Cum arată viața atunci când nu există aproape deloc lumină?

Majoritatea mecanismelor vieții funcționează pe baza luminii solare. Fotonii trec prin atmosfera terestră după care sunt absorbiți de organisme care se hrănesc cu lumină, cum ar fi plantele și algele. Prin fotosinteză, particulele de lumină alimentează o reacție celulară care produce energie chimică (sub formă de zaharuri), care este apoi transmisă în lanțul trofic într-un dans complex de erbivore, prădători etc. Dar atunci când organismele biologice nu au la dispoziție decât extrem de puțină lumină cum ar putea exista viața? Dați-mi voie să vă schițez un răspuns.

Într-o zi luminoasă și însorită, există o abundență de fotoni pentru toată lumea. Dar ce se întâmplă când lumina este slabă? Biologii au fost mult timp curioși să afle cât de puțină lumină poate folosi fotosinteza – sau câți fotoni trebuie să ajungă și cât de repede, pentru ca mașinăria fotosintetică a unei celule să transforme dioxidul de carbon în oxigen și energie. Calculele au sugerat un minim teoretic de o sutime de miime din lumina unei zile însorite.

Timp de decenii, acest calcul a fost strict teoretic, date fiind dificultățile studierii fotosintezei în condiții de lumină slabă. Nimeni nu l-a putut confirma pe teren, deși există o mulțime de locuri pe Pământ unde lumina abia ajunge. De exemplu, în fiecare iarnă, în  zona latitudinilor mari, Soarele, ascuns de înclinarea axei de rotație a Pământului, dispare timp de luni de zile. Metri de zăpadă acoperă gheața mării și blochează lumina, făcând oceanul de dedesubt la fel de întunecat ca interiorul unui mormânt. Acolo, presupun biologii, microalgele fotosintetizante, care trăiesc în apă rece se opresc pentru un sezon și așteaptă revenirea căldurii și a luminii.

„Oamenii se gândeau la noaptea polară ca la aceste condiții deșertice în care există foarte puțină viață, iar lucrurile dorm și hibernează și așteaptă să vină primăvara următoare”, explica Clara Hoppe, biogeochimistă la Institutul Alfred Wegener din Germania. „Dar, de fapt, oamenii nu au verificat asta niciodată cu adevărat.”

În iarna anului 2020, Hoppe a petrecut luni întregi trăind pe o navă înfiptă într-o banchiză de gheață, în timpul nopții polare, pentru a studia limitele fotosintezei în întuneric. Studiul echipei sale, publicat recent în Nature Communications, a arătat că microalgele cresc și se reproduc la niveluri de lumină aproape de minimul teoretic – mult mai scăzute decât cele observate anterior în natură. Studiul arată că în unele dintre cele mai reci și întunecate locuri de pe Pământ, viața înflorește cu cel mai mic cuantum de lumină.

Puterea părții întunecate

Oamenii de știință consideră în mod tradițional că Arctica este un loc de încremenire a vieții pentru o mare parte a anului. În timpul iernii, organismele care pot fugi de apele reci o fac; cele care rămân trăiesc din rezervele stocate sau se scufundă într-un somn tăcut. Apoi, când Soarele revine, locul revine la viață. În timpul înfloririi de primăvară, o recrudescență a algelor fotosintetizante și a altor microbi dă startul ecosistemului arctic, alimentând o sărbătoare anuală, cu crustacee mici, pești, foci, păsări, urși polari, balene și multe altele.

Hoppe credea că fitoplanctonul care este capabil să înceapă mai devreme decât concurența ar putea avea o vară mai reușită. Acest lucru a determinat-o să se întrebe când, mai exact, organismele ar putea reacționa la revenirea luminii.

Interesul ei a primit un imbold suplimentar în 2015, când a participat la un proiect de cercetare condus de cercetători de la Universitatea Tromsø din Norvegia. Echipa multidisciplinară a descoperit un ecosistem neașteptat de prosper în apele de iarnă din largul arhipelagului Svalbard; unele organisme, în special scoicile, erau de fapt mai active decât vara. Spre surprinderea tuturor, nici fitoplanctonul nu dormea. Hoppe a măsurat niveluri mai ridicate de clorofilă – un indicator util pentru fotosinteza activă – în apa de mare decât se aștepta oricine. În loc să se scufunde în sedimentele de suprafață și să ierneze într-o „hibernare” latentă, multe celule descoperite de Hoppe erau active iarna, cu funcțiile lor celulare în plină desfășurare. „Dacă aceste lucruri se întâmplă”, a spus Hoppe, ”o întrebarea devine evidentă: Când încep ele să funcționeze din nou pentru ecosistem?”

