Belangrijke begrippen

Evolutie

Evolutie betekent letterlijk ontwikkeling. Het is een proces van verandering in alles wat leeft en het doorgeven van gunstige aanpassingen aan een volgende generatie. Het betreft alle levende wezens vanaf het begin van het leven, 3500 miljoen jaar geleden. Zo zijn door opsplitsing steeds weer nieuwe soorten ontstaan, die met hun afstammelingen aan de wieg van grotere groepen zoals geslachten, families en ordes hebben gestaan.

Evolutie is een langzaam en langdurig proces. Het heeft altijd nauw samengehangen met de geologische geschiedenis van de aarde. Deze is verdeeld in tijdvakken die miljoenen jaren hebben geduurd. Ze zijn vaak genoemd naar een plaats met geologische formaties die typisch zijn voor een tijdvak, of naar het materiaal waaruit de aardlagen uit die periode meestal bestaan. Voorbeelden zijn de Jura in Frankrijk, en het Krijt. Veranderingen in het klimaat en het ontstaan van zeeën en bergen zijn van grote betekenis geweest voor het ontstaan en uitsterven van soorten.

Niet alle onstane soorten waren even succesvol. De meeste soorten zijn na korte of lange tijd uitgestorven. Slechts een heel klein deel van alle soorten die ooit geleefd hebben, is als fossiel bewaard gebleven. Van de meeste is niets meer over, de ‘Fossil Record’ is verre van compleet. Zo zijn de geleerden nog steeds op zoek naar voorouders van de vogels en van de huidige mens, om een beter beeld van hun oorsprong en ontwikkeling te krijgen.

Steeds weer ontstaan nieuwe soorten, ook nu nog. Dat gaat zo langzaam dat het meestal niet opvalt. Toch zag Charles Darwin op de Galapagos-eilanden evolutie in actie: hij realiseerde zich dat de snavels van de daar levende vinken aangepast waren aan het soort voedsel dat ze aten. Het idee van natuurlijke selectie was geboren. De evolutietheorie, gepubliceerd in 1859 in een boek getiteld ‘The Origin of Species’, sloeg in als een bom.

Stambomen

Het beschrijven van het evolutieproces blijft moeilijk. Soms duiken er fossiele aanwijzingen uit een ver verleden op, maar meestal hebben we alleen de diversiteit zoals die er nu is voorhanden.

Ook daaruit vallen wel conclusies te trekken. Al lang werden planten en dieren gerangschikt naar de mate van verwantschap, en het idee van een stamboom is altijd al aantrekkelijk geweest. Voordat Darwin in de 19e eeuw over zijn evolutietheorie publiceerde, was het al wel duidelijk dat sommige groepen meer op elkaar lijken dan andere: katten lijken meer op honden dan op goudvissen.

We kunnen tegenwoordig beredeneren hoe we uit de beschikbare informatie verwantschappen en het evolutieproces zichtbaar kunnen maken. Daar is in de vorige eeuw een methode voor bedacht: fylogenetische systematiek. Het is daarmee mogelijk om aan de hand van kenmerken verwantschapsschema’s op te stellen, die de veronderstelde loop van de evolutie weergeven: cladogrammen.

De belangrijkste regel hierbij is dat alle leden van een groep één of meer nieuw ontstane kenmerken gemeenschappelijk moeten hebben.

Computers zijn bij deze methode een belangrijk hulpmiddel: het is mogelijk om met grote hoeveelheden kenmerken en grote aantallen organismen het meest voor de hand liggende cladogram uit alle mogelijkheden te laten selecteren.

In onderstaand cladogram is te zien dat naaktzadigen en bloemplanten (bedektzadigen) allebei zaden hebben, en dat dit in de evolutie nieuwe kenmerken zijn. Geen van de andere groepen heeft die kenmerken. Samen horen naaktzadigen en bloemplanten tot één groep: de zaadplanten. Groenwieren en mossen vormen samen geen goede groep. Ze hebben wel allebei bladgroen (een nieuw kenmerk), maar dat hebben varens en zaadplanten ook.

