De eerste levensvormen bestonden uit één cel en in de cel zat (naast nog heel veel andere dingen) het bouwschema van die cel: het erfelijk materiaal. Bij de allereerste cellen zal dat wel RNA geweest zijn, een lang gerekt molecule. Later bleek dat DNA stabieler was en de meeste organismen hebben nu een of meer zeer lange strengen DNA. Van dit DNA wordt het RNA afgeleid want de cellen gebruiken dit nog steeds om de processen in de cel te vertellen wat ze moeten doen. Bij dieren en hogere planten zit het DNA in een of meer chromosomen en die chromosomen liggen weer in de celkern.

Venushaar is een sierlijk varentje uit een subtropische omgeving

Als een eencellige zich wil voortplanten, gaat die ene cel groeien, de cel maakt een kopie van al het DNA en deelt in tweeën. Er wordt gezorgd dat in iedere helft één set DNA strengen aanwezig is. Genetisch zijn de twee cellen dan identiek en je kunt ook niet spreken van een moeder en een dochter cel. De eerste eencelligen hadden waarschijnlijk maar één (vaak cirkelvormig) chromosoom met daarin één enkele streng DNA. Want waarom zou je twee dezelfde willen hebben? Op zich is daar weinig reden voor en het feit dat er tegenwoordig heel veel planten en dieren (waaronder de mensen) bestaan met dubbele strengen DNA in ieder chromosoom betekent niet dat het erg zinvol is om altijd een 'reserve' streng mee te slepen. Tenslotte bestaan er ook nog steeds zeer veel levende wezens met maar één enkele streng DNA in ieder chromosoom.

Waarom twee in plaats van een?

Ik denk dat die verdubbeling een beetje per ongeluk is gegaan en dat toen bleek dat een dubbele set chromosomen toch wel erg handig was. En dat handige zit in de variatie: de leefomgeving van al die levensvormen hier op aarde is nooit stabiel en is ook nooit stabiel geweest. Om te voorkomen dat een kleine verandering in die leefomgeving de hele groep van identieke familieleden uitroeit, moet je er voor zorgen dat niet alle familieleden identiek zijn. Er ontstaan natuurlijk door het toeval af en toe mutaties, maar die krijgen dan weer allemaal identieke nakomelingen met die mutatie. Dan heb je wel twee varianten, maar het schiet niet op.
Ooit is ergens de volgende oplossing ontstaan. Een cel met de toevallige variant A op het DNA ontmoet een verwante cel met op een andere plaats in het DNA de variant B. Op de een of andere manier zijn die twee cellen gaan samensmelten en op dat moment zitten er twee strengen DNA in één cel en die besluiten om stukken DNA uit te wisselen. Daarna gaan ze weer uit elkaar tot twee cellen. Als dit vaker gebeurt kunnen er cellen ontstaan gewoon met variant A en cellen met variant B, maar ook met variant A én variant B en cellen zonder variant A óf B. Dus op deze manier neemt het aantal net niet identieke cellijnen snel toe. Reken het maar eens uit als je begint met vijf cellen met ieder een eigen mutatie. