Tanaman ini fotosintesis jauh di dalam arktik bahkan saat tidak ada cahaya

Versi aslinya dari cerita ini muncul di Berapa banyak majalah.

Sebagian besar mesin kehidupan berjalan di bawah sinar matahari. Foton menyaring melalui atmosfer dan diserap dengan penuh semangat oleh organisme bertenaga cahaya seperti tanaman dan ganggang. Melalui fotosintesis, partikel -partikel daya cahaya reaksi seluler yang memproduksi energi kimia (dalam bentuk gula), yang kemudian dilewatkan di sekitar jaring makanan dalam tarian herbivora, pemangsa, pemulung, pengurai, dan banyak lagi.

Pada hari yang cerah dan cerah, ada banyak foton untuk berkeliling. Tapi apa yang terjadi dengan cahaya rendah? Ahli biologi telah lama ingin tahu tentang betapa sedikit fotosintesis ringan yang dapat berjalan – atau berapa banyak foton yang perlu tiba, dan seberapa cepat, untuk mesin fotosintesis sel untuk memproses karbon dioksida menjadi oksigen dan energi. Perhitungan telah menyarankan minimum teoritis sekitar 0,01 mikromol foton per meter persegi per detik, atau kurang dari seratus seribu cahaya hari yang cerah.

Selama beberapa dekade, perhitungan ini teoretis, mengingat kesulitan mempelajari fotosintesis di bawah cahaya rendah. Tidak ada yang bisa mengkonfirmasi di lapangan, meskipun ada banyak tempat di bumi yang nyaris tidak tercapai. Setiap musim dingin di Kutub Utara, misalnya, matahari, disembunyikan oleh kemiringan bumi, menghilang selama berbulan -bulan. Meter salju menyelimuti es laut dan menghalangi cahaya yang masuk, meninggalkan lautan dingin di bawahnya dengan gelap seperti bagian dalam makam. Di sana, ahli biologi diasumsikan, fotosintesis mikroalga yang hidup di air dan daya es turun untuk musim ini dan menunggu kehangatan dan cahaya untuk kembali.

“Orang -orang menganggap malam kutub sebagai kondisi gurun di mana ada sangat sedikit kehidupan, dan semuanya semuanya tidur dan berhibernasi dan menunggu musim semi berikutnya akan datang,” kata Clara Hoppeseorang ahli biogeokimia di Alfred Wegener Institute di Jerman. “Tapi sungguh, orang tidak pernah benar -benar melihatnya.”

Di musim dingin 2020, Hoppe menghabiskan waktu berbulan -bulan tinggal di sebuah kapal yang terjepit ke dalam es floe, melalui malam kutub, untuk mempelajari batas -batas fotosintesis dalam kegelapan. Studi timnya baru -baru ini di Nature Communications melaporkan mikroalgae tumbuh dan bereproduksi pada tingkat cahaya pada atau dekat dengan minimum teoretis – jauh lebih rendah dari sebelumnya yang telah diamati di alam.

Studi ini menunjukkan bahwa di beberapa tempat terdingin dan paling gelap di bumi, kehidupan mekar dengan kuantum cahaya paling besar. “Setidaknya beberapa fitoplankton, dalam beberapa kondisi, mungkin dapat melakukan beberapa hal yang sangat berguna dengan cahaya yang sangat rendah,” kata Douglas Campbellseorang spesialis dalam fotosintesis akuatik di Universitas Gunung Allison di Kanada, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. “Ini pekerjaan yang penting.”

Kekuatan Sisi Gelap

Para ilmuwan secara tradisional memahami Kutub Utara sebagai tempat stasis hampir sepanjang tahun. Di musim dingin, organisme yang dapat melarikan diri dari perairan yang dingin melakukannya; Mereka yang tetap hidup dari cadangan yang tersimpan atau tenggelam dalam tidur yang diam -diam. Kemudian, ketika matahari kembali, tempat itu hidup kembali. Selama musim semi mekar, peningkatan alga fotosintesis dan mikroba lainnya memulai ekosistem Arktik, memicu revel tahunan, dengan krustasea kecil, ikan, segel, burung, beruang kutub, paus, dan banyak lagi.

