Portaalsite voor de échte zeeaquariaan
Zoeken op de site
Sponsors
Partners
Modelling coral growth. (Het) modelleren van koraalgroei)
Modelling coral growth. (Het) modelleren van koraalgroei)
Modelling coral growth.
Tim Wijgerde, Vertaald door Ivan Baeten.
Nederlandse wetenschappers hebben een model ontwikkeld waarmee de mooie en complexe structuren van koralen kunnen verklaard worden. Het vertakken van koraalskeletten stelt mogelijks de individuele poliepen in staat om meer nutriënten uit het water te halen waardoor hun overlevingskansen stijgen en de voortplanting meer kans op slagen heeft. Nog steeds blijven koraalriffen ons verbazen: de wonderbaarlijke, kleurrijke koraaltakken waartussen vissen zich verschuilen, schaaldieren en alle ander onderwaterleven vormen een waar zeeparadijs.
Wij vinden de ongewone schoonheid van de koraalriffen vanzelfsprekend. Soms vergeten we echter dat alles in de natuur zijn doel heeft (gehad). Zo ook koraalvertakkingen. Recent hebben biologen van de universiteit van Amsterdam ontdekt waarom koralen groeien op hun specifieke wijze. Het lijkt erop dat koralen zich vertakken zodat de individuele poliepen meer nutrienten uit het water kunnen halen.
Koralen zijn in kolonies levende dieren: duizenden poliepen verbonden door gemeenschappelijk weefsel. Koraalpoliepen zijn klonen van elkaar: wanneer koralen groeien waarbij hun skelet wordt gebouwd, vermenigvuldigen de poliepen zich. Dit betekent dat de poliepen van eenzelfde kolonie elkaar moeten helpen en beschermen daar ze dezelfde genen dragen. Dit is een gekend principe in de evolutie.
Figuur 1, een vertakte Acropora sp. Foto: Michael de Regt
Ontstaan door het klonen van honderden poliepen. In de natuur groeit deze soort uit tot grote tafels met een diameter van meerdere meters. . Echter, poliepen uit dezelfde kolonie beconcurreren elkaar voor voedsel. Ondanks dat koralen suikers krijgen via hun symbiotische zooxanthellen, vangen ze plankton uit het water met hun tentakels als bijkomende maaltijd. * Vormgeving in koraalgroei Wetenschappers van de Amsterdamse universiteit beseften dit en bouwden hierop hun mathematisch model PORAG (Poliep geOriënteerde Radiale AanwassingsGroei, Figuur 2) waarbij elk poliep wordt beschouwd als een individu dat voor zichzelf zorgt. Dit is niet volledig correct omdat vele koraalsoorten poliepen hebben die verbonden zijn door gastrovasculaire kanalen die hen toelaat om onderling voedsel uit te wisselen.
Rechtstreeks voedsel vangen blijft echter nuttig waardoor enige vorm van voedselconcurrentie blijft bestaan.
Figuur 2: het PORAG-model.
Links, a: een koraaltop weergegeven als een hemisfeer of cirkel; de zwarte puntjes zijn de initiële poliepen. b: het groeioppervlak is opgedeeld in afzonderlijke delen. c: de koraalkolonie ontvangt nutriënten waardoor de groeirichting wordt beïnvloed. d: een nieuwe groeistap waarbij een nieuwe laag van koraalskelet wordt gevormd bovenop het oude. Vanaf deze fase gaat het model terug naar (b) waar een nieuwe groeicyclus start, iteratie (herhaling) genoemd.
Rechts: uit dit model blijkt dat de kolonie naar buiten toe groeit. De zwarte cirkels geven het nieuw gevormde skelet weer. De locatie van een nieuwe poliep wordt ook getoond (Merks et al, Journal of theoretical biology, 2004; aangepast). Het model beschouwt alle poliepen als enkelingen die nutriënten verbruiken, skelet vormen, nieuwe poliepen aanmaken en occasioneel sterven. In hun poliepen georiënteerd model gebeurde spontane vertakkingen zonder
programmering!
Dit gaf aan dat hun model de realiteit dicht benadert zoals elk goed model dat laat zien wat er werkelijk gebeurt in de natuur. Nu, waarom groeien koralen vaak in vertakte kolonies? Een mogelijke reden is dat dit de beste manier is om nutriënten te vangen. Om dit te begrijpen is inzicht vereist in de biologische structuren. * Concaaf en convex Er bestaan verschillende vormen als je kijkt naar vormen van dieren of weefseloppervlaktes. We onderscheiden bijvoorbeeld convexe (bol) en concave (hol) oppervlaktes. Witte bloedcellen kunnen convex zijn (figuur 3). Rode bloedcellen daarentegen zijn biconcaaf (figuur 3).
