جلبک های یخی هر یک از انواع مختلف جوامع جلبکی هستند که در یخ های دریایی سالانه و چند ساله و دریاچه های زمینی یا یخ یخچال های طبیعی یافت می شوند.
روی یخ دریا در اقیانوسهای قطبی، جوامع جلبک یخی نقش مهمی در تولید اولیه دارند . [1] زمان شکوفایی جلبک ها به ویژه برای حمایت از سطوح تغذیه ای بالاتر در زمان هایی از سال که نور کم است و پوشش یخی هنوز وجود دارد، مهم است. جوامع جلبکی یخ دریا عمدتاً در لایه زیرین یخ متمرکز شدهاند، اما میتوانند در کانالهای آب نمک درون یخ، حوضچههای مذاب و روی سطح نیز رخ دهند.
از آنجایی که جلبک های یخی زمینی در سیستم های آب شیرین وجود دارند، ترکیب گونه ها با جلبک های یخی دریا بسیار متفاوت است. به طور خاص، جوامع جلبک یخی یخچال های زمینی از این جهت مهم هستند که رنگ یخچال ها و صفحات یخی را تغییر می دهند و بر بازتاب خود یخ تأثیر می گذارند.
حیات میکروبی در یخ دریا بسیار متنوع است [2] [3] [4] و شامل جلبکها، باکتریها و تک یاختههای فراوان است. [5] [6] جلبک ها به طور خاص بر محیط سمپاژیک تسلط دارند ، به طوری که تخمین زده می شود بیش از 1000 یوکاریوت تک سلولی با یخ های دریا در قطب شمال مرتبط هستند. [7] [4] [3] [2] ترکیب و تنوع گونهها بر اساس مکان، نوع یخ و تابش متفاوت است . به طور کلی، دیاتومه های پنتی مانند Nitzschia frigida [8] [9] (در قطب شمال) [10] و Fragilariopsis cylindrus (در قطب جنوب) [11] فراوان هستند. Melosira arctica که رشته هایی به طول یک متر را تشکیل می دهد که به کف یخ متصل هستند، همچنین در قطب شمال گسترده هستند و منبع غذایی مهمی برای گونه های دریایی هستند. [11]
در حالی که جوامع جلبک یخی دریا در سراسر ستون یخ دریا یافت می شود، فراوانی و ترکیب جامعه به زمان سال بستگی دارد. [12] ریز زیستگاههای زیادی برای جلبکها روی یخ دریا و درون آن وجود دارد، و گروههای جلبکی مختلف ترجیحات متفاوتی دارند. به عنوان مثال، در اواخر زمستان/اوایل بهار، دیاتومههای متحرک مانند N. frigida بر بالاترین لایههای یخ، تا جایی که کانالهای شور میرسند، تسلط دارند، و فراوانی آنها در یخ چند ساله (MYI) بیشتر از یخها است. یخ سال اول (FYI). علاوه بر این، داینوفلاژل ها نیز در اوایل بهار استرالیا در یخ های دریای قطب جنوب غالب هستند. [5]
جوامع جلبکی یخ دریا همچنین می توانند در سطح یخ، در حوضچه های ذوب سطحی و در لایه هایی که رفتینگ رخ داده است، رشد کنند. در حوضچه های مذاب، انواع جلبک های غالب می توانند با شوری حوضچه متفاوت باشند، با غلظت های بالاتر دیاتوم ها در حوضچه های مذاب با شوری بالاتر. [13] به دلیل انطباق آنها با شرایط نور کم، حضور جلبک های یخی (به ویژه موقعیت عمودی در کیسه یخ) عمدتاً به دلیل در دسترس بودن مواد مغذی محدود شده است. بیشترین غلظت در پایه یخ یافت می شود زیرا تخلخل آن یخ باعث نفوذ مواد مغذی از آب دریا می شود. [14]