Tampaknya hoppe bahwa fitoplankton mana pun yang bisa mendapatkan awal yang lebih awal daripada kompetisi bisa memiliki musim panas yang lebih sukses. Ini membuatnya bertanya -tanya kapan, tepatnya, organisme dapat menanggapi cahaya yang kembali.

Ketertarikannya menerima sentakan pada tahun 2015 ketika dia ikut serta dalam proyek penelitian yang dipimpin oleh para peneliti di University of Tromsø di Norwegia. Tim multidisiplin menemukan ekosistem yang berkembang pesat di perairan musim dingin di luar Kepulauan Svalbard; Beberapa organisme, terutama kerang, sebenarnya lebih aktif daripada di musim panas. Yang mengejutkan semua orang, fitoplankton juga tidak tertidur: Hoppe mengukur tingkat klorofil pigmen yang lebih tinggi – proksi yang berguna untuk fotosintesis aktif – di air laut daripada yang diharapkan. Alih -alih tenggelam ke dalam sedimen permukaan dan musim dingin dalam “mode tidur” yang tidak aktif, banyak sel yang ditemukan Hoppe mengalami musim dingin yang aktif, dengan operasi seluler mereka sepenuhnya dan berjalan.

“Jika hal -hal ini aktif,” kata Hoppe, “pertanyaannya jelas menjadi: kapan mereka mulai berfungsi lagi untuk ekosistem?” Dia mulai bertanya -tanya tentang kegelapan yang luas dan dingin dari Samudra Kutub.

Pada awal 2020, Hoppe mendapati dirinya menguji batas fotosintesis secara langsung, berkemah di atas kapal pemecah es yang telah terjadi sengaja menabrak es floe dan dibiarkan melayang dengan mesinnya melalui malam kutub. Awak yang berputar dari para ilmuwan dengan mosaik ekspedisi (observatorium melayang multidisiplin untuk studi iklim Arktik) ditempati RV polarstern Dalam perjalanannya untuk mengumpulkan sebanyak mungkin data tentang musim dingin Arktik.

Hoppe dan rekan-rekannya bekerja dalam kegelapan malam 24 jam, di tengah bentangan es dan angin yang berkilauan menggigil hingga minus 76 derajat Fahrenheit. Retak dan punggung bukit di es terus -menerus menggeser rute ke lubang permanen di es, bernama Ocean City, dari mana Hoppe dan timnya mengumpulkan ratusan liter sampel air laut dan mengangkutnya kembali ke kapal untuk dianalisis.

Tim melakukan dua set pengukuran paralel. Pertama, mereka mengambil sampel mikroalga dari air laut dan es laut ke laboratorium kapal. Di sana, mereka menginkubasi sel dan menawarkan karbon (dapat dilacak dengan isotop, atau jumlah neutron dalam nukleus atom) dan jumlah cahaya (meskipun secara signifikan lebih dari apa yang tersedia di bawah es). Dengan mengukur laju pemecatan karbon sel, mereka mampu memperkirakan batas kapasitas organisme untuk fotosintesis.

Para peneliti juga mengambil sampel air laut biasa untuk melacak jumlah fitoplankton dan klorofil yang ada dari waktu ke waktu. Sepanjang Februari, kedua set angka tetap statis, kata Hoppe. Namun, pada akhir Maret, penyerapan karbon mikroalga telah melompat, bersama dengan jumlah sel dan konsentrasi klorofil – proksi untuk pertumbuhan dan fotosintesis. Hoppe dan timnya menguji dan mengesampingkan banyak penjelasan yang mungkin, dan mengakui bahwa peningkatan fotosintesis bertepatan dengan kembalinya sinar matahari musim semi pertama.