Figuur 3: verschillende types van bloedcellen.
De rode bloedcel links is biconcaaf. De witte bloedcel rechts is convex. In het midden zie je een bloedplaatje (© The Wikimedia Foundation). Koralen zoals Acropora, Stylophora en Seriatopora sp. hebben takken met convexe toppen (figuur 1). Massieve koralen zoals Favia, Siderastrea en Montastrea sp. groeien in bolvorm en zijn dus ook convex. Andere koralen zoals Echinopora en Turbinaria sp. (figuur 4) bouwen holle of concave plaatstructuren die op kommetjes lijken.
Figuur 4: (foto: Tim Wijgerde)een grote kolonie Echinopora lamellosa in de kunstmatige lagune van NAUSICAA, Boulogne-sur-mer, Frankrijk.
Deze kolonies zijn concaaf. Een concaaf oppervlak lijkt nadelig te zijn daar de poliepen dichter op mekaar zitten. Dit leidt tot verhoogde concurrentie daar hun tentakels zich met elkaar vermengen wat het vangen van voedsel bemoeilijkt. Poliepen die op een convex oppervlak staan echter spreiden zich uit naar de waterkolom. Dit zorgt voor meer ruimte om plankton te vangen zonder veel competitie. Wetenschappers ontdekten dat dit mechanisme koralen ertoe aanzet te groeien in takvormige (of massieve sfeervormige) structuren. Ze noemden hun ontdekking het ‘poliepwaaier-effect’ waardoor poliepen in richtingen groeien waar veel voedsel aanwezig is. In dit geval betekent dit groeien naar buiten toe. * Poliepruimte; het vormen van volumineuze koralen
Wetenschappers hebben eveneens het effect van poliepruimte bepaald: de hoeveelheid ruimte die zich bevindt tussen individuele poliepen. In hun mathematisch model zorgde de ruimte tussen de poliepen voor drastisch wijzigingen in de vorm van het koraal (figuur 5). Hoe groter de tussenruimte, des te dikker en compacter de koraaltakken worden (figuur 5). Ze experimenteerden ook met de diffusie van nutriënten tussen poliepen zoals dit veelvuldig gebeurt bij onder andere Stylophora pistillata. Hoe hoger de diffusie in het model, hoe meer vertakking voorkomt (niet getoond). Ze vonden dat dit deel van het model perfect beschrijft wat biologen hebben gezien op Caribische riffen. Je treft er Montastrea annularis aan in drie verschillende vormen: bobbelig, massief en zuilvormig. Hun calices, de kelkvormige holtes waarin de poliepen zitten, zijn vaak meer verspreid in hobbelige, ronde vormen die groeien volgens het PORAG-model (figuur 5, kolonies g en h).
Figuur 5: effect van de polieptussenruimtes op de koraalvorming.
Links: virtuele koloniegroei in 84 repetitieve stappen via computersoftware op basis van het PORAG-model. Ze herhaalden het experiment acht keer door telkens de ruimtes tussen de poliepen te vergroten; a tot h. De kolonies in a, b en c lijken heel natuurlijk terwijl de kolonies van g en h zeer dik en onnatuurlijk overkomen. Rechts: simulaties met kleine tussenruimtes (a en c) en een grotere tussenruimte (b en d - Merks et al, Journal of theoretical biology, 2004; aangepast). * ‘Nature’ en ‘nurture’ De groei van koralen is een complexe materie. Het is nu duidelijk dat dit wordt gestuurd door zowel de genen (ook ‘nature’ genoemd) en de omgeving (ook ‘nurture’ genoemd).Genen lijken een hand te hebben in hoe de koralen gevormd worden (vertakt, in plaatvorm, massief) en de omgeving verfijnd dit proces. Factoren zoals waterbeweging en lichtbeschikbaarheid beïnvloeden de koraalvorm.
Meer waterbeweging lijkt dikkere koraaltakken te geven zoals dit is waargenomen bij Stylophora pistillata (op basis van vele persoonlijke observaties). Meer licht lijkt de verticale in plaats van de horizontale groei te stimuleren: weinig licht zet plaatkoralen zoals Montipora sp. aan om horizontaal te groeien waardoor een groter oppervlak ontstaat. Dit model helpt wetenschappers te begrijpen waarom factoren zoals poliepconcurrentie en –oriëntatie heeft geleid tot takvormige koralen. Deze strategie stelt de individuele poliepen in staat meer nutriënten te vangen. Daardoor lijkt het vreemd dat er vele concave, komvormige koralen zoals Echinopora en Turninaria sp. bestaan. Misschien onthullen toekomstige modellen het mysterie.
Tim Wijgerde, Vertaald door Ivan Baeten.
Nederlandse wetenschappers hebben een model ontwikkeld waarmee de mooie en complexe structuren van koralen kunnen verklaard worden. Het vertakken van koraalskeletten stelt mogelijks de individuele poliepen in staat om meer nutriënten uit het water te halen waardoor hun overlevingskansen stijgen en de voortplanting meer kans op slagen heeft. Nog steeds blijven koraalriffen ons verbazen: de wonderbaarlijke, kleurrijke koraaltakken waartussen vissen zich verschuilen, schaaldieren en alle ander onderwaterleven vormen een waar zeeparadijs.
Wij vinden de ongewone schoonheid van de koraalriffen vanzelfsprekend. Soms vergeten we echter dat alles in de natuur zijn doel heeft (gehad). Zo ook koraalvertakkingen. Recent hebben biologen van de universiteit van Amsterdam ontdekt waarom koralen groeien op hun specifieke wijze. Het lijkt erop dat koralen zich vertakken zodat de individuele poliepen meer nutrienten uit het water kunnen halen.
Koralen zijn in kolonies levende dieren: duizenden poliepen verbonden door gemeenschappelijk weefsel. Koraalpoliepen zijn klonen van elkaar: wanneer koralen groeien waarbij hun skelet wordt gebouwd, vermenigvuldigen de poliepen zich. Dit betekent dat de poliepen van eenzelfde kolonie elkaar moeten helpen en beschermen daar ze dezelfde genen dragen. Dit is een gekend principe in de evolutie.
Figuur 1, een vertakte Acropora sp. Foto: Michael de Regt
Ontstaan door het klonen van honderden poliepen. In de natuur groeit deze soort uit tot grote tafels met een diameter van meerdere meters. . Echter, poliepen uit dezelfde kolonie beconcurreren elkaar voor voedsel. Ondanks dat koralen suikers krijgen via hun symbiotische zooxanthellen, vangen ze plankton uit het water met hun tentakels als bijkomende maaltijd. * Vormgeving in koraalgroei Wetenschappers van de Amsterdamse universiteit beseften dit en bouwden hierop hun mathematisch model PORAG (Poliep geOriënteerde Radiale AanwassingsGroei, Figuur 2) waarbij elk poliep wordt beschouwd als een individu dat voor zichzelf zorgt. Dit is niet volledig correct omdat vele koraalsoorten poliepen hebben die verbonden zijn door gastrovasculaire kanalen die hen toelaat om onderling voedsel uit te wisselen.
Rechtstreeks voedsel vangen blijft echter nuttig waardoor enige vorm van voedselconcurrentie blijft bestaan.
Figuur 2: het PORAG-model.
Links, a: een koraaltop weergegeven als een hemisfeer of cirkel; de zwarte puntjes zijn de initiële poliepen. b: het groeioppervlak is opgedeeld in afzonderlijke delen. c: de koraalkolonie ontvangt nutriënten waardoor de groeirichting wordt beïnvloed. d: een nieuwe groeistap waarbij een nieuwe laag van koraalskelet wordt gevormd bovenop het oude. Vanaf deze fase gaat het model terug naar (b) waar een nieuwe groeicyclus start, iteratie (herhaling) genoemd.
Rechts: uit dit model blijkt dat de kolonie naar buiten toe groeit. De zwarte cirkels geven het nieuw gevormde skelet weer. De locatie van een nieuwe poliep wordt ook getoond (Merks et al, Journal of theoretical biology, 2004; aangepast). Het model beschouwt alle poliepen als enkelingen die nutriënten verbruiken, skelet vormen, nieuwe poliepen aanmaken en occasioneel sterven. In hun poliepen georiënteerd model gebeurde spontane vertakkingen zonder
programmering!
Dit gaf aan dat hun model de realiteit dicht benadert zoals elk goed model dat laat zien wat er werkelijk gebeurt in de natuur. Nu, waarom groeien koralen vaak in vertakte kolonies? Een mogelijke reden is dat dit de beste manier is om nutriënten te vangen. Om dit te begrijpen is inzicht vereist in de biologische structuren. * Concaaf en convex Er bestaan verschillende vormen als je kijkt naar vormen van dieren of weefseloppervlaktes. We onderscheiden bijvoorbeeld convexe (bol) en concave (hol) oppervlaktes. Witte bloedcellen kunnen convex zijn (figuur 3). Rode bloedcellen daarentegen zijn biconcaaf (figuur 3).
Figuur 3: verschillende types van bloedcellen.
De rode bloedcel links is biconcaaf. De witte bloedcel rechts is convex. In het midden zie je een bloedplaatje (© The Wikimedia Foundation). Koralen zoals Acropora, Stylophora en Seriatopora sp. hebben takken met convexe toppen (figuur 1). Massieve koralen zoals Favia, Siderastrea en Montastrea sp. groeien in bolvorm en zijn dus ook convex. Andere koralen zoals Echinopora en Turbinaria sp. (figuur 4) bouwen holle of concave plaatstructuren die op kommetjes lijken.
Figuur 4: (foto: Tim Wijgerde)een grote kolonie Echinopora lamellosa in de kunstmatige lagune van NAUSICAA, Boulogne-sur-mer, Frankrijk.
Deze kolonies zijn concaaf. Een concaaf oppervlak lijkt nadelig te zijn daar de poliepen dichter op mekaar zitten. Dit leidt tot verhoogde concurrentie daar hun tentakels zich met elkaar vermengen wat het vangen van voedsel bemoeilijkt. Poliepen die op een convex oppervlak staan echter spreiden zich uit naar de waterkolom. Dit zorgt voor meer ruimte om plankton te vangen zonder veel competitie. Wetenschappers ontdekten dat dit mechanisme koralen ertoe aanzet te groeien in takvormige (of massieve sfeervormige) structuren. Ze noemden hun ontdekking het ‘poliepwaaier-effect’ waardoor poliepen in richtingen groeien waar veel voedsel aanwezig is. In dit geval betekent dit groeien naar buiten toe. * Poliepruimte; het vormen van volumineuze koralen
Wetenschappers hebben eveneens het effect van poliepruimte bepaald: de hoeveelheid ruimte die zich bevindt tussen individuele poliepen. In hun mathematisch model zorgde de ruimte tussen de poliepen voor drastisch wijzigingen in de vorm van het koraal (figuur 5). Hoe groter de tussenruimte, des te dikker en compacter de koraaltakken worden (figuur 5). Ze experimenteerden ook met de diffusie van nutriënten tussen poliepen zoals dit veelvuldig gebeurt bij onder andere Stylophora pistillata. Hoe hoger de diffusie in het model, hoe meer vertakking voorkomt (niet getoond). Ze vonden dat dit deel van het model perfect beschrijft wat biologen hebben gezien op Caribische riffen. Je treft er Montastrea annularis aan in drie verschillende vormen: bobbelig, massief en zuilvormig. Hun calices, de kelkvormige holtes waarin de poliepen zitten, zijn vaak meer verspreid in hobbelige, ronde vormen die groeien volgens het PORAG-model (figuur 5, kolonies g en h).
Figuur 5: effect van de polieptussenruimtes op de koraalvorming.
Links: virtuele koloniegroei in 84 repetitieve stappen via computersoftware op basis van het PORAG-model. Ze herhaalden het experiment acht keer door telkens de ruimtes tussen de poliepen te vergroten; a tot h. De kolonies in a, b en c lijken heel natuurlijk terwijl de kolonies van g en h zeer dik en onnatuurlijk overkomen. Rechts: simulaties met kleine tussenruimtes (a en c) en een grotere tussenruimte (b en d - Merks et al, Journal of theoretical biology, 2004; aangepast). * ‘Nature’ en ‘nurture’ De groei van koralen is een complexe materie. Het is nu duidelijk dat dit wordt gestuurd door zowel de genen (ook ‘nature’ genoemd) en de omgeving (ook ‘nurture’ genoemd).Genen lijken een hand te hebben in hoe de koralen gevormd worden (vertakt, in plaatvorm, massief) en de omgeving verfijnd dit proces. Factoren zoals waterbeweging en lichtbeschikbaarheid beïnvloeden de koraalvorm.
Meer waterbeweging lijkt dikkere koraaltakken te geven zoals dit is waargenomen bij Stylophora pistillata (op basis van vele persoonlijke observaties). Meer licht lijkt de verticale in plaats van de horizontale groei te stimuleren: weinig licht zet plaatkoralen zoals Montipora sp. aan om horizontaal te groeien waardoor een groter oppervlak ontstaat. Dit model helpt wetenschappers te begrijpen waarom factoren zoals poliepconcurrentie en –oriëntatie heeft geleid tot takvormige koralen. Deze strategie stelt de individuele poliepen in staat meer nutriënten te vangen. Daardoor lijkt het vreemd dat er vele concave, komvormige koralen zoals Echinopora en Turninaria sp. bestaan. Misschien onthullen toekomstige modellen het mysterie.
Inloggen
Registreren
Foto van de maand
Een koppel Rainfordia opercularis in het kweekaquarium van De Jong Marinelife tijdens het bezoek van het ReefSecrets-team in april 2012
Foto: Patrick Scholberg