Zoals bij elk onderzoek is ook hier de keuze van wat je bestudeert erg belangrijk: de selectie van de kenmerken en van de soorten kan heel veel uitmaken voor het berekende cladogram. Daarom is een cladogram ook nooit meer dan een hypothese: absolute zekerheid bestaat niet. Ook spreken kenmerken in een indeling elkaar nogal eens tegen. Het is heel goed mogelijk dat bloemkenmerken een heel andere groepsindeling te zien geven dan houtanatomische kenmerken. Dan is kiezen moeilijk.

Er zijn op dit gebied op internet enkele grote projecten te bekijken, waaraan biologen overal ter wereld meewerken:

Tree of Life project, een overzicht van de ontwikkeling van het leven op aarde.
Een overzicht van de evolutie van de bloemplanten, waarop een groot deel van de informatie in de systeemtuin is gebaseerd.

Variatie

Wie in de natuur om zich heen kijkt, ziet een ongelofelijke variatie aan vormen en kleuren.

Zelfs binnen één soort, zoals de mens, zijn heel veel verschillen in haarkleur, huidskleur, gezichtsvorm en lichaamsbouw te onderscheiden. Om van de huiskat en alle verschillende hondenrassen nog maar niet te spreken. En wie eens in de duinen rondkijkt, ziet hoeveel verschillende vormen blaadjes een paardebloem kan maken.

Het is al lang bekend dat eigenschappen overerfbaar zijn: kinderen kunnen de haarkleur van hun moeder hebben, en de neus van hun vader.

Toch is niet alle variatie overerfbaar. Dat is te zien aan eeneiige tweelingen, die kleine verschillen in uiterlijk en gedrag kunnen vertonen. En een moeder die haar haar in de zon laat verbleken, krijgt daar later geen blondere kinderen van.

Kennelijk is de omgeving ook van belang voor het tot uitdrukking komen van kenmerken. Zo kan je de bloemen van een rode Hydrangea blauw laten worden met een sequestreenoplossing die bij het tuincentrum te koop is. Ook in het wild kan de grondsoort de bloemkleur van een plant beïnvloeden.

Er zijn dus twee soorten variatie: vastgelegd in de genen, en door de omgeving beïnvloed. Alleen genetisch vastgelegde eigenschappen kunnen doorgegeven worden aan het nageslacht.

Genetische variatie kan ontstaan doordat een gen stukgaat en wordt uitgeschakeld. Zo zijn witte bloemen vaak het gevolg van het niet meer kunnen maken van een kleurstof. Maar ook minder dramatische veranderingen zorgen ervoor dat een kleur intenser wordt, of resistentie tegen kou een stuk minder.

Natuurlijke selectie werkt heel direct: het individu met de meeste nakomelingen geeft de meeste genen door, en is dus evolutionair gezien het meest succesvol. Dat hangt vaak niet af van 1 gen, maar van een combinatie van factoren. Daarom is het ontstaan van nieuwe combinaties bij de bevruchting zo belangrijk: nieuwe combinaties, nieuwe kansen.

De Tsjechische monnik Gregor Mendel deed in de 19e eeuw al onderzoek naar het overerven van eigenschappen, door verschillende erwtenrassen te kruisen: met gladde en gekreukelde, gele en groene erwten, met purperen en witbloeiende bloemen. Hij beredeneerde dat nakomelingen de helft van hun eigenschappen van hun vader, en de helft van hun moeder krijgen. Pas in het begin van de twintigste eeuw begreep men hoe het zat met genen en overerving, en werden zijn experimenten op waarde geschat.

Over erven

Waar ligt de erfelijke informatie vast? In het genetisch materiaal. Pas in de loop van de vorige eeuw werd duidelijk hoe het precies werkt.

