Groen universum by New Scientist

BLACKMORE

Een micc r o s c o p iss c h e ree is d o o r d e p l a n t e n w eree ld

Groen universum E microscopische Een i i h reis i d door d de plantenwereld l t ld

S ep Step St e heen Bl Blac ackm km mor oree ore GROEN UNIVERSUM

De aarde is een groene planeet en planten vormen de basis van al het leven. Van het kleinste algje tot en met de hoogste sequoia, overal zien we plantaardig leven in een enorme variëteit. Toch kennen maar weinig mensen de bouwstenen van dat plantenrijk, de cellen. In Groen universum neemt gerenommeerd plantkundige Stephen Blackmore ons mee op reis door ruimte en tijd – van het ontstaan van de eerste plantencellen ruim 3 miljard jaar geleden tot hun huidige onvoorstelbare vormenrijkdom. Blackmore schetst een levendig beeld van de betekenis van planten in ons bestaan en van onze band ermee – een relatie die we zorgvuldig moeten koesteren. Met prachtige (micro)foto’s en gedegen begeleidende tekst vormt dit boek een unieke bron van informatie die de diepte ingaat waar de meeste plantenboeken aan de oppervlakte blijven.

Een fascinerend kijkje in de fijnstructuur van planten met behulp van geavanceerde microscopische en fotografische technieken Een must voor elke plantenliefhebber! De auteur Stephen Blackmore is als hoofd van de botanische tuin in Edinburgh verantwoordelijk voor het beheer en het onderzoek. Eerder was hij botanicus in het Natural History Museum in Londen. Hij is actief in pollenonderzoek, microscopie en systematiek, en kreeg tweemaal een prijs van de Linnean Society. Uit de inhoud: • De reis begint • De geschiedenis van de microscopie • De dageraad van het leven • De eerste cellen • De verovering van het land • Reiken naar de zon • Naakte zaden • De aarde bloeit • Planten en mensen – lotsverbondenheid

WB118 Green universe 264pag omslagNw.indd 1

9 789085 713838

ISBN 9789085713838 NUR 941

www.veenmedia.nl Veen Media, Diemen

Stephen p Blackmore

27-12-12 11:50

BLACKMORE

Een micc r o s c o p iss c h e ree is d o o r d e p l a n t e n w eree ld

Groen universum E microscopische Een i i h reis i d door d de plantenwereld l t ld

S ep Step St e heen Bl Blac ackm km mor oree ore GROEN UNIVERSUM

WB118 Green universe 264pag omslagNw.indd 1

9 789085 713838

ISBN 9789085713838 NUR 941

www.veenmedia.nl Veen Media, Diemen

Stephen p Blackmore

27-12-12 11:50

WB118 Green univers Dl1 H1.indd 1000

21-12-12 10:47

BacteriĂŤn uit de mond van hun ontdekker, de pionier in de microscopie Antoni van Leeuwenhoek, door hem getekend in een brief uit 1683.

DEEL 1

In figuur B heeft hij het spoor van een bewegende bacterie getekend, nu geclassificeerd in het geslacht Selenomonas.

HOOFDSTUK 1

DE REIS BEGINT

Langwerpige cellen, zogeheten elateren, met een spiraalvormige verdikking, waardoor ze gaan krullen en draaien als ze vochtig worden en zo bijdragen tot de verspreiding van de ronde groene sporen van parapluutjesmos (Marchantia polymorpha). Lichtmicroscoop, fasecontrast. x 3500.

WB118 Green univers Dl1 H1.indd 1

21-12-12 10:47

Wij mensen zijn in wezen visueel ingesteld. Onze ogen dragen veel meer informatie op de hersenen over dan onze oren, neus of tong, en we vertrouwen in grote mate op ons gezichtsvermogen om de wereld om ons heen te begrijpen. Vergeleken met dat van veel dieren is het echter een middelmatig zintuig, beperkt tot grote en niet te missen dingen. Omdat we niet beter weten, zijn we meestal tevreden te leven in een wereld waarin we niet de details kunnen zien. Als we van dichtbij kijken, kunnen we nietige vormen en structuren zien, maar voorbij een bepaald punt kunnen we niets nader onderscheiden. Gelukkig zijn we een nieuwsgierige en creatieve soort, en hoewel we het vaak zonder de fijnere details kunnen stellen, hebben we ingenieuze methoden uitgevonden om van dichtbij te kijken. De Oude Egyptenaren, Romeinen en Vikingen wisten al dat gekromde stukken kristal konden worden gebruikt om voorwerpen te vergroten en vuur te maken. Pas in de dertiende eeuw begon men routinematig lenzen te gebruiken om het gezichtsvermogen te verbeteren, in de vorm van een bril. Tegenwoordig vinden we de revoluties waar lenzen toe hebben geleid vanzelfsprekend of zijn we ze vergeten. Ze hebben niet alleen het begrip van de wereld om ons heen vergroot, maar dat van het gehele universum. Het vermogen om verafgelegen objecten waar te nemen met behulp van lenzen bracht praktische mogelijkheden, zoals het opsporen van een ver verwijderde vijand of het vinden van een verre kust. Het concurrentievoordeel van degenen die toegang hadden tot de techniek van het maken van lenzen is duidelijk. Het gaf hun het vermogen zich voor te bereiden op komende gevaren bij de worsteling met mens en natuur. De vroege zeventiende eeuw komt naar voren als een periode van snelle en spectaculaire ontwikkelingen in zowel het vervaardigen van lenzen als het bedenken van nieuwe toepassingen. In 1609 begon Galileo Galilei telescopen te maken, gebaseerd op ontwerpen die enige tijd eerder in Nederland waren ontwikkeld. Het monteren van lenzen in een buis en het op de hemel richten hiervan leidde tot het ketterijproces

Scotiellopsis oocystiformis is een van de meer dan duizend soorten microscopische algen die in en op de bodem leven. Dit monster, opgenomen in Oost-Indische inkt voor het contrast, is afkomstig uit de bodem van een oud bos in het Pressmennan Wood in Schotland. Lichtmicroscoop, helderveldverlichting. Ă&#x2014; 3750.

WB118 Green univers Dl1 H1.indd 2

21-12-12 10:47

tegen Galilei in 1633 en zijn huisarrest vanwege de blasfemische bewering dat de aarde rond de zon draait en niet andersom. De uitvinding van de telescoop was dus een grote technologische stap voorwaarts die tot nieuwe filosofische perspectieven leidde en onze wereld binnen een zonnestelsel, een sterrenstelsel en een universum plaatste. Weinig mensen hebben de ontdekkingen waartoe de telescoop leidde zo treffend beschreven als de Amerikaanse astronoom Carl Sagan, die poëtisch over ‘miljarden maal miljarden’ sterren aan de nachthemel sprak. Hij herinnerde ons aan de uitgestrektheid van het heelal, dat zo enorm is dat de afstanden tussen punten worden gemeten in het aantal jaren dat het licht ervoor nodig heeft om ze af te leggen. Als we naar de sterren kijken, met het blote oog of met een telescoop, kijken we terug in de tijd, soms miljarden jaren. In deze zin kan de telescoop worden gezien als een soort tijdmachine. We kunnen ermee terugkijken naar gebeurtenissen die kort na de oerknal plaatsvonden, waarvan het licht ons na zijn reis door het heelal nog steeds bereikt. Er werd al snel ontdekt dat we door lenzen anders te gebruiken, naar binnen kunnen kijken, naar een andere realiteit die kan wedijveren met de wonderen van het verre heelal, die onzichtbaar is voor het blote oog en toch kan worden omvat door een handpalm. De microscoop opende een venster, niet op het uitgestrekte heelal, maar op de mysteriën van het leven. Het rechtstreekse belang ervan was geringer dan dat van de telescoop wat betreft het concurrentievoordeel voor de bezitter, maar ook de microscoop ontsluierde voordien ongeziene werelden. Stuifmeelkorrel van Cullumia rigida, een Afrikaans lid van de familie der samengesteldbloemigen (Compositae) met een kiemspleet, omgeven door een symmetrische kam die de vasthechting aan bestuivende insecten bevordert. Scanning-elektronenmicroscoop. × 2200.

WB118 Green univers Dl1 H1.indd 3

21-12-12 10:47

vastgelegd in China en Japan.

Twee van de eerste onderzoekers die dit inwendige universum verkenden, ver voorbij het bereik van een gewoon vergrootglas, waren Antoni van Leeuwenhoek in Delft en Robert Hooke in Londen. Deze pioniers lieten hun sporen na in de geschiedenis en deden ontdekkingen en waarnemingen die niet met woorden waren te beschrijven en een nieuw, uitgebreid vocabulaire nodig maakten. De opdracht aan koning Karel II in Robert Hookes opmerkelijke boek Micrographia uit 1665 bevatte de woorden: â&#x20AC;&#x2DC;Ik veronderstel dat ik hier inbreng wat meer past bij de kleinheid van mijn vermogens en iets biedt van de minst zichtbare dingen, aan de machtige koning, die een rijk heeft gevestigd over de beste van alle onzichtbare dingen van deze wereld,

DE E L 1

Met een telescoop kunnen we ver in de tijd terugkijken. De Hubble Space Telescope laat details van de Krabnevel zien, die ontstond toen in 1054 een ster explodeerde, een gebeurtenis die werd waargenomen en

G ROE N U N IVE RS U M

WB118 Green univers Dl1 H1.indd 4

21-12-12 10:47

Microscopen onthullen eveneens vroegere gebeurtenissen. Chloroplasten zijn ontstaan uit ooit onafhankelijke organismen en zijn hier te zien als heldergroene bolletjes in een blad van de taxus of venijnboom (Taxus baccata). Ze zijn een twee miljard jaar oude erfenis van de ‘oerknal van de cel-biologie’, die lang voor de evolutie van de landplanten plaatsvond. Lichtmicroscoop, donker veldverlichting. × 1100.

HOOFDSTUK 1 De reis begint

WB118 Green univers Dl1 H1.indd 5

21-12-12 10:48

Robert b Hookes k beroemde b d tekeningen van kurkcellen (boven) en een tak van kruidjeroer-mij-niet (Mimosa pudica) uit Micrographia, gepubliceerd in 1665.