La începutul anului 2020, Hoppe a testat direct limitele fotosintezei, atunci când se afla la bordul unei spărgător de gheață care s-a înfipt deliberat într-un bloc de gheață și lăsat să plutească în derivă cu motoarele oprite în noaptea polară. Prin rotație, un echipaj format din oameni de știință din cadrul expediției Mosaic (Multidisciplinary Drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) s-a instalat pe RV Polarstern în timpul călătoriei sale pentru a colecta cât mai multe date despre iarna arctică.

Hoppe și colegii săi au lucrat în întunericul nopții de 24 de ore, printre întinderi de gheață strălucitoare și rafale de vânt de până la minus 60 de grade Celsius. Fisurile și crestele din gheață au schimbat constant traseul până la o gaură permanentă în gheață, numită Ocean City, din care Hoppe și echipa sa au colectat sute de litri de probe de apă de mare și le-au transportat înapoi pe navă pentru analiză.  Echipa a efectuat două seturi paralele de măsurători. În primul rând, au prelevat mostre de microalge din apa de mare și din gheața marină în laboratorul de la bordul navei. Acolo, au incubat celulele și le-au oferit carbon și cantități infime de lumină (deși semnificativ mai multă decât cea disponibilă sub gheață). Prin măsurarea ratelor de absorbție a carbonului de către celule, cercetătorii au putut estima limitele capacității de fotosinteză a organismelor.

De asemenea, cercetătorii au prelevat în mod regulat probe de apă de mare pentru a urmări în timp cantitățile de fitoplancton și clorofilă prezente. Pe parcursul lunii februarie, ambele seturi de cifre au rămas statice, a declarat Hoppe. Până la sfârșitul lunii martie, absorbția de carbon de către microalge a crescut, împreună cu numărul de celule și concentrația de clorofilă – indicatori ai creșterii și fotosintezei. Hoppe și echipa sa au testat și eliminat multe explicații posibile și au recunoscut că creșterea fotosintezei a coincis cu revenirea primei lumini solare de primăvară.

Cu toate acestea, o dovadă esențială a apărut abia la trei ani după expediție, a povestit Hoppe, și ea a venit, neașteptat, de la cercetători din alt departament: fizicienii care măsurau lumina de sub gheață. Din punct de vedere istoric, acest lucru a fost dificil: „Nu poți măsura cu adevărat lumina sub gheață fără a perturba mediul pe care încerci să-l măsori”, a spus Hoppe. „Pentru că trebuie să faci o gaură, să te plimbi – chiar și pașii pe zăpadă și gheață vor schimba câmpul de lumină”.

Pentru a evita această problemă, fizicianul Niels Fuchs și echipa sa de la bordul RV Polarstern au plasat senzori de lumină extrem de preciși în jurul banchizei la începutul sezonului și i-au lăsat să înghețe pe partea inferioară a gheții pentru iarnă. Asemenea camerelor de luat vederi amplasate în pădure de către un biolog, senzorii de lumină au înregistrat date privind lumina de sub gheață timp de luni de zile, fără a fi deranjați. În februarie, întunericul nopții polare era aproape absolut și nici măcar fotonii proveniți de la o lună strălucitoare sau de la un amurg trecător nu puteau ajunge la apele întunecate de dedesubt. Apoi, la sfârșitul lunii martie, soarele a apărut pentru scurt timp deasupra orizontului. Sub gheață, senzorii de lumină au înregistrat un număr astronomic de mic de fotoni, un număr foarte apropiat de cantitatea minimă teoretică de lumină cu care poate funcționa fotosinteza. Cantitatea reală de lumină a fost probabil mai mică. „Lumina pe care am observat-o, comparativ cu o zi însorită normală, este ca o picătură de apă față de 3 litri”, a declarat extrem de plastic Niels Fuchs, specialist în gheață la Universitatea din Hamburg și coautor al studiului. Pentru a măsura cantitatea de lumină care pătrunde în gheața de mare, fizicianul Niels Fuchs a amplasat senzori de lumină în banchiza de gheață și i-a lăsat să înregistreze date neperturbate timp de luni de zile. Estimarea este una conservatoare, a adăugat el, și este posibil să fi trecut și mai puțini fotoni. „Stratul de gheață este destul de eterogen”, a explicat el. Deoarece unele părți ale stratului ar putea lăsa să treacă mai multă lumină decât altele, echipa de cercetare a selectat pragurile superioare ale măsurătorilor de lumină. „În cele din urmă, există o anumită variație, iar noi vrem cu adevărat să fim pe partea sigură – să nu mizăm pe limita inferioară, unde nu suntem 100% siguri că aceasta este într-adevăr cantitatea de lumină.”

