Молекулярные колебания воды предсказывают глобальное распределение фотосинтезирующих организмов в озерах и океанах

Ученые из Амстердамского университета и Роскофа (Франция) в журнале Nature Ecology & Evolution дают интригующий ответ на вопрос, почему цианобактерии и водоросли эволюционировали с широким разнообразием фотосинтетических пигментов и как эти пигменты распределены географически.

С помощью оптических моделей, спутникового дистанционного зондирования и океанографических экспедиций ученые показали, что крошечные колебания молекул воды объясняют крупномасштабное географическое распределение основных фотосинтетических пигментов в озерах и океанах нашей планеты.

Фотосинтезирующие организмы пресноводных и морских экосистем охватывают гораздо более широкий диапазон цветов, чем зеленые листья на суше. Их цвета обусловлены разнообразием фотосинтетических пигментов. Например, пигменты хлорофилла зеленых водорослей и наземных растений поглощают синий и красный, но не зеленый свет. Многие красные водоросли и цианобактерии содержат дополнительные пигменты, сильно поглощающие зеленый свет, что придает им красный или даже розовый вид.

Колебания молекул воды

Почти 15 лет назад Маайке Стомп и Йеф Хёйсман из Амстердамского университета предположили, что ответ скрыт в крошечных колебаниях молекул воды. Связи между атомами кислорода (O) и водорода (H) в молекулах H₂O демонстрируют колебания растяжения и изгиба, поглощая световую энергию на определенных длинах волн. Модельные расчеты показали, что поглощение света молекулами воды на этих длинах волн создает большие пробелы в подводном световом спектре. Волновые диапазоны между этими пробелами определяют серию различных подводных цветов, названных спектральными нишами. Эти различные цвета используются разными пигментами фотосинтезирующих организмов.

Новое исследование под руководством ученых из Амстердамского университета (UvA) и Свободного университета Амстердама (VU Amsterdam) подтверждает и расширяет эту гипотезу. С помощью современной модели света в подводном мире они показывают, что колебательные моды молекул воды оставляют пять цветов в фиолетовой, синей, зеленой, оранжевой и красной частях видимого спектра.

Спутниковые снимки дают полную картину

Модель была объединена со спутниковым дистанционным зондированием цвета воды Европейским космическим агентством (ESA) для прогнозирования географического распределения спектральных ниш. Результаты показывают:

• Фиолетовые и синие ниши доминируют в чистых водах субтропических океанов.
• Зеленые, а иногда и оранжевые цвета преобладают в прибрежных водах.
• Оранжевые и красные цвета доминируют в торфяных озерах с высокими концентрациями органических веществ.

С помощью коллег из Биологической станции в Роскофе (CNRS и Университет Сорбонны) было количественно определено присутствие различных фотосинтетических пигментов в образцах, собранных во время океанографических экспедиций и из озер. Прогнозы модели удивительно хорошо согласовывались с наблюдаемым биогеографическим распределением пигментов:

• Prochlorococcus, самый распространенный фотосинтезирующий организм на планете, чьи пигменты поглощают фиолетовую и синюю ниши, доминирует в фиолетово-синих водах субтропических океанов.
• Виды с пигментами, улавливающими зеленую нишу, преобладают в прибрежных водах.
• Цианобактерии, поглощающие оранжевый и красный цвета, образуют крупные, иногда токсичные цветения в богатых питательными веществами водах озер.

Субтильные колебания молекул воды элегантно объясняют разнообразие фотосинтетических пигментов, эволюционировавших на нашей планете, и их широкое распространение. Эти знания можно использовать для прогнозирования продуктивности и видового состава водных экосистем, а также для лучшего понимания воздействия загрязнения и изменения климата. Возможно, те же принципы можно применить и за пределами нашей планеты, чтобы предсказать цвета, доступные для возможных фотосинтезирующих организмов на других планетах.