Elk organisme is opgebouwd uit cellen. Alle cellen hebben een kern, waarin chromosomen zijn opgeslagen: draadvormige structuren waarin het DNA ligt. Bij elke celdeling worden ook de chromosomen verdubbeld, zodat nieuwe cellen weer hetzelfde aantal chromosomen hebben.

Pas bij de vorming van voortplantingscellen vindt een splitsing van chormosomen plaats: elke eicel of zaadcel krijgt de helft van de chromosomen mee, dus de helft van de eigenschappen van de ouder. Zodra twee geslachtscellen zijn samengesmolten, is het chromosomenpakket weer compleet, en staat er een nieuw individu op stapel met een nieuwe combinatie van eigenschappen.

DNA (desoxyribonucleïnezuur) is een erg lang molecuul dat is opgebouwd uit steeds dezelfde 4 bouwstenen, de basen Guanine, Cytosine, Thymine en Adenine, in een eindeloos aantal combinaties. Dit is de code waarin allerlei eiwitten liggen voorgeprogrammeerd. Deze code wordt voortdurend gekopieerd naar RNA (ribonucleïnezuur), dat de code transporteert naar de plekken in de cel waar eiwitten wordt gemaakt, de ribosomen.

Eiwitten zijn niet alleen belangrijke bouwstoffen, maar ook de enzymen die alle processen in de cel aansturen. Het coderen van eiwitten betekent dus het controleren van alles wat er in een levend wezen gebeurt.

Bij planten is het DNA niet alleen in de kern aanwezig, maar ook in de chloroplasten (waarin het bladgroen zit) en in de mitochondriën, de energiefabriekjes van de cel. Chloroplasten en mitochondriën worden langs de vrouwelijke lijn overgeërfd. Ze liften mee in de eicel naar de volgende generatie. Dat maakt het interessant om ook dit DNA in een plantecel te analyseren.

Selectie
Wat al duizenden jaren gebeurt, is selectie: wanneer je twee schapen of twee erwten met elkaar kruist, kan je uit de nakomelingen de beste selecteren, en daarmee verder kruisen. Dit heeft geleid tot een ongelofelijk aantal honderassen, koeien die gigantisch veel melk geven, ziekteresistente appels, en steeds grotere rozen - die vaak wel hun geur verloren.

Klonen en stekken
Om een zo geselecteerde vorm te vermeerderen, kan een plant gekloond of gestekt worden. Bij klonen maak je met een bestaande set van genetisch materiaal een identiek nieuw individu.

Planten doen dit allang, met klisters aan bollen, en broedbolletjes in bladoksels en bloeiwijzen. Stekken is een gemakkelijke manier van klonen. Ook in het dierenrijk worden nieuwe generaties geboren zonder dat er een bevruchting aan te pas komt, bijvoorbeeld bij bladluizen in de zomer.

Genetische modificatie
Iets betrekkelijk nieuws is genetische modificatie: het kunstmatig overbrengen van genetisch materiaal van het ene naar het andere organisme. Men probeert zo resistentie tegen een bepaalde ziekte, of de productie van bepaalde stoffen, zoals geneesmiddelen, mogelijk te maken. Virussen doen dit allang: ze injecteren hun DNA of RNA in de cel van hun gastheer, en laten dat daar vermenigvuldigen. Daarbij lift ook nog weleens een stukje genetisch materiaal van de gastheer mee.

Ordening van biodiversiteit

Door iets een naam te geven, krijgt het een plek. Een naam dient als geheugensteuntje, en is dus een belangrijk hulpmiddel bij het ordenen van informatie.

Ordenen kan op veel manieren, maar er zit altijd een idee achter. Bij planten bijvoorbeeld op gebruik: als specerij, tegen keelpijn, om de soep te kruiden of de wol te verven. In oude kruidenboeken zijn de planten soms alfabetisch op naam gerangschikt.

Ook nu worden in sommige flora’s de planten op bloemkleur gerangschikt, om het opzoeken van bloeiende planten te vergemakkelijken. En in veel bloemenwinkels en tuincentra staat de koopwaar op kleur, hoogte of groeiwijze.

