DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51636-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39231958
تاريخ النشر: 2024-09-04
المؤلف: Clara J. M. Hoppe وآخرون
الموضوع الرئيسي: النظم البيئية البحرية والساحلية
نظرة عامة
تناقش هذه القسم من ورقة البحث الدور الحاسم لعملية التمثيل الضوئي في توفير الطاقة الحيوية المتاحة والكربون والأكسجين، خاصة في سياق المحيط العالمي. يبرز المؤلفون النتائج من حملة MOSAiC الميدانية في المحيط القطبي الشمالي المركزي، والتي تكشف أن النمو التمثيلي الضوئي وتراكم الكتلة الحيوية للطحالب يمكن أن يحدث تحت الجليد البحري عند مستوى إشعاع يومي متوسط منخفض بشكل ملحوظ يبلغ 0.04 ± 0.02 ميكرومول فوتونات م$^{-2}$ ث$^{-1}$ في أواخر مارس. هذه القياسات أقل بكثير – على الأقل بمرتبة واحدة – من التقديرات السابقة، التي تراوحت بين 0.3 إلى 5 ميكرومول فوتونات م$^{-2}$ ث$^{-1}$، وتقترب من الحد الأدنى النظري لمتطلبات الضوء لعملية التمثيل الضوئي البالغ 0.01 ميكرومول فوتونات م$^{-2}$ ث$^{-1}$.
تشير نتائج الدراسة إلى أن المناطق المضيئة، حيث يمكن أن تحدث عملية التمثيل الضوئي، قد تمتد أعمق وفي وقت أطول مما كان مفهوماً سابقاً، مما يؤثر على تقديرات الإنتاجية العالمية. تؤكد الأبحاث على أهمية تحديد الحد الأدنى لمتطلبات الضوء للنمو التمثيلي الضوئي، حيث أن هذه المعرفة ضرورية لفهم الإنتاجية الأولية الصافية (NPP) والدورات البيوجيوكيميائية في المحيطات. من خلال تقديم قياسات مكملة للإشعاعات تحت الجليد والكتلة الحيوية الضوئية، تعالج هذه الدراسة فجوة كبيرة في فهم عملية التمثيل الضوئي في البيئات القاسية، مما يشير إلى أن NPP يمكن أن يحدث تحت ظروف ضوء منخفضة للغاية.
الطرق
تم إجراء البحث كجزء من بعثة الرصد المتعددة التخصصات لدراسة المناخ القطبي (MOSAiC) في المحيط القطبي الشمالي المركزي. تم أخذ القياسات من فبراير إلى أبريل 2020، خلال الفترة التي انجرفت فيها السفينة RV Polarstern مع الجليد البحري، متحركة من خط عرض 88° شمالاً إلى 84° شمالاً. تدعم نتائج الدراسة البيانات المرئية المقدمة في الأشكال S1 و S2، التي توضح مسار الانجراف والظروف البيئية التي تم مواجهتها خلال البعثة.
النتائج
في هذه الدراسة، بحث الباحثون في إمكانية بدء عملية التمثيل الضوئي تحت الجليد من خلال قياس إنتاجية الكربون المشع 14C (NPP) لمجموعات الفيتوبلانكتون على مدى 24 ساعة. كشفت التجارب المعملية تحت ظروف مسيطر عليها (1 °م و 10 ميكرومول فوتونات م$^{-2}$ ث$^{-1}$) أن معدلات NPP كانت أعلى بكثير من الضوابط المظلمة منذ يناير وفبراير، مما يشير إلى أن الفيتوبلانكتون الذي يقضي الشتاء يمكن أن يستأنف عملية التمثيل الضوئي عند تعرضه للضوء. ومن الجدير بالذكر أن زيادة أسية في NPP المحتمل لوحظت في الطبقة المختلطة قبل 14 مارس، مما يشير إلى عمليات فسيولوجية نشطة على الرغم من مستويات الضوء المنخفضة.
كما أبرزت الدراسة أن الزيادات الملحوظة في NPP المحتمل لم تكن مرتبطة بالتكيف الفسيولوجي، كما يتضح من ثبات نسب تثبيت الكربون إلى الكلوروفيل-أ (Chl-a) ونسب الكربون العضوي الجزيئي (POC) إلى Chl-a طوال فترة الدراسة. تتماشى هذه النتيجة مع الدراسات الميدانية والمعملية السابقة التي تشير إلى أن الفيتوبلانكتون يحتفظ بقدراته التمثيلية الضوئية خلال الليل القطبي. علاوة على ذلك، استخدم الباحثون تركيزات الكلوروفيل-أ اليومية من عمق 11 مترًا لاستنتاج سلسلة زمنية مفصلة للكتلة الحيوية في الطبقة المختلطة العليا، مما يعزز الاستنتاج بأن الزيادة في NPP المحتمل من 14 مارس فصاعدًا تعكس على الأرجح زيادة حقيقية في الكتلة الحيوية التمثيلية الضوئية.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون النتائج من بعثة MOSAiC بشأن بدء النمو التمثيلي الضوئي والظروف الضوئية المرتبطة بها في البيئة البحرية القطبية. حددوا 28 مارس كتقدير محافظ لبداية التمثيل الضوئي الصافي استنادًا إلى قياسات تركيز الكلوروفيل-أ (Chl-a)، التي أظهرت زيادة ملحوظة بعد هذا التاريخ. كشفت التحليلات أن تركيزات Chl-a ارتفعت من حوالي 0.01-0.02 ميكروغرام ل⁻¹ في أوائل مارس إلى 0.05 ميكروغرام ل⁻¹ بحلول منتصف أبريل، مع زيادة متCorresponding في عدد خلايا الفيتوبلانكتون مدفوعة بشكل أساسي بواسطة الدياتوم القلم Pseudo-nitzschia spp. حدث هذا النمو تحت ظروف ضوء منخفضة للغاية، حيث لم يتجاوز متوسط الإشعاع النشط ضوئيًا اليومي (PAR) 0.04 ± 0.02 ميكرومول فوتونات م⁻² ث⁻¹، وهي قيمة أقل بكثير من العتبات المسجلة سابقًا للإنتاجية الأولية.