G ROE N U N IVE RS U M

WB118 Green univers Dl1 H1.indd 6

de geest van de mens.’ Hookes microscoop leek een beetje op een telescoop, een instrument waarmee hij even bedreven was, doordat hij bestond uit een combinatie van lenzen in een cilinder. Zulke microscopen, met meerdere lenzen, heten samengesteld, in tegenstelling tot enkelvoudige microscopen met één lens. Ze worden nog steeds gebruikt en zijn verder ontwikkeld en verfijnd op een manier waarvan Hooke alleen maar had kunnen dromen. Zelfs met de tamelijk elementaire instrumenten die in die tijd beschikbaar waren, deed hij verbazingwekkende ontdekkingen waardoor hij een van de grote namen in de wetenschap werd. Bij het bestuderen van een stuk kurk merkte hij op: ‘deze poriën of cellen waren niet ze zeer diep, maar bestonden uit een groot aantal kleine vakjes, gescheiden door één co continue lange porie, door zekere diafragma’s’. Deze bescheiden beschrijving is de e eerste vastgelegde waarneming van de organisatorische eenheid waaruit alle levend de cellen bestaan. Hookes nieuwe term ervoor – cellen – wordt nu overal in de biologie gebruikt. Hooke was zich bewust van het belang van zijn ontdekking en schreef: ‘Ik d had deze niet eerder gezien (ze waren inderdaad de eerste microscopische poriën die ik ooit zag, en die misschien ooit waren gezien, want ik had nooit enige schrijver of pert soon ontmoet die hier eerder enige melding van heeft gemaakt).’ Anderen waren even enthousiast over de ontdekkingen die in Micrographia waren gepubliceerd. De bekendste is wellicht Samuel Pepys, wiens dagboek op 26 juli 1664 meldt dat hij een microscoop had gekocht van Mr. Reeves, die verklaarde dat het ‘het briljantste boek [was] dat ik ooit in mijn leven heb gelezen’. In ongeveer dezelfde tijd slaagde Van Leeuwenhoek erin objecten tot 250 maal te vergroten, ongeveer tienmaal zo veel als Hooke. Hij onderzocht waterdruppels en deed de verbluffende ontdekking van voorheen onvoorstelbare levensvormen, die hij ‘animalcules’ noemde. Dit was de eerste keer dat iemand eencellige organismen kon waarnemen. We weten nu dat de diversiteit van eencelligen enorm is, zoals we nog zullen zien. Tegenwoordig zijn we met in ieder geval een klein aantal micro-organismen vertrouwd door hun rol bij ziekten van mens en dier, maar in Van Leeuwenhoeks tijd was het besef dat er levensvormen waren die zo klein zijn dat ze met het blote oog niet te zien zijn, een buitengewone ontdekking: hoe konden er complete levende miniatuurdingen – animalcules – in het water zitten dat we drinken? Van Leeuwenhoek stond bekend om zijn geheimzinnigheid en onthulde nooit of hij de traditionele kunst van het lenzen slijpen naar een nieuw niveau had getild of dat hij, zoals vaak wordt beweerd, glasbolletjes gebruikte die waren verkregen door het smelten van een glasstaaf. Hij kende beide methoden. Hoewel Van Leeuwenhoek niet in de gevangenis terechtkwam, trok hij net als Galilei de ongewenste aandacht van theologen die hem van ketterij beschuldigden. Het is duidelijk dat zijn waarnemingen net zo’n grote revolutie in onze opvatting van onze plaats in de natuur betekenden als het besef dat de aarde om de zon draait. Zich volledig bewust van hun buitengewone betekenis, verkondigde Van Leeuwenhoek zijn bevindingen aan de Royal Society in Londen, waar Robert Hooke de taak kreeg ze te verifiëren. Dit lukte Hooke, maar pas nadat hij een replica had gemaakt van Van Leeuwenhoeks krachtigere ‘enkelvoudige microscoop’ met één lens, die in die tijd nog niet was voorbijgestreefd door het samengestelde instrument.

DE E L 1

21-12-12 10:48

De microscoop stelde ons in staat de complexe organisatie van planten en dieren te begrijpen en te zien hoe levende dingen groeien en hoe ze werken. Hij nam het mysterie en de vooroordelen over de meest elementaire aspecten van de biologie weg: de feiten van leven en reproductie. We begonnen in te zien dat voorheen onzichtbare en onbekende levensvormen veel overvloediger voorkwamen dan de grotere, beter bekende bewoners van onze planeet. De microscoop werd, en is dat nog steeds, een van de vakgereedschappen van de bioloog, maar toch blijft het microscopische rijk waartoe hij toegang geeft nog steeds voor veel mensen gesloten. Het was in dit rijk waar ziektekiemen werden ontdekt en waar pas verworven kennis van de organen van het menselijk lichaam tot de mogelijkheid leidde om voorheen verwoestende ziekten te genezen. Hoewel het effect van de microscoop op het dagelijks leven minder direct was dan dat van de telescoop, is het niet geringer geweest. De reis waarop dit boek ons zal meenemen, verkent de verregaande gevolgen van de uitvinding van de microscoop voor onze kennis over de organisatie en de groei van planten. De inspiratie het te schrijven, kwam voort uit het genoegen dat ik beleefde aan de persoonlijke ontdekkingsreis die ik ondernam toen ik botanie begon te studeren. De school waarop ik in Hongkong zat, was in veel opzichten goed uitgerust, maar hij ontbeerde een uitgebreide set microscooppreparaten van het soort dat in het Westen voor onderwijsdoeleinden werd gebruikt. Ik leerde hoe ik delen van een plant, bijvoorbeeld een bloemknop, in paraffine kon inbedden en er met een microtoom dunne plakjes (coupes) van kon snijden. Dit instrument lijkt op een mini-uitvoering van het apparaat waarmee de slager plakjes ham snijdt. De coupes die het opleverde, werden behandeld met allerlei kleurstoffen die door de verschillende cellen werden opgenomen, al naar gelang de chemische eigenschappen van hun celwand. Ze werden vervolgens in canadabalsem, dat het monster duurzaam afsluit, opgebracht op een preparaatglaasje en bedekt met een dun afdekglaasje. Algauw betrad ik een verborgen wereld, een groen universum van duizelingwekkende complexiteit en buitengewone schoonheid. Ik besefte dat ik, als de mogelijkheid zich voordeed, een carrière als microscopist in de botanie wilde doorlopen. Naarmate ik mij een weg sneed door bloemknoppen, bladeren, wortels en stengels, kwam ik tot een ander besef. Leerboeken en examenvragen waren vrijwel geheel op Europese planten zoals boterbloemen en rozen gebaseerd. Er werden vragen gesteld zoals ‘teken een dwarsdoorsnede door het blad’ of ‘beschrijf de delende cellen van de wortelpunt’. De taal impliceerde een uniformiteit van ‘het blad’ of ‘de wortel’, die een zeer voor de hand liggende waarheid ontkende. Planten zijn eindeloos in hun variatie. Elk van hen is aangepast aan bepaalde omstandigheden en elke plant draagt het erfgoed van zijn evolutionaire geschiedenis met zich mee. Door de minieme details van plantenstructuren en de cellen waaruit ze bestaan te bestuderen, kunnen we de hoofdstukken van de evolutie lezen die zich in de geologische tijd ontvouwen. Wat wordt onthuld, is een ongeziene wereld, die we beter zouden moeten kennen, niet in de laatste plaats omdat ons pure overleven afhangt van de inwendige werking van de plantencel.