برای زنده ماندن در محیط خشن یخ دریا، موجودات زنده باید بتوانند تغییرات شدید شوری، دما و تابش خورشیدی را تحمل کنند. جلبکهایی که در کانالهای آب نمک زندگی میکنند میتوانند اسمولیتهایی مانند دیمتیل سولفونیوپروپیونات (DMSP) ترشح کنند که به آنها اجازه میدهد تا از شوری بالا در کانالها پس از تشکیل یخ در زمستان و همچنین شوری کم در زمانی که آب ذوب نسبتا تازه کانالها را در بهار شستشو میدهد، زنده بمانند. و تابستان برخی از گونههای جلبک یخ دریایی پروتئینهای متصل به یخ (IBP) را به عنوان یک ماده پلیمری خارج سلولی ژلاتینی (EPS) ترشح میکنند تا از غشای سلولی در برابر آسیبهای ناشی از رشد کریستالهای یخ و چرخههای ذوب یخ محافظت کنند. [15] EPS ریزساختار یخ را تغییر می دهد و زیستگاه بیشتری برای شکوفه های آینده ایجاد می کند. جلبکهای یخی در محیطهایی با نور کم یا بدون نور برای چندین ماه از سال زنده میمانند، مانند درون پاکتهای آب نمک یخ. چنین جلبک هایی سازگاری های تخصصی دارند تا بتوانند رشد و تولیدمثل را در دوره های تاریکی حفظ کنند. برخی از دیاتوم های یخ دریا زمانی که سطح نور کم است از میکسوتروفی استفاده می کنند. به عنوان مثال، برخی از دیاتومهای قطب جنوب، گلیکولیز را در محیطهایی با تابش کم یا بدون تابش تنظیم میکنند، در حالی که سایر مسیرهای متابولیک میتوکندری، از جمله مسیر Entner-Doudoroff را تنظیم میکنند که چرخه TCA (یک جزء مهم در تنفس سلولی) را با پیرووات فراهم میکند، زمانی که پیرووات از طریق به دست نمیآید. فتوسنتز [16] جلبک های ساکن در سطح، رنگدانه های خاصی تولید می کنند تا از آسیب اشعه ماوراء بنفش خشن جلوگیری کنند . غلظتهای بالاتر رنگدانههای زانتوفیل بهعنوان یک کرم ضد آفتاب عمل میکند که از جلبکهای یخ در برابر آسیب نوری محافظت میکند، زمانی که در معرض سطوح آسیبرسان پرتو فرابنفش پس از انتقال از یخ به ستون آب در طول بهار قرار میگیرند. [3] جلبکها در زیر یخ غلیظ گزارش شدهاند که برخی از شدیدترین سازگاریها با نور کم را نشان میدهند. آنها قادر به انجام فتوسنتز در محیطی با تنها 0.02 درصد نور در سطح هستند. [17] راندمان بسیار زیاد در استفاده از نور به جلبک های یخی دریا اجازه می دهد تا زمانی که شرایط نور در شروع بهار بهبود می یابد، به سرعت زیست توده ایجاد کنند. [18]
جلبک های یخی دریا نقش مهمی در تولید اولیه دارند و به عنوان بخشی از پایه شبکه غذایی قطبی با تبدیل دی اکسید کربن و مواد مغذی معدنی به اکسیژن و مواد آلی از طریق فتوسنتز در اقیانوس های بالای قطب شمال و قطب جنوب عمل می کنند. در قطب شمال، تخمینها از سهم جلبکهای یخی دریا در کل تولید اولیه از 3-25٪ تا 50-57٪ در مناطق مرتفع قطب شمال متغیر است. [19] [20] جلبک های یخ دریا به سرعت زیست توده را جمع می کنند، اغلب در پایه یخ دریا، و رشد می کنند تا تشک های جلبکی را تشکیل دهند که توسط دوپایان هایی مانند کریل و غلاف های کوچک مصرف می شوند . در نهایت، این موجودات توسط ماهی ها، نهنگ ها، پنگوئن ها و دلفین ها خورده می شوند. [18] هنگامی که جوامع جلبکی یخ دریا از یخ دریا جدا میشوند، توسط چرندگان دریایی، مانند زئوپلانکتونها، در حالی که در ستون آب فرو میروند و بیمهرگان کف دریا در حالی که در کف دریا مینشینند، مصرف میشوند. [3] جلبک های یخ دریا به عنوان غذا غنی از اسیدهای چرب غیراشباع و دیگر اسیدهای چرب ضروری هستند و تولید کننده انحصاری اسیدهای چرب ضروری امگا 3 هستند که برای تولید تخم غلاف ، جوجه کشی و رشد و عملکرد زئوپلانکتون ها مهم هستند . [3] [21]
