Vårvädret ger välkomna förhållanden för blommor och växtliv att blomma över landet. Rätt blandning av temperatur, fukt och ljus hjälper till att hålla den gröna världen levande.
Undervattensväxtliv reagerar i allmänhet på liknande miljömässiga uppmuntran, men en märklig upptäckt i Lake Erie cirka 2012 fick mikrobiologer att studera en osäsongsbunden uppvisning av vinteröverflöd. Blomningar av kiselalger – mikroskopiska, fotosyntetiska alger – var levande och väl under (och inom) sjöns istäcke.
"Några av de viktigaste vinter-vår-kiselalgerblomningsbildarna, som Aulacoseira islandica, har ett symbiotiskt förhållande med heterotrofa bakterier som kan bilda små iskristaller, vilket med tiden gör att kiselalgerfilamenten blir flytande - precis som isbitar flyter i din favoritdryck ", sa Brittany Zepernick, en postdoktorand forskare och SEC Emerging Scholar vid UT:s institution för mikrobiologi.
Dessa "kiselalgerisbitar" flyter till Lake Erie istäcke och bäddar in i det, vilket sätter dem i position för att absorbera det ljus som behövs för att utföra fotosyntes under vintermånaderna. Det var goda nyheter för kiselalger, som är en viktig komponent i det kumulativa ekosystemet i sjöar och hav över hela världen
Denna märkliga anpassning är dock hotad, eftersom värmande globala temperaturer har lett till en utbredd isnedgång över de stora sjöarna, vilket har lämnat Lake Erie i ett nästan isfritt tillstånd under flera senaste vintrar och lämnat kiselalger kvar i grumliga, ljusberövade vatten. I dessa nya "klimatiskt okända vatten" upphörde plötsligt de anpassningar som gynnade dessa vinterkiselalger så länge att tjäna dem.
Så, vad är en kiselalg att göra? Zepernick och kollegor vände sig till Eriesjöns strand för att undersöka situationen som utvecklades. Med hjälp av den amerikanska och kanadensiska kustbevakningen tog de prov på det istäckta (2019) och isfria (2020) vintervattnet i Lake Erie för att lära sig hur kiselalger reagerade på förändrade miljöförhållanden. De publicerade nyligen sitt arbete i The ISME Journal .
Två huvudsläkten kiselalger dominerar vinterblomningarna:Aulacoseira islandica och Stephanodiscus spp.
"Förekomsten av Stephanodiscus spp. var ungefär 70 procent lägre i den isfria vattenpelaren 2020 jämfört med den istäckta vattenpelaren 2019", sa Zepernick. "På samma sätt var förekomsten av Aulacoseira islandica cirka 50 procent lägre i den isfria vattenpelaren jämfört med den istäckta vattenpelaren."
Med istäcket över de stora sjöarna på rekordlåga nivåer – från cirka 80 % täckt av is 2018 och 2019 till bara 8 % täckt 2023 – förväntar sig forskarna att denna trend kommer att fortsätta under kommande vintrar.
Nästa steg är att studera hur detta påverkar Lake Erie, som ansluter sig till de andra Laurentian Great Lakes i USA och Kanada för att kumulativt innehålla cirka 20 % av världens sötvatten.
"Trots den kritiska betydelsen av detta system visste vi inte att kiselalgerblomningar ens bildades under vinter-vårmånaderna förrän runt 2012," sa Zepernick. "Många forskare har hänvisat till vintervattenpelaren som en "ny gräns" eller en "svart låda." Vad vi vet är att kiselalger är avgörande för regionala sjöekosystem och det globala klimatet."
Kiselalger utgör uppskattningsvis 20 % av den globala kolbindningen och syreproduktionen, spelar en ökad roll i globala biogeokemiska cykler och representerar en kritisk komponent i det akvatiska ekosystemet i sötvattensystem.
"Därför kommer de storskaliga förändringarna som redan pågår i kiselalgersamhällena vinter-vår i Lake Erie och andra sjöar över hela världen att resultera i storskaliga biologiska och biogeokemiska förändringar", säger Zepernick.
Ljuset i slutet av den isiga tunneln kunde förlita sig på kiselalgernas potential att anpassa sig. Zepernicks senaste arbete indikerar att de möjligen kan bilda kluster med adhesiva proteiner som kallas fascikliner för att "flotta" till ytan av det leriga vattnet via "undervattensvågor" producerade av vind, konvektion och undervattensströmmar.
En annan anpassning som Zepernick antydde var att kiselalger kunde öka sin användning av protonpumpande rhodopins (PPR) - lätt skördande, retinal-innehållande proteiner som skulle kunna fungera som ett alternativ till klassisk fotosyntes. Hon försöker för närvarande att isolera sötvattenkiselalger från Lake Erie-prover som har PPRs för att skapa en modell av sötvattenkiselalger-PPR-system för vidare studier. Hennes resultat kan ge ledtrådar till kiselalgernas nästa drag i ett snabbt föränderligt klimat.
"PPR är ett hett ämne inom marin litteratur, men vi vet väldigt lite om hur dessa mekanismer tillämpas på sötvattensystem och taxa," sa hon. "Jag är intresserad av att belysa fördelarna med PPR kan ge både sötvattens- och marina kiselalger över en mängd nya – och framtida – klimatstressorer."
Mer information: Brittany N Zepernick et al., Nedgångar i istäcke åtföljs av ljusbegränsningssvar och samhällsförändringar i sötvattenkiselalger, The ISME Journal (2024). DOI:10.1093/ismejo/wrad015
Journalinformation: ISME Journal
Tillhandahålls av University of Tennessee i Knoxville
