Trillingen halen kleuren uit water

Cyanobacteriën uit de zee met verschillende fotosynthetische pigmenten. Foto: Laurence Garczarek (Biologisch Station van Roscoff)

De verspreiding van fotosynthetiserende waterorganismen over de wereld is verklaarbaar uit de trillingen van watermoleculen. Die trillingen halen kleuren uit het water.

Door trillingen van watermoleculen is onder water maar een handvol kleuren beschikbaar voor fotosynthese door cyanobacteriën en algen. Met behulp van optische modellen, satellietbeelden en oceaanexpedities laat een Nederlands-Frans onderzoeksteam zien hoe dat de geografische verspreiding van de belangrijkste fotosynthesepigmenten over meren en oceanen wereldwijd verklaart (Nature Ecology & Evolution, 9 november).

Pigmenten
‘De diversiteit aan pigmenten onder cyanobacteriën en algen is groter dan onder landplanten,’ vertelt Jef Huisman, hoogleraar aquatische microbiologie aan de Universiteit van Amsterdam en een van de auteurs. Vijftien jaar geleden opperde Maayke Stomp in zijn groep dat die variatie aan pigmenten, die elk een andere kleur licht opvangen, wellicht bepaalt waar verschillende fotosynthetische organismen voorkomen. Ze ging daarom na hoe het lichtspectrum er onder water uitziet.

Hobbels
Uit een optisch model bleek dat trillingen van watermoleculen daar een grote invloed op hebben. De trillingen gaan samen met de absorptie van licht van bepaalde golflengtes. Dat is te zien in het absorptiespectrum van water. De absorptie van puur water neemt geleidelijk toe van blauw naar rood, maar er zijn kleine hobbels op plaatsen waar de trillende watermoleculen extra absorberen. Omdat de hoeveelheid licht exponentieel afneemt met de diepte, vertaalt de extra absorptie door trillingen zich tot gaten in het lichtspectrum. De kleuren die overblijven, zijn beschikbaar voor fotosynthese.

‘We hebben nu het model van Maayke, die een paar jaar geleden is overleden, verfijnd’, vertelt Huisman. ‘Onze nieuwe resultaten zijn een eerbetoon aan haar baanbrekende inzichten. We vonden dat het lichtspectrum onder water vijf kleuren kan vertonen: violet, blauw, groen, oranje en rood. De pigmenten van fotosynthetische organismen zijn precies op deze kleuren afgestemd.’

Oceaanexpedities
Oceanen en meren verschillen van kleur doordat organisch materiaal in het water is opgelost dat, in tegenstelling tot zuiver water, vooral blauw licht absorbeert. Met een hogere concentratie verschuift de waterkleur daardoor van violet en blauw naar groen, oranje en rood. Met satellietbeelden hebben de onderzoekers de wereldwijde verspreiding van de vijf waterkleuren in kaart gebracht, van uiterst schone, helderblauwe oceanen tot voedselrijke, bruinrode veenplassen. Ze vergeleken dat met de verspreiding van de fotosynthesepigmenten, waarvoor ze onder meer met oceaanexpedities gegevens verzamelden. ‘Het kwam prachtig overeen’, zegt eerste auteur Tadzio Holtrop. ‘De subtiele trillingen van de watermoleculen vormen een elegante verklaring voor de diversiteit aan fotosynthesepigmenten die op aarde zijn geëvolueerd en hun biogeografische verspreiding.’