From green to red: experimental evidence for pigment-driven snow darkening

Schnee ist nicht bloß eine statische weiße Decke; in den Polarregionen und Hochgebirgen ist er eine lebendige Landschaft, die ihre Farbe verändert. Wenn der Schnee schmilzt, offenbart er oft eine lebhafte, sich wandelnde Farbpalette, die durch mikroskopisches Leben angetrieben wird. Unter diesen Bewohnern gehören die Schneealgen zu den bedeutendsten – winzige Organismen, die unter kalten, feuchten Bedingungen gedeihen. Diese Algen enthalten Pigmente, dieselbe Art von natürlichen Farbstoffen, die Pflanzen ihre grüne Farbe verleihen oder herbstliche Blätter rot färben. Im Kontext des Schnees bewirken diese Pigmente mehr, als nur das Eis zu färben; sie verändern die Art und Weise, wie der Schnee mit dem Sonnenlicht interagiert. Weißer Schnee reflektiert den Großteil der Sonnenenergie zurück in den Weltraum und hält die Oberfläche kühl. Wenn der Schnee dunkler wird, absorbiert er mehr Wärme, was das Schmelzen beschleunigt. Seit Jahren wissen Wissenschaftler, dass Schneealgen diese Dunkelfärbung verursachen, aber eine spezifische Frage blieb schwer zu beantworten: Wird die Dunkelfärbung einfach durch eine höhere Anzahl an Algen verursacht, oder wird sie durch die spezifischen Farben verursacht, die diese Algen hervorbringen? Die Unterscheidung zwischen der bloßen Anzahl der Zellen und der Intensität ihres Pigments war in der freien Natur, wo Wind, Temperatur und die physische Struktur des Schnees selbst ständig im Wandel sind, nahezu unmöglich.

Um dieses Rätsel zu lösen, wandten sich die Forscher einem kontrollierten Experiment zu, das die Variable der Farbe von der Variable der Quantität isolierte. Sie arbeiteten mit einer spezifischen Art von Schneealge namens Haematococcus, die in verschiedenen Entwicklungsstadien existieren und unterschiedliche Farben zeigen kann. Die Wissenschaftler sammelten diese Algen und züchteten sie so, dass sie drei verschiedene Gruppen vergleichen konnten: grüne zystenartige Zellen, orangefarbene zystenartige Zellen und rote zystenartige Zellen. Entscheidend war, dass sie sicherstellten, dass die Anzahl der Zellen in jeder Gruppe identisch war und dass sie sich im gleichen Entwicklungsstadium befanden. Dieser Aufbau beseitigte die übliche Verwirrung, die in der Natur vorkommt, wo ein dunklerer Schneefleck schlichtweg mehr Algen haben könnte, statt andere Algen zu besitzen. Durch den Einsatz eines spezialisierten Instruments, das das Licht über das gesamte sichtbare Spektrum misst, beobachtete das Team, wie jede Farbe der Algen das Licht reflektierte. Sie fanden heraus, dass sich die interne Chemie der Zellen veränderte, während die Zellen von grün zu orange und schließlich zu rot wurden. Die roten Zellen enthielten höhere Konzentrationen eines spezifischen Pigments namens Astaxanthin, während die Menge des grünen Pigments, Chlorophyll-a, relativ stabil blieb.

Die Ergebnisse dieses Vergleichs waren klar und direkt. Als die Forscher das von den verschiedenen Proben reflektierte Licht maßen, sahen sie einen dramatischen Abfall der Reflexion, sobald die Algen rötlicher wurden. Im Vergleich zu den grünen Zellen reflektierten die orangefarbenen Zellen etwa 30 Prozent weniger Licht, und die roten Zellen etwa 40 Prozent weniger. Diese Reduktion war nicht zufällig; die gesamte Menge des reflektierten Lichts über das sichtbare Spektrum hinweg war eng mit der Menge an vorhandenem Astaxanthin verknüpft. Je mehr dieses rote Pigment die Zellen enthielten, desto dunkler erschien der Schnee für das Instrument. Dieser Befund liefert den ersten direkten experimentellen Beweis dafür, dass das Pigment selbst ein primärer Treiber der Schneedunkelfärbung ist, unabhängig davon, wie viele Zellen vorhanden sind. Es deutet darauf hin, dass in der natürlichen Welt die spezifische Farbe der Algen genauso wichtig ist wie die Dichte der Blüte. Während Feldbedingungen es aufgrund von Variationen in der Schneetextur und anderen Faktoren oft schwierig machen, diesen Effekt klar zu sehen, bestätigt das Experiment, dass die Akkumulation von Astaxanthin ein intrinsischer Mechanismus ist, der die Reflexion verringert. Folglich müssen Wissenschaftler, wenn sie vorhersagen, wie viel Schnee aufgrund biologischer Aktivität schmelzen wird, nicht nur die Biomasse der Algen berücksichtigen, sondern auch den physiologischen Zustand der Zellen und die spezifischen Pigmente, die sie produzieren.