Asocierea datelor lui Fuchs privind lumina cu observațiile lui Hoppe privind microalgele a fost decisivă: La sfârșitul lunii martie, chiar când a revenit cea mai mică cantitate de lumină solară, microalgele nu numai că aveau mașinăria fotosintetică în funcțiune, dar creșteau și acumulau biomasă. Echipa sa a concluzionat că a realizat prima observație pe teren a fotosintezei chiar în jurul minimului teoretic – când cantitatea de lumină era cu un ordin de mărime mai mică decât ceea ce se observase până atunci în natură.

Nu mai dormim

Hoppe a fost încântată să observe fotosinteza la sau aproape de cantitatea minimă de lumină care ar putea alimenta viața. Dar descoperirea a ridicat o întrebare: Cum ar putea celulele adormite să fie pregătite să își pornească mașinăria chiar în momentul în care prima lumină a primăverii se strecoară prin gheață? Echipa sa a constatat că, în timpul celor mai întunecate perioade ale nopții polare, microalgele nu au prezentat o creștere măsurabilă a absorbției de carbon – ele nu creșteau și nici nu fotosintetizau. Cu toate acestea, ele nu erau nici total inactive. Celulele au continuat să funcționeze la putere redusă. Apoi, de îndată ce nivelul de lumină a crescut suficient pentru a susține fixarea activă a carbonului la sfârșitul lunii martie, algele au fost gata să intre în acțiune.

Cercetătorii nu sunt pe deplin siguri cum au reușit microalgele să rămână în viață și să iasă din starea de latență în cele mai întunecate perioade. Unele, cum ar fi diatomeele, pot consuma nutrienți organici dizolvați direct din apă. Poate că au putut trăi din fotonii rătăciți care au trecut prin crăpăturile din gheață sau au fost emiși de o creatură bioluminiscentă. Sau poate că algele polare au dezvoltat mecanisme unice care le pot menține metabolismul în funcțiune (deschide un nou tab) la temperaturi scăzute, astfel încât să fie gata să se activeze la prima lumină.

Astfel de adaptări ar putea fi importante pentru ecologia regiunii, a declarat Kevin Flynn un specialist în plancton de la Plymouth Marine Laboratory, care nu a fost implicat în studiu afirma că „Organismele s-ar putea pregăti mai devreme decât credem”. Studiul este „o lucrare importantă, care este o verificare a realității cu privire la ceea ce face cu adevărat natura”.

Cu toate acestea, el nu este pe deplin convins că creșterea celulelor la sfârșitul lunii martie a avut loc prin fotosinteză. „Apariția clorofilei nu înseamnă că ele fotosintetizează pentru a obține această creștere”, a spus el. „Este posibil ca ele să producă pur și simplu mai multă clorofilă din substanțe organice și în pregătirea pentru fotosinteză. Pentru că, pe măsură ce sezonul avansează, va fi lumină. Iar organismul care este pregătit pentru ea mai repede decât celelalte va crește cel mai repede.”

Este posibil ca algele să demareze fotosinteza chiar mai devreme decât a sugerat echipa lui Hoppe. Estimările lor privind nivelurile de lumină au fost conservatoare, a spus el, iar fotosinteza ar fi putut avea loc cu mult înainte de acumularea biomasei care este ușor de măsurat. Prin urmare, pentru el este fezabil ca „aceste lucruri să se afle chiar la limita termodinamică biochimică sau chiar sub aceasta”, a spus el. Descoperirile schițează o nouă imagine a vieții în noaptea polară a Arcticii și, posibil, dincolo de aceasta. Este posibil ca viața să nu fie concentrată în întregime în câteva luni scurte de vară; mai degrabă, apele pot fi productive – sau, cel puțin, încă vii – pe tot parcursul anului. Potrivit lui Hoppe, acest lucru ar putea rescrie modul în care înțelegem ciclurile de viață, interacțiunile și rezervele de energie ale organismelor arctice.

Ea se întreabă, de asemenea, dacă abilitatea fitoplanctonului arctic de a rezista în întunericul aproape absolut ar putea fi împărtășită de unele alge din apele mai reci și mai întunecate ale adâncurilor mării. Dacă are dreptate, zona de ocean productiv ar putea fi mai adâncă decât se credea. „Dacă fitoplanctonul polar a fost capabil să dezvolte aceste mecanisme”, a sugerat Hoppe, ”sunt sigur că fitoplanctonul din alte zone ale oceanului poate face același lucru”.

Încheiere

Eram convins că viața terestră nu prea mai are enigme pentru oamenii de știință. Dar iată, încă mai există enigme care abia au fost rezolvate. Sper că au mai rămas multe pe agenda oamenilor de știință, pentru că ele, enigmele, sunt izvorul povestirilor pe care vi le spun lună de lună.