Het lukte Linnaeus om met zijn systeem de bijna 10.000 plantensoorten die rond 1750 bekend waren, te ordenen. Dit systeem bood ook de mogelijkheid om nieuw ontdekte soorten meteen een plaats te geven. Hij realiseerde zich wel dat het een kunstmatig systeem was: door de mens bedacht, zonder basis in de natuur.

De handigste systemen om orde te scheppen zijn hiërarchische systemen, met verschillende niveaus. Het is gemakkelijker om steden in landen in werelddelen te onthouden, dan alle steden los. Zo is het ook gemakkelijker om bij planten eerst soorten te onderscheiden, die tot geslachten te groeperen, en die weer tot families.

Sommige geslachten en families worden al heel lang als groep herkend. Soms vinden we die oude namen nog terug als familienaam. Botanici hebben inmiddels afgesproken dat wetenschappelijke familienamen op -aceae eindigen, en genoemd worden naar een geslacht in die familie. Bij enkele families worden naast de nieuwe ook nog de oude namen in ere gehouden.

Voorbeelden hiervan zijn:

Grassen: Gramineae en Poaceae (naar Poa, Beemdgras)
Palmen: Palmae en Arecaceae (naar Areca, Betelpalm)
Lipbloemen: Labiatae of Lamiaceae (naar Lamium, Dovenetel)
Composieten: Compositae of Asteraceae (naar Aster, Aster)
Schermbloemen: Umbelliferae of Apiaceae (naar Apium, Moerasscherm)
Vlinderbloemen: Leguminosae of Fabaceae (naar Faba, Boon)
Kruisbloemen: Cruciferae of Brassicaceae (naar Brassica, Kool)
Pas na het formuleren van de evolutietheorie werd duidelijk dat het hiërarchische systeem van plantennaamgeving niet alleen handig is, maar ook overeenkomt met een bestaand en waar gebeurd proces: met afstamming en verandering.

Naamgeving in de wetenschap

Er worden nog steeds nieuwe soorten ontdekt. Het aantal bekende soorten is sinds Linnaeus gegroeid van 10.000 tot meer dan 250.000 soorten. En al die soorten moeten een naam hebben.

Daarover zijn afspraken gemaakt. De regels zijn streng: een soort is alleen nieuw wanneer Linnaeus noch iemand daarna hem al heeft beschreven. Latere synoniemen zijn verboden.

Iemand die een nieuwe soort ontdekt moet die soort een naam geven: een geslachtsnaam van een bestaand geslacht als hij of zij vindt dat de nieuwe soort in dat geslacht thuishoort. Anders moet er zelfs een nieuw geslacht worden beschreven.

Het publiceren van een nieuwe naam gebeurt met een beschrijving in het Latijn, waarvoor in de loop van de eeuwen een botanisch potjeslatijn is ontstaan. Daar moet liefst een goede afbeelding bij, en het moet op een voor iedereen toegankelijke plek gepubliceerd: een tijdschrift of een boek. Er moet ook een herbariumexemplaar van bestaan. Een dergelijke herbariumcollectie noemen we een type, dat is het uiteindelijk bewijsmateriaal voor de naam. Het is handig als er in verschillende herbaria een gedroogd exemplaar van een nieuwe soort te bekijken is.

Iemand die een nieuwe plant of groep omschrijft, mag als auteur daarvan zijn naam, of een afkorting daarvan, achter de nieuwe naam zetten. Hoe bekender de auteur, hoe korter de afkorting. Zo weet iedereen wie voor de beschrijving verantwoordelijk is, en is beter op te zoeken welke planten er oorspronkelijk precies met de naam zijn bedoeld.

Omdat de omschrijvingen die Linnaeus in zijn ‘Species Plantarum’ gaf erg beknopt zijn, is zijn herbarium van onschatbare waarde. Het ligt voor een deel in de Linnean Society in Londen, en wordt daar regelmatig door kenners geraadpleegd.

