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

雪不仅仅是静止的白色毯子；在极地和高山地区，它是一个会改变颜色的生命景观。当雪融化时，它往往会显现出由微观生命驱动的、充满活力的色彩变化。在这些居民中，最显著的是雪藻，一种在寒冷潮湿条件下茁壮成长的微小生物。这些藻类含有色素，即与赋予植物绿色或使秋叶变红相同的天然染料。在雪的背景下，这些色素的作用不仅仅是为冰染色，它们还改变了雪与阳光的相互作用方式。白雪将大部分太阳能量反射回太空，从而保持表面凉爽。当雪变暗时，它会吸收更多热量，从而加速融化。多年来，科学家们一直知道雪藻会导致这种变暗现象，但一个特定的问题一直难以回答：这种变暗仅仅是因为藻类数量增多，还是由这些藻类所产生的特定颜色引起的？在自然界中，由于风力、温度以及雪本身物理结构的不断变化，要区分细胞的数量与色素的强度几乎是不可能的。

为了解决这个谜题，研究人员转向了一项受控实验，旨在将颜色的变量与数量的变量隔离开来。他们使用了一种被称为“血红藻”（Haematococcus）的特定类型雪藻，这种藻类可以存在于不同的发育阶段并呈现不同的颜色。科学家们收集了这些藻类，并以一种可以比较三个不同组别的方式进行培养：绿色囊状细胞、橙色囊状细胞和红色囊状细胞。至关重要的是，他们确保了每组中的细胞数量相同，且处于相同的发育阶段。这种设置消除了自然界中常见的困惑，即在自然界中，一片较暗的雪可能仅仅是因为藻类数量更多，而非藻类种类不同。通过使用一种能够测量整个可见光谱内光线的专业仪器，团队观察了每种颜色的藻类如何反射光线。他们发现，随着细胞从绿色转变为橙色并最终变为红色，其内部化学成分发生了变化。红色细胞含有更高浓度的特定色素——虾青素，而绿色色素（叶绿素a）的含量则保持相对稳定。

这项对比的结果清晰且直接。当研究人员测量从不同样本中反射出的光线时，他们观察到随着藻类变得更红，反射率大幅下降。与绿色细胞相比，橙色细胞的反射率降低了约30%，而红色细胞的反射率降低了约40%。这种减少并非随机发生的；在整个可见光谱范围内的总反射光量与虾青素的含量紧密相关。细胞持有的这种红色色素越多，雪在仪器下看起来就越暗。这一发现提供了第一个直接的实验证据，证明色素本身是导致雪变暗的主要驱动因素，且独立于细胞的数量。这表明在自然界中，藻类的特定颜色与藻类爆发的密度同样重要。虽然由于雪的纹理和其他因素的变化，野外条件往往难以清晰地观察到这种效应，但该实验证实了虾青素的积累是一种降低反射率的内在机制。因此，在预测由于生物活动导致多少积雪融化时，科学家们不仅必须考虑藻类的生物量，还必须考虑细胞的生理状态及其产生的特定色素。