Portret van Antoni van Leeuwenhoek uit 1686 door Johannes Verkolje (1650-1693). Rijksmuseum, Amsterdam.

HOOFDSTUK 1 De reis begint

WB118 Green univers Dl1 H1.indd 7

21-12-12 10:48

Het verhaal dat begint met de oorsprong van het leven op aarde, zoâ&#x20AC;&#x2122;n 3,5 miljard jaar geleden, loopt door de tijd van de eerste eenvoudige eencellige levensvorm tot de enorm complexe multicellulaire organismen. Het omvat de verovering van het land en het ontstaan van de biosfeer, waarin de evolutie van grote, lucht ademende dieren zoals wij mogelijk werd.

G ROE N U N IVE RS U M

WB118 Green univers Dl1 H1.indd 8

DE E L 1

21-12-12 10:48

De aarde wordt gedomineerd door oceanen, die 72 procent van het opper vlak bedekken en waarin het leven is ontstaan. Aldabra, een atol in de Indische Oceaan.

Deze reis door langdurige tijdsspannen laat ons zien dat de microscoop net als de telescoop kan worden beschouwd als een soort tijdmachine, omdat de cellen hun millennialange geschiedenis met zich meedragen. We kunnen in de tijd terugkijken naar de evolutionaire vernieuwingen die belangrijke vertakkingen van de stamboom van het leven markeren.

HOOFDSTUK 1 De reis begint

WB118 Green univers Dl1 H1.indd 9

21-12-12 10:48

Op het land bepalen planten de ecosystemen waarin andere soorten leven.

In het Klamath National Forest komen zeventien coniferensoorten voor, de grootste diversiteit aan coniferen in Noord-Amerika. De cobralelie (Darlingtonia californica) groeit in voedselarme moerassen en vult zijn stikstof aan door insecten te vangen in zijn sterk gemodificeerde bekervormige bladeren.

WB118 Green univers Dl1 H1.indd 10

02-01-13 13:19

De grootste levende bomen zijn exemplaren van de kustmammoetboom (Sequoia sempervirens), die meer dan 115 meter hoog kan worden en alleen groeit in een smalle strook langs de pacifische kust van Noord-Amerika, waar zeemist in het essentiĂŤle vocht voorziet. Het eiland Soqotra heeft een unieke begroeiing, die wordt gedomineerd door Dracaena cinnabari en talrijke andere endemische planten, waaronder veel met een stam waarin ze water opslaan.