Namun sebuah bukti kunci hanya muncul tiga tahun setelah ekspedisi, kata Hoppe, dan dari para peneliti di departemen lain: fisikawan mengukur cahaya di bawah es laut. Ini secara historis sulit: “Anda tidak dapat benar -benar mengukur cahaya di bawah es tanpa mengganggu lingkungan yang Anda coba ukur,” kata Hoppe. “Karena kamu mengebor lubang, kamu berjalan -jalan – bahkan langkah kaki di salju dan es akan mengubah lapangan cahaya.”

Untuk mengatasi masalah, fisikawan es laut Niels Fuchs dan timnya naik RV Bintang Kutub telah menempatkan sensor cahaya yang sangat tepat di sekitar es melesat di awal musim dan memungkinkan mereka untuk membeku ke bagian bawah es untuk musim dingin. Seperti kamera jejak yang ditempatkan di pedalaman oleh ahli biologi satwa liar, sensor cahaya merekam data pada cahaya di bawah es selama berbulan-bulan, tidak terganggu.

Pada bulan Februari, kegelapan malam kutub hampir absolut, dan bahkan tidak foton dari bulan yang cerah atau senja yang cepat dapat mencapai perairan gelap di bawah. Kemudian, pada akhir Maret, matahari muncul sebentar di cakrawala. Di bawah es itu, sensor cahaya merekam sejumlah kecil foton: kisaran atas 0,04 mikromol per meter persegi per detik, angka yang sangat dekat dengan jumlah minimum cahaya teoritis yang dapat dijalankan fotosintesis. Jumlah cahaya yang sebenarnya mungkin lebih rendah.

“Cahaya yang kami amati, dibandingkan dengan hari yang cerah normal, seperti satu tetesan air dibandingkan dengan 3 liter,” kata Fuchs, seorang spesialis es di University of Hamburg dan rekan penulis dalam penelitian ini.

Perkiraan mereka adalah yang konservatif, tambahnya, dan mungkin bahkan lebih sedikit foton yang berhasil. “Penutup esnya cukup heterogen,” jelasnya. Karena beberapa bagian lembar mungkin memungkinkan lebih banyak cahaya daripada yang lain, tim peneliti memilih ambang batas atas pengukuran cahaya mereka. “Pada akhirnya ada beberapa variasi, dan kami benar -benar ingin berada di sisi yang aman – tidak dipertaruhkan di batas bawah di mana kami tidak 100 persen yakin bahwa ini benar -benar jumlah cahaya.”

Memasangkan data cahaya Fuchs dengan pengamatan mikroalga Hoppe meraihnya: pada akhir Maret, tepat ketika jumlah sinar matahari paling buruk kembali, mikroalga tidak hanya memiliki mesin fotosintesis mereka dan berjalan tetapi juga tumbuh dan membangun biomassa. Timnya menyimpulkan bahwa mereka telah melakukan pengamatan lapangan pertama dari fotosintesis di sekitar minimum teoretis-di mana jumlah cahaya adalah urutan besarnya lebih rendah dari apa yang telah diamati di alam sebelumnya.

Tidak lagi tidur

Hoppe bersemangat untuk mengamati fotosintesis pada atau dekat jumlah minimum cahaya yang dapat meningkatkan kehidupan. Tetapi temuan itu menimbulkan pertanyaan: Bagaimana sel -sel yang tidak aktif siap untuk menyalakan mesin mereka pada saat cahaya pertama musim semi menetes melalui es?

Timnya menemukan bahwa selama periode paling gelap malam kutub, mikroalga tidak menunjukkan peningkatan yang terukur dalam penyerapan karbon – mereka tidak tumbuh atau fotosintesis. Namun mereka juga tidak sepenuhnya tidak aktif. Sel -sel terus berjalan dengan daya rendah. Kemudian, segera setelah tingkat cahaya naik cukup untuk mendukung fiksasi karbon aktif pada akhir Maret, ganggang siap meledak beraksi.