Een voorbeeld van een nieuwe varensoort, opgenomen in een overzicht van het varengeslacht Pyrrosia, wordt hier gegeven: Pyrrosia kinabaluensis, in 1984 door een Leidse onderzoeker gepubliceerd. De beschrijving omvat hier het volgende:

de naam: Pyrrosia kinabaluensis
de auteur: Hovenkamp
verwijzing naar de allereerste publicatie: het tijdschrift Blumea; hier is ook de verplichte Latijnse beschrijving te vinden
het type: herbarium exemplaar Clemens 26984, te zien in de herbaria in Leiden, British Museum, Bogor, Kew en Singapore
de herkomst: Borneo
een beschrijving in het Engels
standplaats
verwijzingen naar ander herbariummateriaal dat de auteur tot deze soort rekent

Geslachtsverandering

Hoe komt het dat er vaak twee auteurs achter de naam van een plant staan? Dan is de plant ooit van geslacht veranderd: iemand, de auteur die achteraan staat, vond dat de soort in een ander geslacht thuishoort dan degene die hem beschreef, en wiens naam nu tussen haakjes beland is. Het kan best zijn dat een plant in verschillende drukken van Heukels’ Flora van Nederland in een verschillend geslacht staat. Dat komt dan omdat de inzichten hierover veranderd zijn.

Een voorbeeld is de Tongvaren, als Asplenium scolopendrium in de ‘Species Plantarum’ opgenomen. Deze varen is ook te vinden als Phyllitis scolopendrium (L.) Newman, omdat Newman vond dat het geen Asplenium was. Smith publiceerde eind 18e eeuw de naam Scolopendrium vulgare Sm. voor deze soort.

Bij de Tomaat, een economisch belangrijk gewas, is zo’n naamsverandering niet alleen lastig voor plantenliefhebbers, maar ook voor kwekers en handelaren. Deze soort, Solanum lycopersicum L. werd in 1768 door Miller als Lycopersicon esculentum Mill. opgenomen in diens Gardener’s Dictionary. Beide namen zijn nog steeds in gebruik.

Klassieke kenmerken

Bewust of onbewust, als je een plant ziet, zie je kenmerken: kleur, grootte en vorm, en als je goed kijkt allerlei details. Voor een precieze determinatie is vaak een flora nodig, maar kenners kunnen veel planten vanuit een rijdende trein herkennen. Die weten alleen wel welke planten je waar kunt verwachten. Je vindt hier in Nederland geen cacaoboom langs de spoorlijn.

Planten worden al duizenden jaren met het blote oog op naam gebracht. Daarbij worden allerlei kenmerken gebruikt:

groeivorm: boom, struik, vaste plant, eenjarige, waterplant
wortels en wat er verder onder de grond zit
kenmerken van stengels, stammen of takken
bladkenmerken: plaatsing, vorm, textuur
bloemkenmerken: bloeiwijze, vorm, bouw en kleur
vruchten en zaden
Sinds het beschikbaar komen van vergrootglazen is het aantal kenmerken behoorlijk uitgebreid. Liefhebbers gaan nooit zonder een loepje in de borstzak op stap.

beharing
details van bladeren en bloemen, vruchten en zaden

Stuifmeel van de
Zeepboomfamilie Met een simpele lichtmicroscoop, bij een vergroting tot 1000x, is nog veel meer te zien. Met behulp van lichtmicroscopie is in de 19e eeuw een enorme vooruitgang geboekt in het beschrijven van allerlei structuren en processen: de anatomie, voortplanting en ontwikkeling van planten. In de tweede helft van de twintigste eeuw kwamen daar de Transmissie Elektronenmicroscoop en de Scanning Elektronenmicroscoop bij, waarmee nog hogere vergrotingen bereikt kunnen worden. Vakken als anatomie en ontwikkelingsbiologie hebben een hoge vlucht genomen. Als voorbeeld hier een stuk hout van een Denneboom, en stuifmeelkorrels uit de Zeepboomfamilie (Sapindaceae). Ook een voorbeeld van ontwikkelingsbiologie: de ontwikkeling van varensporen bij Drynaria sparsisora, een varen uit de kassen van de Leidse Hortus.

