隨著全球變暖導致極地海冰融化，進入海洋的陽光量不僅發生了變化，水下光的顏色也發生了變化，這對水面下的生命產生了重大影響。融化的海冰不僅改變了進入海洋的光量，還改變了海洋的顏色，擾亂了海洋的光合作用，并以微妙但深刻的方式改變了北極生態系統。

一塊覆蓋著冰藻、厚達2米的冰塊的底部，放置在南極洲麥克默多灣的海冰上。圖片來源：Lars Chresten Lund-Hansen

根據發表在《自然通訊》上的一項新研究，這些變化可能會對冰藻和浮游植物等微小但至關重要的生物產生重大影響。這項研究由阿姆斯特丹大學生物多樣性和生態系統動力學研究所的海洋生物學家莫妮卡·索亞-沃茲尼亞克和杰夫·胡斯曼領導。

這個由物理化學家桑德·沃特森（Sander Woutersen）以及來自荷蘭和丹麥的合作者組成的國際科學家團隊，探索了融化的海冰如何改變水下光環境。光在海冰中的表現與在開闊水域中截然不同。

海冰會反射和散射大部分陽光，只允許少量光線穿過，但這少量光線幾乎涵蓋了所有可見光波長。另一方面，開放的海水會吸收紅色和綠色光線，同時允許藍光傳播到更深的地方。這就是為什么海洋在我們眼中呈現藍色的原因。

水的分子振動

冰和液態水之間的另一個關鍵區別在于分子振動的作用。在液態水中，水分子可以自由移動和振動，這導致在特定波長下形成不同的吸收帶。這些吸收帶選擇性地遮擋了部分光譜，從而在可用于光合作用的光中形成了空隙。

Maayke Stomp 和 Huisman 教授先前的研究表明，這些分子吸收特征創造了“光譜生態位”——光合生物可用的一組獨特的波長。浮游植物和藍藻進化出了多種適應不同光譜生態位的色素，塑造了它們在海洋、沿海水域和湖泊中的全球分布。

一位丹麥研究人員在格陵蘭島的海冰下進行測量。圖片來源：Lars Chresten Lund-Hansen

然而，在冰中，水分子被鎖定在剛性晶格中。這種固定結構抑制了它們的分子振動能力，從而改變了它們的吸收特性。因此，冰缺乏液態水的吸收帶，因此在海冰下保留了更寬的光譜。這一根本差異在海冰融化時發生的光譜偏移中起著關鍵作用。

生態影響

隨著海冰消失，海水被開闊的水域所取代，水下光環境從寬光譜轉變為更窄的、以藍色為主的光譜。這種光譜變化對光合作用至關重要。

“生活在海冰下的藻類的光合色素能夠充分利用穿過冰雪的微弱光線中存在的各種顏色，”主要作者莫妮卡·索亞-沃茲尼亞克（Monika Soja-Wo?niak）說道。“當冰融化時，這些生物突然發現自己處于一個以藍色為主的環境，這降低了它們色素的適應性。”

研究人員利用光學模型和光譜測量表明，光色的變化不僅會改變光合作用的性能，還可能導致物種組成的變化。與冰藻相比，專門適應藍光的藻類物種可能擁有更強的競爭優勢。

胡斯曼教授認為，這些變化可能會產生連鎖的生態效應。“光合藻類構成了北極食物網的基礎。它們的生產力或物種組成變化可能會產生連鎖反應，影響魚類、海鳥和海洋哺乳動物。此外，光合作用在海洋自然吸收二氧化碳方面發揮著重要作用。”

研究強調，極地地區的氣候變化不僅僅是融化冰川，它還會導致海洋生態系統中光傳輸和能量流動等關鍵過程發生根本性轉變。

研究結果強調了在氣候模型和海洋預報中更明確地納入光譜和光合作用的重要性，特別是在環境變化正在以前所未有的速度加速的極地地區。

編譯自/ScitechDaily