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

Sneeuw is niet louter een statische deken van wit; in de poolgebieden en hooggebergte is het een levend landschap dat van kleur verandert. Wanneer sneeuw smelt, onthult het vaak een levendig, verschuivend palet dat wordt gedreven door microscopisch leven. Onder deze bewoners behoren tot de meest significante de sneeuwalgen, minuscule organismen die gedijen in koude, natte omstandigheden. Deze algen bevatten pigmenten, hetzelfde soort natuurlijke kleurstoffen die planten hun groene kleur geven of herfstbladeren rood maken. In de context van sneeuw doen deze pigmenten meer dan alleen de ijsschil inkleuren; ze veranderen de manier waarop de sneeuw met zonlicht interageert. Witte sneeuw reflecteert het grootste deel van de zonne-energie terug de ruimte in, wat het oppervlak koel houdt. Wanneer de sneeuw donkerder wordt, absorbeert het meer warmte, wat het smelten versnelt. Jarenlang wisten wetenschappers dat sneeuwalgen deze verdonkering veroorzaken, maar een specifieke vraag bleef moeilijk te beantwoorden: wordt de verdonkering simpelweg veroorzaakt door het hebben van meer algen, of wordt het veroorzaakt door de specifieke kleuren die die algen produceren? Het onderscheiden tussen het loutere aantal cellen en de intensiteit van hun pigment is in het wild bijna onmogelijk geweest, waar wind, temperatuur en de fysieke structuur van de sneeuw zelf constant veranderen.

Om dit puzzelstuk op te lossen, richtten onderzoekers zich op een gecontroleerd experiment dat de variabele van kleur isoleerde van de variabele van hoeveelheid. Ze werkten met een specifiek type sneeuwalg dat bekend staat als Haematococcus, welke in verschillende stadia van ontwikkeling kan bestaan en verschillende kleuren vertoont. De wetenschappers verzamelden deze algen en kweekten ze op een manier die hen in staat stelde om drie verschillende groepen te vergelijken: groene cyst-achtige cellen, oranje cyst-achtige cellen en rode cyst-achtige cellen. Cruciaal was dat ze ervoor zorgden dat het aantal cellen in elke groep identiek was en dat ze zich in dezelfde ontwikkelingsfase bevonden. Deze opzet elimineerde de gebruikelijke verwarring die in de natuur wordt gevonden, waar een donkere sneeuwplek simpelweg meer algen zou kunnen bevatten in plaats van andere algen. Door een gespecialiseerd instrument te gebruiken dat licht over het gehele zichtbare spectrum meet, observeerden het team hoe elke kleur algen licht reflecteerde. Ze ontdekten dat naarmate de cellen veranderden van groen naar oranje en uiteindelijk naar rood, hun interne chemie veranderde. De rode cellen bevatten hogere concentraties van een specifiek pigment genaamd astaxanthine, terwijl de hoeveelheid van het groene pigment, chlorophyll-a, relatief stabiel bleef.

De resultaten van deze vergelijking waren duidelijk en direct. Wanneer de onderzoekers het licht mat dat van de verschillende monsters afkaatste, zagen ze een dramatische daling in reflectie naarmate de algen roder werden. Vergeleken met de groene cellen reflecteerden de oranje cellen ongeveer 30 procent minder licht, en de rode cellen reflecteerden ongeveer 40 procent minder. Deze vermindering was niet willekeurig; de totale hoeveelheid gereflecteerd licht over het zichtbare spectrum was nauw verbonden met de hoeveelheid astaxanthine die aanwezig was. Hoe meer van dit rode pigment de cellen bevatten, hoe donkerder de sneeuw voor het instrument leek. Deze bevinding biedt het eerste directe experimentele bewijs dat het pigment zelf een primaire drijfveer is van sneeuwverdonkering, onafhankelijk van hoeveel cellen er aanwezig zijn. Het suggereert dat in de natuurlijke wereld de specifieke kleur van de algen er net zo toe doet als de dichtheid van de bloei. Hoewel veldomstandigheden het vaak moeilijk maken om dit effect duidelijk te zien vanwege variaties in sneeuwtextuur en andere factoren, bevestigt het experiment dat de accumulatie van astaxanthine een intrinsiek mechanisme is dat de reflectie vermindert. Bijgevolg, wanneer wetenschappers voorspellen hoeveel sneeuw zal smelten door biologische activiteit, moeten zij niet alleen rekening houden met de biomassa van de algen, maar ook met de fysiologische staat van de cellen en de specifieke pigmenten die zij produceren.