعصف به الرياح. ومع ذلك، عندما لا يكون الجليد موجودًا في الشتاء، يتم خلط الدياتومات في مياه البحيرة التي يمكن وصفها في بعض الأحيان بأنها حليب الشوكولاتة. يخترق الضوء بشكل سيء خلال هذه المياه العكرة، وتحصل الدياتومات على أطوال موجية أقل من الضوء التي تدفع عملية التمثيل الضوئي.
قمنا بجمع عينات في شتاء 2019-2020 لمقارنة مدى اختلاف مجتمعات الدياتوم في المياه المفتوحة عن تلك التي تعيش تحت الجليد. لقد فوجئنا أنه عندما لم يكن الجليد موجودًا، كانت بعض الدياتومات تستخدم شكلاً مختلفًا لاكتساب الطاقة – مدفوعًا بصبغة تسمى رودوبسين.
الرودوبسين عبارة عن بروتينات سريعة الاستجابة للضوء والتي ربما تُعرف بأنها مكون رئيسي في عيون الحيوانات. وفي الأنظمة البحرية، تبين في عام 2001 أن هذه البروتينات تشارك في توليد الطاقة في الخلايا البكتيرية، وعلى وجه التحديد إنتاج أدينوسين ثلاثي الفوسفات، أو ATP. ATP عبارة عن مادة كيميائية تستخدمها الكائنات الحية كمصدر للطاقة للعديد من العمليات الخلوية، مما يؤدي إلى لقبها باسم “العملة الجزيئية” للخلايا الحية.
ويبدو الآن أن بعض دياتومات بحيرة إيري تستخدم آلية توليد الطاقة هذه لزيادة عملية التمثيل الضوئي المحدودة في أشهر الشتاء الخالية من الجليد.
قد تكون الاختلافات في العمليتين مهمة: يساعد التمثيل الضوئي الخلايا على تثبيت الكربون لإنتاج كتلة حيوية جديدة بالإضافة إلى طاقة خلوية على شكل ATP. مع الرودوبسين، بينما يتم إنتاج ATP، لا يوجد تثبيت مباشر للكربون.
وهذا يعني أن الخلايا من المحتمل أن تستمر ولكنها لا تنمو في هذه المياه العكرة. ولكن في علم الأحياء، البقاء هو كل شيء: إذا لم يتمكن منافسو الكائن الحي من البقاء على قيد الحياة في الظروف القاسية ولكن الكائن الحي استطاع ذلك، فسيكون هناك المزيد من العناصر الغذائية عندما تتحسن الظروف. ولتحقيق هذه الغاية، يبدو أن الرودوبسين الموجود في هذه الدياتومات يمثل آلية للبقاء وفرصة للاستمرار في ظروف الشتاء الغامضة الخالية من الجليد.
مشاهدة حياة البحيرة تتطور مع تغير المناخ
وبينما ننتقل إلى مناخ أكثر دفئًا وعصرًا خاليًا من الجليد في بحيرة إيري والبحيرات الشمالية المعتدلة الأخرى، تشير هذه البيانات إلى أنه بمرور الوقت، يمكن استبدال الدياتومات التي ازدهرت في البحيرات المغطاة بالجليد بالدياتومات مع الرودوبسين في أشهر الشتاء.
ومن المحتمل أن تكون عواقب هذا التغيير متعددة: فالتغيرات الصغيرة في قاعدة الشبكة الغذائية يمكن أن تؤثر على مصايد الأسماك. علاوة على ذلك، من المعروف أن بعض الدياتومات تنتج مركبات سامة للحياة البرية والبشر.
ليس لدينا سوى تخمينات في هذه المرحلة حول كيفية تأثير التغيرات في أنواع الطحالب على مصايد الأسماك والسياحة وإدارة الموارد الساحلية على المدى الطويل. إن كيفية تغير مجتمعات الطحالب بمرور الوقت هي استجابة للعديد من الدوافع، والضوء هو أحدها فقط. ولكن الحصول على فرصة مشاهدة هذا التغيير من البداية يخلق فرصة فريدة لفهم تأثير ارتفاع درجة حرارة المناخ على البحيرات الكبرى والبحيرات المماثلة في جميع أنحاء العالم.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد.
كتب بواسطة: ستيفن فيلهلم، جامعة تينيسي; بريتاني زيبرنيك, جامعة تينيسيوروبرت مايكل مكاي، جامعة وندسور.
اقرأ أكثر:
يتلقى ستيفن فيلهلم تمويلًا من المؤسسة الوطنية للعلوم، والمعهد الوطني لعلوم الصحة البيئية، ووزارة الطاقة، والإدارة الوطنية لعلوم المحيطات والغلاف الجوي، ومؤسسة سيمونز.
تتلقى بريتاني زيبرنيك تمويلًا من برنامج العلماء الناشئين التابع لمؤتمر الجنوب الشرقي من خلال جامعة تينيسي.
يتلقى روبرت مايكل ماكاي تمويلًا من مجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسة في كندا. وهو عضو في المجلس الاستشاري لعلوم البحيرات الكبرى التابع للجنة الدولية المشتركة.