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

雪は単なる静止した白い毛布ではありません。極地や高山地帯において、それは色が変化する生きた景観なのです。雪が溶けるとき、微小な生命体によって引き起こされる、鮮やかで移ろいゆくパレットがしばしば姿を現します。これらの住人の中で最も重要なものの一つが雪藻類であり、これらは寒冷で湿った環境で繁殖する微小な生物です。これらの藻類は、植物に緑色を与えたり秋の葉を赤く変えたりするのと同じ種類の天然色素を含んでいます。雪の文脈において、これらの色素は単に氷に色を付けるだけでなく、雪が日光とどのように相互作用するかを変えてしまいます。白い雪は太陽エネルギーの大部分を宇宙へと反射し、表面を涼しく保ちます。雪が暗くなると、より多くの熱を吸収し、それが融解を加速させます。長年、科学者たちは雪藻類がこの暗色化を引き起こすことを知ってきましたが、ある特定の疑問が答えを出すのが困難なままでした。それは、暗色化は単に藻類の数が多いことによるものなのか、それともそれらの藻類が作り出す特定の色によるものなのか、という問いです。細胞の純粋な数と色素の強度の違いを区別することは、風、温度、そして雪自体の物理的構造が絶えず変化する野生環境においては、ほぼ不可能でした。

このパズルを解くために、研究者たちは色の変数と量の変数を分離した制御実験に目を向けました。彼らは、異なる発達段階を経て存在し、異なる色を示すことができ、Haematocellular（ヘマトコッカス）として知られる特定の種類の雪藻類を用いて研究を行いました。科学者たちはこれらの藻類を採取し、緑色のシスト状細胞、オレンジ色のシスト状細胞、そして赤色のシスト状細胞という3つの明確なグループを比較できるように育てました。決定的なことに、彼らは各グループの細胞数が同一であり、かつ同じ発達段階にあることを確実にしました。このセットアップにより、より暗い雪のパッチが単に藻類を多く含んでいるのか、それとも異なる藻類を含んでいるのかという、自然界で見られる通常の混乱を取り除きました。可視スペクトル全域にわたって光を測定する特殊な装置を使用することで、チームは各色の藻類がどのように光を反射するかを観察しました。彼らは、細胞が緑からオレンジ、そして最終的に赤へと変化するにつれて、その内部の化学組成が変化することを発見しました。赤色の細胞はアスタキサンチンと呼ばれる特定の色素を高濃度に含んでいましたが、緑色の色素であるクロロフィルaの量は比較的安定していました。

この比較の結果は、明確かつ直接的でした。研究者が異なるサンプルから跳ね返ってくる光を測定した際、藻類が赤くなるにつれて反射率が劇的に低下することを確認しました。緑色の細胞と比較して、オレンジ色の細胞は約30パーセント光の反射が少なく、赤色の細胞は約40パーセント少なくなっていました。この減少は無作為なものではありませんでした。可視スペクトル全体における反射光の総量は、アスタキサンチンがどれだけ存在しているかと密接に結びついていました。細胞がこの赤い色素をより多く保持するほど、雪は測定器に対してより暗く見えました。この発見は、色素自体が細胞の数とは独立して、雪の暗色化の主要な要因であるという最初の直接的な実験的証拠を提供するものです。これは、自然界において、藻類の特定の「色」が、ブルーム（増殖）の「密度」と同じくらい重要であることを示唆しています。フィールドの条件下では、雪の質感などの他の要因による変動があるため、この効果を明確に捉えることはしばしば困難ですが、この実験は、アスタキサンチンの蓄積が反射率を低下させる固有のメカニズムであることを裏付けています。したがって、生物学的活動によってどれほどの雪が溶けるかを予測する際、科学者は藻類のバイオマス（生物量）だけでなく、細胞の生理学的状態や、それらが生成している特定の色素についても考慮しなければなりません。