زمان شکوفایی جلبک های یخی دریا تاثیر قابل توجهی بر کل اکوسیستم دارد. شروع شکوفه در درجه اول با بازگشت خورشید در بهار (یعنی زاویه خورشید) کنترل می شود. به همین دلیل، شکوفههای جلبکهای یخی معمولاً قبل از شکوفههای فیتوپلانکتونهای پلاژیک اتفاق میافتد که به سطوح نور بالاتر و آب گرمتر نیاز دارند. [21] در اوایل فصل، قبل از ذوب یخ، جلبک های یخ دریا منبع غذایی مهمی برای سطوح تغذیه ای بالاتر هستند . [21] با این حال، درصد کل جلبک های یخی دریا در تولید اولیه یک اکوسیستم مشخص به شدت به میزان پوشش یخی بستگی دارد. ضخامت برف روی یخ دریا نیز با تغییر انتقال نور بر زمان و اندازه شکوفایی جلبک های یخی تأثیر می گذارد. [22] این حساسیت به پوشش یخ و برف میتواند باعث عدم تطابق بین شکارچیان و منبع غذایی آنها، جلبکهای یخ دریا، در اکوسیستم شود. این به اصطلاح تطابق/عدم تطابق در سیستمهای مختلفی اعمال شده است. [23] نمونههایی در رابطه بین گونههای زئوپلانکتونها ، که برای غذا به جلبکهای یخ دریا و فیتوپلانکتونها متکی هستند، و گردههای جوان در دریای برینگ دیده شده است. [24]
راههای مختلفی وجود دارد که تصور میشود شکوفههای جلبکی یخ دریا چرخه سالانه خود را شروع میکنند، و فرضیههای مربوط به آن بسته به عمق ستون آب، عصر یخبندان دریا، و گروه طبقهبندی متفاوت است. در جایی که یخ دریا روی اعماق اقیانوس پوشانده شده است، پیشنهاد میشود که سلولهای به دام افتاده در آبنمکهای یخ چند ساله دوباره به ستون آب زیر متصل شده و به سرعت یخهای اطراف را در تمام سنین مستعمره کنند. این به عنوان فرضیه مخزن یخ چند ساله دریا شناخته می شود . [12] این منبع بذر در دیاتومه ها که بر شکوفه های سمپاژیک غالب هستند نشان داده شده است . گروههای دیگر، مانند داینوفلاژلها ، که در بهار/تابستان نیز شکوفا میشوند، نشان داده شده است که تعداد سلولهای کم خود را در خود ستون آب حفظ میکنند و عمدتاً در داخل یخ زمستانگذرانی نمیکنند. [25] جایی که یخ دریا اقیانوسی را که تا حدودی کمعمقتر است میپوشاند، ممکن است سلولها از رسوب مجدداً معلق شوند. [26]
تغییرات آب و هوا و گرم شدن مناطق قطب شمال و قطب جنوب این پتانسیل را دارد که عملکرد اکوسیستم را تا حد زیادی تغییر دهد. انتظار می رود کاهش پوشش یخی در مناطق قطبی نسبت نسبی تولید جلبک یخ دریا را به اندازه تولید اولیه سالانه کاهش دهد. [27] [28] نازک شدن یخ امکان تولید بیشتر در اوایل فصل را فراهم می کند، اما ذوب اولیه یخ باعث کوتاه شدن فصل رشد کلی جلبک های یخ دریا می شود. این ذوب همچنین به طبقه بندی ستون آب کمک می کند که با کاهش عمق لایه مخلوط سطحی و جلوگیری از بالا آمدن مواد مغذی از آب های عمیق، دسترسی به مواد مغذی برای رشد جلبک ها را تغییر می دهد. انتظار می رود که این باعث تغییر کلی به سمت تولید فیتوپلانکتون های دریایی شود. [28] تغییرات در حجم یخ چند ساله [29] همچنین بر عملکرد اکوسیستم از نظر تنظیم منبع بذر شکوفه تأثیر خواهد داشت. کاهش در MYI، یک پناهگاه موقت برای دیاتومها، احتمالاً ترکیب جامعه سمپاژیک را تغییر میدهد، و در نتیجه اولیهسازی شکوفهای که از گونههایی که در ستون آب یا رسوبات زمستانگذرانی میکنند ناشی میشود. [25]
از آنجایی که جلبک های یخی دریا اغلب پایه شبکه غذایی هستند، این تغییرات پیامدهایی برای گونه هایی با سطوح تغذیه ای بالاتر دارد. [19] چرخههای تولید مثل و مهاجرت بسیاری از مصرفکنندگان اولیه قطبی با شکوفایی جلبکهای یخی دریا هماهنگ میشوند، به این معنی که تغییر در زمان یا مکان تولید اولیه میتواند توزیع جمعیتهای طعمه لازم برای گونههای مهم سنگهای اصلی را تغییر دهد. زمان تولید همچنین ممکن است با ذوب شدن حوضچه های ذوب سطحی به آب دریا در زیر تغییر کند، که می تواند زیستگاه جلبک های یخ دریا را در اواخر فصل رشد به گونه ای تغییر دهد که جوامع چرا را با نزدیک شدن به زمستان تحت تاثیر قرار دهد. [30]
تولید DMSP توسط جلبک های یخ دریا نیز نقش مهمی در چرخه کربن ایفا می کند . DMSP توسط پلانکتون های دیگر به دی متیل سولفید (DMS) اکسید می شود، ترکیبی که با تشکیل ابر مرتبط است. از آنجایی که ابرها بر بارندگی و میزان تابش خورشیدی منعکس شده به فضا تأثیر میگذارند ( آلبدو )، این فرآیند میتواند یک حلقه بازخورد مثبت ایجاد کند. [31] پوشش ابر باعث افزایش تابش تابشی منعکس شده به فضا توسط جو می شود و به طور بالقوه به خنک شدن سیاره و حمایت از زیستگاه های قطبی بیشتر جلبک های یخی دریا کمک می کند. در سال 1987، تحقیقات نشان داده است که برای مقابله با گرم شدن به دلیل افزایش غلظت CO2 اتمسفر، به دو برابر شدن هسته های تراکم ابر، که DMS یکی از انواع آن است، نیاز است . [32]
یخ دریا نقش مهمی در آب و هوای جهانی دارد. [33] مشاهدات ماهوارهای از گستره یخ دریا فقط تا اواخر دهه 1970 برمیگردد، و رکوردهای رصدی طولانیمدت پراکنده و قابل اطمینان نامشخص هستند. [34] در حالی که دیرینه اقلیم شناسی یخ زمینی را می توان مستقیماً از طریق هسته های یخی اندازه گیری کرد، مدل های تاریخی یخ دریا باید بر پروکسی ها تکیه کنند.
موجودات زنده در یخ دریا در نهایت از یخ جدا می شوند و از طریق ستون آب سقوط می کنند، به ویژه هنگامی که یخ دریا ذوب می شود. بخشی از موادی که به کف دریا می رسد قبل از مصرف دفن می شود و بنابراین در پرونده رسوبی حفظ می شود .
تعدادی ارگانیسم وجود دارد که ارزش آنها به عنوان نماینده ای برای حضور یخ دریا مورد بررسی قرار گرفته است، از جمله گونه های خاصی از دیاتوم ها، کیست های داینوفلاژلات ، استراکدها و روزن داران . تنوع در ایزوتوپهای کربن و اکسیژن در یک هسته رسوبی نیز میتواند برای استنتاج در مورد گستره یخ دریا استفاده شود. هر پروکسی مزایا و معایبی دارد. به عنوان مثال، برخی از گونه های دیاتومه که منحصر به یخ دریا هستند، در رکورد رسوب بسیار فراوان هستند، با این حال، کارایی حفظ می تواند متفاوت باشد. [35]
جلبکهای برف و یخ دریاچه جلبکها میتوانند در داخل یخ دریاچه رشد کنند و به یخهای دریاچه متصل شوند، مخصوصاً در زیر یخهای شفاف و سیاه . [36] در داخل یخ، جلبکها اغلب در حفرههای هوای پر از آب رشد میکنند که در لایههای لجنی شکل گرفته بین فصل مشترک یخ و برف وجود دارد. [37] به عنوان مثال، گونه دیاتومه Aulacoseira baicalensis بومی دریاچه بایکال می تواند به شدت در حفره های پر از آب در داخل یخ و همچنین متصل به ورقه یخ تکثیر شود. [36] یخ و برف آب شیرین آلپ که می تواند بیش از نیم سال دوام بیاورد، به طور کلی از زیست توده میکروبی و فعالیت جلبکی بالاتری نسبت به خود آب دریاچه و همچنین گونه های شکارچی خاصی از مژه داران که فقط در لایه لجن یخ یافت می شوند، پشتیبانی می کند. و رابط برفی [38] جلبکهایی که روی برف دریاچههای پوشیده از یخ زندگی میکنند ممکن است بهویژه غنی از اسیدهای چرب چند غیراشباع ضروری باشند . [39]