In Leiden is veel onderzoek gedaan naar inhoudsstoffen van planten: vaak ingewikkelde organische verbindingen die dienen als kleurstof, of voor de afweer van predatoren. Alkaloïden als caffeïne, digitaline en opiaten zijn voor veel mensen van groot belang. Deze stoffen zijn vaak kenmerkend voor bepaalde plantengroepen. Een voorbeeld hiervan is de stof die de scherpe smaak van radijs veroorzaakt; een glucosinolaat. Glucosinolaten hebben bijgedragen tot het plaatsen van het Kappertje en de Oostisdische kers in de Brassicales.

Nieuw onderzoek - Nieuwe kenmerken

Met de nieuwste technieken kan het erfelijk materiaal tot in detail worden onderzocht. Veel modern onderzoek richt zich op het ophelderen van verwantschappen door het onderzoek van DNA (desoxyribonucleïnezuur), de drager van erfelijke informatie. DNA is bij planten niet alleen in de kern aanwezig, maar ook in de chloroplasten (bladgroendragers) en mitochondriën (energiefabriekjes) in de cel.

Moleculaire kenmerken hebben veel bijgedragen aan een vernieuwde indeling van het plantenrijk. Vaak bevestigen ze de bestaande inzichten (samenstelling van de meeste families) of vergemakkelijken ze de keuze tussen verschillende alternatieven. Soms hebben ze moeilijk plaatsbare groepen ineens een plek in het systeem bezorgd. Een enkele keer werd de indeling van een groep helemaal door elkaar geschud, zoals bij de Rosales en de samenstelling van de Helmkruidfamilie (Scrophulariaceae) en de Weegbreefamilie (Plantaginaceae).

De basis van moleculair onderzoek is het vaststellen van de basenvolgorde in het DNA. In deze lange moleculen kan met behulp van 4 verschillende basen een vrijwel oneindig aantal combinaties worden gemaakt. In principe codeert steeds een groepje van 3 basen voor 1 bepaald aminozuur. Er zijn 20 verschillende aminozuren, de bouwstenen voor eiwitten.

Op het ogenblik wordt er gewerkt aan een methode om bij alle organismen in het erfelijk materiaal op zoek te gaan naar een soort barcode, een stukje DNA dat uniek is voor elke soort. Zo zou het mogelijk kunnen worden om elke soort op grond van (een deel van) zijn DNA te karakteriseren en herkennen. Dit soort onderzoek kan van groot belang zijn bij het onderzoeken van illegale handel in plantendelen, in paleontologische, archeologisch en in forensisch onderzoek. Voor dat laatste worden ook DNA-profielen op individueel niveau bepaald.

Het is interessant om te weten welke genen waar in het genoom, het erfelijk materiaal, liggen. Genen zijn stukjes DNA die doorgaans voor een bepaald eiwit coderen. Van sommige planten is zo al heel veel erfelijk materiaal in kaart gebracht. Voorbeelden zijn Maïs (Zea mays) en Zandraket (Arabidopsis thaliana).

Ook kan worden onderzocht hoe bepaalde genen of combinaties van genen de ontwikkeling van bepaalde plantendelen sturen, zogenaamd EvoDevo onderzoek. In Leiden wordt in dit kader op het ogenblik aan de Rietorchis (Dactylorhiza majalis subsp. praetermissa) gewerkt. In de Leidse Hortus groeit een mutant met 3 meeldraden per bloem. Normaal gesproken heeft een Rietorchis 1 meeldraad. Nu wordt onderzocht welke genen het aantal meeldraden aansturen.

Belangrijke begrippen

Direct naar: