北极的季节性

北冰洋位于世界的“顶级”,它被海冰覆盖的大部分。北极海冰强劲季节性,这意味着它经历戏剧性的变化在其环境条件在季节(1]。冬天,北极海冰形式在海洋表面由于极度寒冷的气温和长期在极夜的黑暗。极夜的持续时间随纬度和可以持续从11月到3月上旬。随着太阳的回报和大气变暖春初,海冰暴露在越来越多的光线,导致海冰融化的积雪,最终。在春末和夏季海冰面临每天24小时的光,被称为极地的一天。积雪和海冰融化进入海洋,盐度(咸味)海洋表面的水减少。

海冰藻类:北极食物链的基础

微小的光合微生物称为海冰藻类生活在海冰,他们是一个非常重要的部分北冰洋的食物网。表1显示了一些常见的海冰藻类。这些藻类主要发现在海底的冰,冰与海洋下面的地方。海冰藻类可能还生活在含盐量很高的口袋内的液体被困冰,调用盐水渠道。海冰藻类很重要,因为它们负责初级生产,这意味着它们是第一个生物能源进入生态系统的食物网。他们通过创造糖通过光合作用,这需要二氧化碳(有限公司₂),光能量、水和营养物质如硝酸盐、磷酸盐和硅酸盐2,3]。初级生产的海冰因此所控制的光量和营养,以及藻类的温度和盐度的环境。

海冰的主要变化环境压力藻类和减少初级生产,从而影响整个生态系统(2]。海冰海藻是海洋生物被称为浮游动物的食物来源。浮游动物本身就是鱼类的食物来源,进而可以被更大的生物像海鸟、海豹、北极熊、鲸鱼、甚至人类!因此,海冰藻类食物网的基础在北极生态系统,它是一个主要的原因是很重要的预测潜在的变化发生在海冰的初级生产。了解季节性海冰藻类生存环境变化可以帮助科学家预测气候变化如何影响未来北极初级生产。

海冰海藻如何处理低光在冬天?

冬天北极海冰藻类必须找到方法来生存的黑暗和寒冷1]。为此,他们形成结构称为囊肿(图1一个),休息阶段的藻细胞停止生长时节约能源。囊肿厚墙,帮助他们生存的条件。黑暗硅藻也要花费大量的时间在一个类似睡眠的状态,这让他们生存几个月甚至几年没有光(1]。

一些海冰藻类还可以营养模式转向熬过冬天,(图1 b)。大多数捕获阳光生产糖和氧气通过光合作用。例如,硅藻主要使用光成长和生存。但是当光在黑暗中不可用的冬天呢?一些海冰藻类可以吃糖或其他藻类相反的光,特别是当它是黑暗的!这是许多鞭毛虫和鞭毛藻类。

海冰藻类光合作用也可以改变颜料在他们的细胞反应可用光的量的变化。光合色素是小分子,吸收光合作用所需的光。在冬天,当有小灯用于光合作用,海冰藻类倾向于增加生产一个名为叶绿素的光合色素一个,这样他们就可以吸收更多的光(图1 c)[3]。

海冰海藻如何处理强烈的光在春天/夏天吗?

当太阳的回报在早春,光线在北极开始增加。在夏天,有越来越多的光在极地的一天。在早春,增加光允许海冰藻类迅速成长,他们变得非常丰富。但是为什么呢?囊肿可以发芽的太阳光量增加(图1一个),这基本上意味着海冰藻类醒醒!一些海冰藻类也可能他们的营养模式切换回使用光作为他们的主要能量来源(图1 b)[1]。

在春天和夏天,海冰藻类可能暴露在非常高的光强度由于融化的积雪,通常可以防止阳光到达。作为回应,他们可以产生色素,保护他们免受光,称为光保护颜料。他们还可以降低叶绿素一个内容减少它们吸收的光量(图1 c)[3]。如果海冰藻类无法保护自己免受极高的光强度发生在极地天,光合作用的利率可能负面影响,他们甚至可能死亡3]!一些海冰藻类处理强烈的光比别人做的(4]。

海冰海藻如何处理高盐度在冬天?

海冰藻类暴露在不同矿化度取决于他们住的地方。例如,藻类生活在海冰的最低部分属于正常海洋盐度,因为他们与海洋表面水(图2一个)[5),而藻类生活在盐水渠道可能面临极高的盐度(5]。冰藻类必须保护自己免受高盐度的方法。当他们暴露于高盐度、藻细胞内的水会向外移动到周围的海水或盐水,因为水的自然倾向于从地区低盐度高盐度的领域。在冬天,咸的盐水和海水盐度高于藻细胞,这可能会导致藻细胞收缩水流(图2 b)[5]。

当盐溶解在水中,形成离子盐。高盐度的海水有很多离子吸引水的藻细胞。处理高盐度、海冰藻类可能收集离子,其细胞内部的水保持。有多种方法去离子,其中一些需要能量和其中的一些不5]。海冰藻类也可能产生osmolytes分子,保护细胞免受过多的水流进或出细胞。在高矿化度,osmolytes积累在细胞内增加保水的物质的数量,因此有助于防止水流的细胞(5]。

海冰海藻如何处理低矿化度在春天/夏天?

