春天的天气给大地上的花草带来了良好的生长条件。温度、湿度和光线的适当组合有助于保持绿色世界的活力。
水下植物通常会对类似的环境因素做出反应，但大约在2012年，伊利湖的一个奇怪发现促使微生物学家研究了冬季丰富的非季节性表现。大量的硅藻——一种微小的、能进行光合作用的藻类——在湖的冰层下面(和里面)活得很好。
UT微生物系博士后研究员、SEC新兴学者布列塔尼·泽佩尼克(Brittany Zepernick)说:“一些主要的冬春硅藻华形成者，如孤岛藻，与能够形成微小冰晶的异养细菌有共生关系，随着时间的推移，这些异养细菌会使硅藻丝成为浮力——就像冰块漂浮在你最喜欢的饮料里一样。”
这些“硅藻冰块”漂浮到伊利湖冰盖上，并嵌入其中，使它们能够在整个冬季吸收进行光合作用所需的光。这对硅藻来说是个好消息，硅藻是全球湖泊和海洋累积生态系统的重要组成部分
然而，这种奇特的适应能力受到了威胁，因为全球变暖导致五大湖的冰层大面积减少，最近几个冬天伊利湖几乎处于无冰状态，硅藻被困在阴暗无光的水中。在这些新的“气候未知水域”中，长期以来使这些冬季硅藻受益的适应性突然不再为它们服务。
那么，硅藻能做什么呢?泽佩尼克和他的同事们转向伊利湖岸边调查不断变化的情况。在美国和加拿大海岸警卫队的帮助下，他们对伊利湖的冰雪覆盖(2019年)和无冰(2020年)冬季水域进行了采样，以了解硅藻如何应对不断变化的环境条件。他们最近在《ISME杂志》上发表了他们的研究成果。
两种主要的硅藻属主宰着冬季的藻华:孤岛藻和Stephanodiscus。
泽佩尼克说:“与2019年被冰覆盖的水柱相比，2020年无冰水柱中斯特凡斯科的丰度大约低了70%。”“同样，与被冰覆盖的水柱相比，奥拉科塞拉岛的无冰水柱的丰度要低50%左右。”
由于五大湖的冰盖处于历史最低水平——从2018年和2019年的80%左右降至2023年的8%——研究人员预计，这一趋势将在未来的冬季继续下去。
下一步是研究这对伊利湖的影响，伊利湖与美国和加拿大的其他劳伦森五大湖一起，累计容纳了全球约20%的淡水。
泽佩尼克说:“尽管这个系统至关重要，但直到2012年左右，我们才知道硅藻华甚至会在冬春季节形成。”“许多研究人员将冬季水柱称为‘新前沿’或‘黑匣子’。我们知道的是，硅藻对区域湖泊生态系统和全球气候至关重要。”
硅藻约占全球固碳和氧气产量的20%，在全球生物地球化学循环中发挥着越来越重要的作用，是淡水系统中水生生态系统的重要组成部分。
“因此，伊利湖和全球其他湖泊的冬春硅藻群落已经发生了大规模的变化，这将导致大规模的生物和生物地球化学变化，”泽佩尼克说。
冰隧道尽头的光可能依赖于硅藻的适应能力。Zepernick最近的研究表明，它们可能会与一种叫做束状蛋白的粘附蛋白形成簇，通过风、对流和水下水流产生的“水下波浪”“漂流”到浑浊的水面上。
Zepernick暗示的另一种适应是硅藻可以增加它们对质子泵送视紫红质(PPRs)的使用——一种光收集、含视黄嘌呤的蛋白质，可以作为经典光合作用的替代品。她目前正试图从伊利湖样品中分离出具有ppr的淡水硅藻，以创建一个模型淡水硅藻- ppr系统，以供进一步研究。她的发现可以为硅藻在快速变化的气候中的下一步行动提供线索。
“PPRs是海洋文献中的热门话题，然而我们对这些机制如何应用于淡水系统和分类群知之甚少，”她说。“我感兴趣的是阐明ppr在各种新兴和未来的气候压力下可能给淡水和海洋硅藻带来的好处。”
