Met behulp van optische modellen, satellietbeelden en oceaanexpedities laten de wetenschappers zien dat de kleine trillingen van watermoleculen de grootschalige geografische verspreiding van de belangrijkste fotosynthetische pigmenten over de meren en oceanen van onze planeet verklaren.

Fotosynthese is een sleutelproces dat bijna al het leven op aarde gaande houdt, door zuurstof in de atmosfeer te brengen en de basis te leggen voor alle voedselproductie. Vergeleken met de groene bladeren in onze bovenwaterwereld, hebben de fotosynthetische organismen die leven in zoet water en zeewater een veel breder scala aan kleuren. De meren en oceanen van onze planeet bevatten een rijk palet aan groene, rode, bruine en gele cyanobacteriën en algen. Samen zijn ze verantwoordelijk voor bijna 50% van de wereldwijde zuurstofproductie. Deze soorten hebben hun kleuren te danken aan verschillende fotosynthetische pigmenten. ‘Chlorofylpigmenten van groene algen en landplanten absorberen bijvoorbeeld blauw en rood, maar niet groen licht. Daarom zien ze er groen uit’, zegt professor Jef Huisman van het Instituut voor Biodiversiteit en Ecosysteem Dynamica van de Universiteit van Amsterdam. ‘Veel roodalgen en cyanobacteriën bevatten extra pigmenten die sterk groen licht absorberen, waardoor deze organismen er rood of soms zelfs roze uitzien’.

Trillingen van watermoleculen

Hoe is deze diversiteit aan fotosynthetische pigmenten ontstaan en wat bepaalt hun grootschalige verspreiding over de wereld? Bijna 15 jaar geleden suggereerden Maayke Stomp en Jef Huisman van de Universiteit van Amsterdam dat het antwoord verborgen zit in de kleine trillingen van watermoleculen. De verbindingen tussen zuurstof- (O) en waterstof- (H)-atomen in H2O-moleculen vertonen rek- en buigtrillingen door het absorberen van lichtenergie op specifieke golflengten. Modelberekeningen van Stomp en collega's toonden aan dat lichtabsorptie door watermoleculen op deze specifieke golflengten leidt tot grote gaten in het onderwaterlichtspectrum. Zij stelden dat de golflengten tussen deze gaten een reeks van verschillende onderwaterkleuren definiëren, die zij ‘spectrale niches’ noemden. Deze verschillende kleuren worden gebruikt door de verschillende pigmenten van fotosynthetische organismen.  Hun theorie was echter nog te eenvoudig om praktisch relevant te zijn, bijvoorbeeld om de spectrale niches van echte aquatische ecosystemen te voorspellen.

Nieuw onderzoek onder leiding van wetenschappers van de Universiteit van Amsterdam (UvA) en de Vrije Universiteit Amsterdam (VU) bevestigt hun hypothese en komt met uitgebreide voorspellingen. Met een geavanceerd rekenmodel van het gedrag van licht in water laten ze zien dat de trillingen van watermoleculen ervoor zorgen dat er vijf kleuren overblijven in de onderwaterwereld, in de violette, blauwe, groene, oranje en rode delen van het zichtbare spectrum.

Satellietbeelden geven het hele plaatje

Het model werd gecombineerd met satellietbeelden van de kleur van het water door de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA), om de geografische verspreiding van de spectrale niches te voorspellen. Promovendus Tadzio Holtrop vat de resultaten samen: ‘We vonden dat de violette en blauwe niches domineren in het heldere water van de subtropische oceanen. In de kustwateren overheersen groene en soms oranje kleuren. Terwijl oranje en rode kleuren dominant zijn in veenplassen met hoge concentraties organisch materiaal.’

Met de hulp van collega's van het Biologisch Station in Roscoff (CNRS en Sorbonne Universiteit) werd de aanwezigheid van verschillende fotosynthetische pigmenten gekwantificeerd in monsters die werden verzameld tijdens oceanografische expedities en op meren. Jef Huisman: ‘Hieruit bleek dat onze voorspellingen opmerkelijk goed overeenkwamen met de waargenomen biogeografische verspreiding van de fotosynthetische pigmenten. Prochlorococcus is bijvoorbeeld het meest voorkomende fotosynthetische organisme op onze planeet. Zijn pigmenten absorberen de violette en blauwe niches en daarom domineert deze soort in de violetblauwe wateren van subtropische oceanen. In de kustwateren overheersen soorten met pigmenten die de groene niche opvangen. Bovendien ontwikkelen cyanobacteriën die oranje en rode kleuren absorberen massale en soms giftige blauwalgenbloei in het voedselrijke water van meren’.

De subtiele trillingen van de watermoleculen vormen hiermee een elegante verklaring voor de diversiteit aan fotosynthetische pigmenten die op onze planeet zijn geëvolueerd en hun grootschalige verspreiding over meren en oceanen. Deze kennis kan worden gebruikt om voorspellingen te doen over de productiviteit en de soortensamenstelling van aquatische ecosystemen. We krijgen ook een beter inzicht in de invloed van vervuiling en klimaatverandering op deze ecosystemen. En misschien kunnen we dezelfde principes ook buiten onze planeet toepassen, om de beschikbare kleuren voor mogelijke fotosynthetische organismen op andere planeten te voorspellen.

Publicatiegegevens

Tadzio Holtrop*, Jef Huisman *, Maayke Stomp, Levi Biersteker, Jeroen Aerts, Théophile Grébert, Frédéric Partensky, Laurence Garczarek, Hendrik Jan van der Woerd: ‘Vibrational modes of water predict spectral niches for photosynthesis in lakes and oceans’, in Nature Ecology and Evolution (online op 9 november). https://doi.org/10.1038/s41559-020-01330-x

* gedeeld eerste auteur

Verschillende pieken vertegenwoordigen verschillende fotosynthetische pigmenten. Verticale stippellijnen tonen de golflengten waarop de watermoleculen moleculaire trillingen vertonen. Deze golflengten zorgen ervoor dat er onderwater vijf kleuren overblijven (violet, blauw, groen, oranje en rood). Cyanobacteriën hebben hun pigmenten afgestemd op deze vijf spectrale niches. Sommige soorten absorberen meer in het blauw, andere meer in het groen, en weer andere meer in het oranje of rode deel van het spectrum.

Contactpersonen

Drs. Tadzio Holtrop, phone: +31 6 24265539, e-mail: tadzio.holtrop@vu.nl

Prof.dr. Jef Huisman, phone: +31 6 26792263, e-mail: j.huisman@uva.nl