يؤكد المؤلفون أن هذه النتائج تتحدى الافتراضات الحالية حول قيود الضوء على نمو الطحالب الدقيقة في القطب الشمالي، مما يشير إلى أن توفر المغذيات وضغط الرعي قد يلعبان أدوارًا أكثر أهمية خلال النهار القطبي. تشير النتائج إلى أن الإنتاجية الأولية يمكن أن تحدث عند مستويات ضوء قريبة من الحد الأدنى النظري المطلوب لعملية التمثيل الضوئي، مما له تداعيات على فهم النظم البيئية البحرية في البيئات ذات الضوء المنخفض على مستوى العالم. تسلط الدراسة الضوء على الإمكانية للإنتاجية الأولية التي تم تقديرها سابقًا في القطب الشمالي وتقترح أن ظروفًا مماثلة قد توجد في مناطق محيطية أخرى، مما يعيد تعريف فهمنا للمنطقة المضيئة ودينامياتها البيئية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51636-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39231958
Publication Date: 2024-09-04
Author(s): Clara J. M. Hoppe et al.
Primary Topic: Marine and coastal ecosystems
Overview
This section of the research paper discusses the critical role of photosynthesis in providing bioavailable energy, carbon, and oxygen, particularly in the context of the global ocean. The authors highlight findings from the MOSAiC field campaign in the central Arctic Ocean, which reveal that photosynthetic growth and algal biomass accumulation can occur under sea ice at a remarkably low daily average irradiance of 0.04 ± 0.02 µmol photons m$^{-2}$ s$^{-1}$ in late March. This measurement is significantly lower—by at least an order of magnitude—than previous estimates, which ranged from 0.3 to 5 µmol photons m$^{-2}$ s$^{-1}$, and approaches the theoretical minimum light requirement for photosynthesis of 0.01 µmol photons m$^{-2}$ s$^{-1}$.
The study’s findings suggest that the euphotic zones, where photosynthesis can occur, may extend further in depth and time than previously understood, thereby impacting global productivity estimates. The research emphasizes the importance of determining the minimum light requirements for photosynthetic growth, as this knowledge is essential for understanding oceanic net primary production (NPP) and biogeochemical cycles. By providing complementary measurements of under-ice irradiances and phototrophic biomass, this study addresses a significant gap in the understanding of photosynthesis in extreme environments, indicating that NPP can occur under conditions of extremely low light.
Methods
The research was conducted as part of the Multidisciplinary Drifting Observatory for the Study of Arctic Climate (MOSAiC) drift expedition in the Central Arctic Ocean. Measurements were taken from February to April 2020, during which the RV Polarstern drifted with the sea ice, moving from a latitude of 88°N to 84°N. The study’s findings are supported by visual data presented in Figures S1 and S2, which illustrate the drift trajectory and environmental conditions encountered during the expedition.
Results
In this study, the researchers investigated the potential onset of photosynthesis beneath ice by measuring the 14C productivity (NPP) of phytoplankton assemblages over a 24-hour period. Laboratory experiments under controlled conditions (1 °C and 10 µmol photons m$^{-2}$ s$^{-1}$) revealed that NPP rates were significantly higher than dark controls as early as January and February, indicating that overwintering phytoplankton can resume photosynthesis upon exposure to light. Notably, an exponential increase in potential NPP was observed in the mixed layer before March 14, suggesting active physiological processes despite low light levels.
The study also highlighted that the observed increases in potential NPP were not linked to physiological acclimation, as evidenced by stable carbon fixation to chlorophyll-a (Chl-a) ratios and particulate organic carbon (POC) to Chl-a ratios throughout the study period. This finding aligns with previous field and laboratory studies indicating that phytoplankton retain their photosynthetic capabilities during the polar night. Furthermore, the researchers utilized daily surface ocean Chl-a concentrations from 11 m depth to derive a detailed time series of biomass in the upper mixed layer, reinforcing the conclusion that the increase in potential NPP from March 14 onwards likely reflects a genuine rise in photosynthetic biomass.
Discussion
In this section, the authors discuss the findings from the MOSAiC expedition regarding the onset of photosynthetic growth and the associated light conditions in the Arctic marine environment. They identified March 28th as the conservative estimate for the onset of net photosynthesis based on chlorophyll-a (Chl-a) concentration measurements, which showed a significant increase following this date. The analysis revealed that Chl-a concentrations rose from approximately 0.01-0.02 µg L⁻¹ in early March to 0.05 µg L⁻¹ by mid-April, with a corresponding increase in phytoplankton cell counts driven primarily by the pennate diatom Pseudo-nitzschia spp. This growth occurred under extremely low light conditions, with daily average photosynthetically active radiation (PAR) not exceeding 0.04 ± 0.02 µmol photons m⁻² s⁻¹, a value considerably lower than previously recorded thresholds for primary production.
The authors emphasize that these findings challenge existing assumptions about light limitations on microalgal growth in the Arctic, suggesting that nutrient availability and grazing pressure may play more significant roles during the polar day. The results indicate that primary production can occur at light levels close to the theoretical minimum required for photosynthesis, which has implications for understanding marine ecosystems in low-light environments globally. The study highlights the potential for previously underestimated primary production in the Arctic and suggests that similar conditions may exist in other oceanic regions, thereby redefining our understanding of the euphotic zone and its ecological dynamics.