春天和夏天的气温增加导致积雪和海冰融化。这增加了淡水咸的海水和盐水渠道,降低其盐度。当海冰藻类暴露于低矿化度、细胞内的盐的浓度高于细胞外。因此,周围的水会进入藻细胞,使它们膨胀(图2 c)。这是相反的藻细胞暴露于高盐度时会发生什么。因此,当盐度很低,藻类必须减少水流进入细胞的方式。处理低矿化度、海冰藻类可以释放离子。类似于离子收集的过程中,一些方法的离子释放当别人不需要能量。鞭毛虫和海冰硅藻也可能释放osmolytes防止水进入细胞,因为这些都是吸水的物质(5]。

一些海冰藻类能适应低盐度比别人更好。有翼的diatoms-elongated细胞与通常强硬silica-are涂料最好的适应黑暗,咸冬季条件(图3一)[4]。另一方面,flagellates-cells与一个或多个类似的鞭毛(即。,whip-like structure used to swim)—and centric diatoms—circular shape cells with a tough coating of silica—often adjust better to low salinities than pennate diatoms do [4]。因此,有翼的硅藻是第一个藻类丢失底冰在融化的春末,而其他组织蓬勃发展,如鞭毛虫和dinoflagellates-cells有两个不同的鞭毛,细胞周围的一个看起来像一个带和其它鞭毛挂下来,垂直于第一(图3 b)。鞭毛虫和甲藻往往主宰春夏装,因为年末鞭毛虫通常调整比硅藻低矿化度和减少营养物质(图3 c)[4]。

关键信息

北极海冰受到强烈的季节性变化,因为它经历了长时间的黑暗(极夜)和日光(极地天)。小,海冰光合藻类生活在这种环境下必须调整应对极端光强度和盐度季节变化。为此,他们可以形成囊肿,转变他们的营养模式,调节其内部色素含量,改变他们的离子盐和osmolyte浓度。各种类型的北极海冰藻类可能调整不同的季节性。有翼的硅藻通常调整好黑暗,高盐水冬季条件;而中心硅藻、特别是鞭毛虫被认为更好的生长在温暖,少盐条件的春季和夏季。海冰藻类形成北极食物链的基础,这就是为什么它是重要的潜在变化预测海冰初级生产。科学家们正在试图了解北极海冰藻类生存季节环境变化,更好地预测气候变化将如何影响未来北极海冰初级生产。

术语表

季节性:↑不同的环境条件(如光、盐度、温度和营养)的跨季节发生。北极季节性特别极端的环境变化发生在冬季和夏季。

盐度:↑咸味或数量的盐溶解在水中。盐在水中溶解离子盐形式,要么是积极的还是消极的带电原子(如,Na⁺和Cl⁻)。

海冰藻类:↑简单的单细胞光合生物,可以分为几组,包括硅藻(有翼的或中心)、鞭毛虫和鞭毛藻类。

盐水渠道:↑咸的液体被困在冰一些藻类生长。

初级生产:↑糖的生产光合生物作为食物链的基础。在海冰环境中,藻类的主要生物初级生产负责。

光合作用:↑光的捕获、二氧化碳、水和营养物质通过光合生物(如藻类和植物)生产糖和氧气。

颜料:↑色素分子在细胞或组织中。在藻细胞,有光合色素,吸收光合作用所需的光,光保护颜料,保护他们免受强烈的光。

Osmolytes:↑分子,保护细胞免受过度水流进出细胞的经历时盐度的变化。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

确认

这项工作是作为一个科学传播的一部分大学课程外的北极挪威和是一个贡献Diatom-ARCTIC(硅藻Autoecological响应变化冰盖)项目由NERC科学的环境(NE / R012849/1;03 f0810a),弗拉姆号中心Flagship-funded项目PHOTA(物理司机改变北冰洋的冰藻热点,Tromsø,挪威,# 66014,PI:提单),以及挪威研究委员会资助项目呼吸(底部海冰呼吸和营养交流评估北极,批准号325405年,π:KC), CAATEX(批准号(批准号280531)和严重破坏280292)。这项工作也由挪威研究委员会通过北极格兰特(ZF二自由度陀螺仪# 322575)。

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引用

[1]↑贝,J。,Johnsen, G., and Cohen, J. H. 2020.极夜海洋生态:生活,在夜深人静的时候。柏林:施普林格自然。

[2]↑托马斯,d . n . 2017。海冰。新泽西州霍博肯:约翰威利和儿子。

[3]↑法尔p·G。,一个nd Raven, J. A. 2013.水生光合作用。普林斯顿,纽约:普林斯顿大学出版社。

[4]↑范Leeuwe, m·A。特斯科,L。,Arrigo, K. R., Assmy, P., Campbell, K., Meiners, K. M., et al. 2018. Microalgal community structure and primary production in Arctic and Antarctic sea ice: A synthesis.Elementa6:e267。doi: 10.1525 / elementa.267

[5]↑Kirst, g . 1990。耐盐碱的真核生物的海洋藻类。安。启植物杂志。41:21-53。doi: 10.1146 / annurev.pp.41060190.000321