“Ini seperti persemaian atau masalah inokulasi,” kata Campbell. “Kemampuan untuk mengeksploitasi cahaya yang sangat rendah secara produktif meningkatkan kemampuan Anda untuk bertahan hidup dan kemudian siap untuk melangkah cepat ketika lampu kembali.”

Para peneliti tidak sepenuhnya yakin bagaimana mikroalga berhasil tetap hidup dan keluar dari dormansi melalui masa -masa tergelap. Beberapa, seperti diatom, dapat mengkonsumsi nutrisi organik terlarut langsung dari air. Mungkin mereka bisa mencari nafkah dari foton liar yang melewati celah -celah di es atau dipancarkan oleh beberapa makhluk bioluminescent. Atau mungkin ganggang kutub telah mengembangkan mekanisme unik yang bisa Jaga agar metabolisme mereka tetap berjalan Pada suhu rendah pada suhu dingin sehingga mereka siap diaktifkan pada cahaya pertama.

Adaptasi seperti itu mungkin penting bagi ekologi wilayah tersebut, kata Kevin Flynnseorang spesialis plankton di Plymouth Marine Laboratory yang tidak terlibat dalam penelitian ini. “Organisme mungkin bersiap -siap lebih awal dari yang kita pikirkan,” katanya. Temuan ini adalah “pekerjaan penting yang merupakan kenyataan tentang apa yang sebenarnya dilakukan oleh alam.”

Namun, dia tidak sepenuhnya yakin bahwa pertumbuhan sel-sel akhir terjadi melalui fotosintesis. “Penampilan klorofil tidak berarti bahwa mereka melakukan fotosintesis untuk mendapatkan pertumbuhan itu,” katanya. “Mereka mungkin membuat lebih banyak klorofil dari organik dan dalam persiapan untuk fotosintesis. Karena seperti musim berjalan, akan ada cahaya. Dan organisme yang siap untuk itu lebih cepat daripada yang lain akan menjadi yang tercepat. ”

Di sisi lain, Campbell berpikir mungkin saja ganggang mungkin fotosintesis lebih awal dari yang disarankan oleh tim Hoppe. Perkiraan tingkat cahaya mereka konservatif, katanya, dan fotosintesis mungkin telah terjadi jauh sebelum jenis akumulasi biomassa yang mudah diukur. Maka layak baginya, bahwa “hal -hal ini benar atau menyentuh di bawah batas termodinamika biokimia,” katanya.

Temuan ini melukiskan gambaran baru kehidupan di malam kutub Kutub Utara dan mungkin di luar. Hidup mungkin tidak sepenuhnya dikemas dalam beberapa bulan singkat musim panas; Sebaliknya, air mungkin produktif – atau, paling tidak, masih hidup – melalui tahun ini. Ini, kata Hoppe, dapat menulis ulang pemahaman kita tentang siklus hidup organisme Arktik, interaksi, dan cadangan energi.

Dia juga bertanya-tanya, apakah kemampuan fitoplankton Arktik untuk keluar dari kegelapan yang hampir absolut mungkin dibagi oleh beberapa ganggang di perairan yang lebih dingin dan lebih gelap dari laut dalam. Jika dia benar, zona lautan yang produktif mungkin lebih dalam dari yang dipikirkan siapa pun. “Jika fitoplankton kutub dapat mengembangkan mekanisme ini,” kata Hoppe, “Saya yakin fitoplankton di daerah lain di lautan dapat melakukan hal yang sama.”

Cerita asli dicetak ulang dengan izin dari Berapa banyak majalah, publikasi editorial independen dari Yayasan Simons yang misinya adalah untuk meningkatkan pemahaman publik tentang sains dengan meliput perkembangan penelitian dan tren matematika dan ilmu fisik dan kehidupan.