برف و یخچال جلبک های یخی جلبک ها در مزارع برفی، یخچال ها و صفحات یخی نیز رشد می کنند. گونه هایی که در این زیستگاه ها یافت می شوند از گونه های مرتبط با یخ دریا متمایز هستند زیرا سیستم آب شیرین است و جلبک ها رنگدانه دارند. حتی در داخل این زیستگاه ها، تنوع گسترده ای از انواع زیستگاه ها و مجموعه جلبک ها وجود دارد که سطوح برف و یخ را در طول ذوب مستعمره می کنند. به عنوان مثال، جوامع کرایوسستیک به طور خاص در سطح یخچال های طبیعی یافت می شوند که در آن برف به طور دوره ای در طول روز ذوب می شود. [40] تحقیقاتی بر روی یخچال ها و صفحات یخی در سراسر جهان انجام شده است و گونه های مختلفی شناسایی شده است. با این حال، اگرچه به نظر می رسد که طیف گسترده ای از گونه ها وجود دارد، آنها به مقدار مساوی یافت نشده اند. فراوان ترین گونه های شناسایی شده در یخچال های مختلف، جلبک یخی یخچالی Ancylonema nordenskioldii [41] [42] [43] [44] و جلبک برفی Chlamydomonas nivalis است . [44] [45] [46]
جدول 1. ترکیب گونه های جلبک در مطالعات بر روی یخچال ها و صفحات یخی
سرعت ذوب یخچالها به سطح آلبدوی سطح بستگی دارد . تحقیقات اخیر نشان داده است که رشد جلبکهای برفی و یخ یخچالی، شرایط سطح محلی را تیره میکند، آلبیدو را کاهش میدهد و در نتیجه سرعت ذوب را در این سطوح افزایش میدهد. [46] [45] [47] ذوب شدن یخچالها و صفحات یخ مستقیماً با افزایش سطح دریا مرتبط است . [48] دومین ورقه یخی بزرگ، صفحه یخی گرینلند است که با سرعت های هشدار دهنده ای در حال عقب نشینی بوده است. افزایش سطح دریا منجر به افزایش تعداد و شدت حوادث طوفانی خواهد شد. [48]
جلبکهای یخی زمینی روی صفحات یخی و بستههای برفی بادوام، اغلب به دلیل رنگدانههای جانبی، که به نام « برف هندوانه » معروف است، یخ را رنگ میکنند . رنگدانه های تیره در ساختار جلبک ها جذب نور خورشید را افزایش می دهند که منجر به افزایش سرعت ذوب می شود. [41] نشان داده شده است که وقتی برف شروع به ذوب شدن کرد، شکوفههای جلبکی روی یخچالها و صفحات یخ ظاهر میشوند، که زمانی اتفاق میافتد که دمای هوا برای چند روز بالاتر از نقطه انجماد باشد. [45] فراوانی جلبک ها با فصول و همچنین از نظر فضایی در یخچال ها تغییر می کند. فراوانی آنها در فصل ذوب یخچال های طبیعی که در ماه های تابستان اتفاق می افتد، بیشتر است. [41] تغییرات آب و هوایی هم بر شروع فصل ذوب و هم بر طول این دوره تأثیر می گذارد که منجر به افزایش میزان رشد جلبک ها می شود.
همانطور که یخ/برف شروع به ذوب شدن می کند، سطح یخ کاهش می یابد که به این معنی است که بخش بیشتری از زمین در معرض دید قرار می گیرد. زمین زیر یخ به دلیل اینکه بازتاب کمتری دارد و تاریک تر است، میزان جذب خورشیدی بیشتری دارد. برف ذوب شده نیز به دلیل خواص نوری آن، نسبت به برف خشک یا یخ آلبیدو پایین تری دارد، بنابراین با شروع به ذوب شدن برف، آلبیدو کاهش می یابد که منجر به ذوب برف بیشتر می شود و حلقه ادامه می یابد. این حلقه بازخورد به عنوان حلقه بازخورد Ice-albedo شناخته می شود. این می تواند تأثیرات شدیدی بر میزان ذوب برف در هر فصل داشته باشد. جلبک ها با کاهش سطح آلبدوی برف/یخ در این حلقه بازخورد نقش دارند. این رشد جلبک مورد مطالعه قرار گرفته است اما اثرات دقیق آن بر کاهش آلبدو هنوز ناشناخته است.
پروژه Black and Bloom در حال انجام تحقیقاتی برای تعیین میزان کمک جلبک ها به تیره شدن ورقه یخی گرینلند و همچنین تاثیر جلبک ها بر سرعت ذوب صفحات یخی است. [49] درک میزان تغییر آلبدو در یخچالها و صفحات یخی توسط جلبکها مهم است. هنگامی که این موضوع شناخته شد، باید در مدل های آب و هوایی جهانی گنجانده شود و سپس برای پیش بینی افزایش سطح دریا استفاده شود.