WB118 Green univers Dl1 H1.indd 11

21-12-12 10:48

In dwarsdoorsnede heeft de stengel van de lidsteng (Hippuris vulgaris) een kern van vaatweefsel, omgeven door corticale cellen die grote met lucht gevulde ruimten omsluiten, die de plant helpen in het water overeind te blijven. Lichtmicroscoop, helderveldverlichting. Preparaat gekleurd

Het leven begon in zee. Sommige vroege vormen ontwikkelden manieren om de energie van de zon te bedwingen door het proces van de fotosynthese. Dit waren eencellige levensvormen, waaronder sommige die leken op wat Van Leeuwenhoek ontdekte. In hun vroege evolutie vond een gebeurtenis plaats die zó bijzonder is dat ze wel de ‘oerknal van de celbiologie’ is genoemd. Volledig afzonderlijke lijnen op het pad van de evolutionaire geschiedenis kwamen samen en vormden een geheel nieuwe soort cel, waaruit nu alle planten en dieren bestaan, inclusief de mens. We zullen de evolutie en diversifiëring volgen van eencellig leven tot, onder andere, meercellige planten, die zo’n 475 miljoen jaar geleden het land begonnen te veroveren. We zullen kijken naar de manier waarop cellen zich ontwikkelden teneinde de verschillende functies uit te voeren die door steeds geavanceerdere en diversere

met safranine. × 170.

WB118 Green univers Dl1 H1.indd 12

21-12-12 10:48

levenswijzen werden geëist en hoe ze zich door de generaties heen delen en reproduceren. We zullen ons concentreren op planten en hun cellen, niet omdat dierencellen minder interessant zijn, maar eenvoudigweg omdat ze een geheel ander verhaal vertellen en, hoewel planten en dieren een gemeenschappelijk voorouderschap hebben, ze al heel lang geleden uit elkaar zijn gegaan. Het pad van de evolutie op het land leidde tot cellen met een relatief starre celwand die zowel bescherming als fysieke kracht biedt. De diversiteit aan soorten cellen en de complexiteit van de weefsels en organen die ze vormen, zijn in de loop van de tijd progressief toegenomen. Het is niet verrassend dat twee zeer verschillende disciplines, de botanie en de architectuur, iets hebben met de subtiele relatie tussen vorm en functie. De architectuur ontwerpt gebouwen die zijn bedoeld voor specifieke doeleinden en vindt vernuftige technieken uit om materialen te gebruiken. Als we naar een plant kijken, of het nu een eik of een boterbloem is, zien we gemakkelijk dat zijn vorm een weerspiegeling is van zijn levenswijze en de omstandigheden waarin hij groeit. Wat we enkel met onze ogen niet kunnen vertellen, is dat in ieder orgaan van de plant – wortel, stengel, blad of bloem – cellen een buitengewone variatie aan vormen en functie tentoonspreiden. Het luisterrijke van onze planeet ligt in zijn verbazingwekkende biodiversiteit op ieder niveau van het ecosysteem, tot aan de cel en de genen daarin. Dit boek eert deze diversiteit en de schoonheid van plantencellen en vertelt het verhaal van wetenschappers die inzichten hadden die de weg voor anderen voorbereidden. Laten we allereerst meer over microscopen te weten komen, van de eenvoudige instrumenten van de pioniers tot de geavanceerdste optische microscopen en innovaties als de elektronenmicroscoop. Als we eenmaal weten hoe ze werken, zijn we beter uitgerust voor het verkennen van de microscopische plantenwereld. We kunnen dan naar de oorsprong van het leven en de eerste cellen kijken en vervolgens de onzichtbare wereld van de plantencel binnengaan. We zullen planten, het vertrouwde groene decor achter ons dagelijks leven, in een nieuw licht zien en dit zal ons er hopelijk aan herinneren dat zij het zijn die onze wereld tot een plaats maken waar wij mensen kunnen leven.

Tekening van diatomeeën, eencellige wieren met een celwand van kiezel, die hun symmetrie benadrukt, uit Ernst Haeckels reeks Kunstformen der Natur, ge publiceerd van 1899 tot 1904.

HOOFDSTUK 1 De reis begint

WB118 Green univers Dl1 H1.indd 13

21-12-12 10:48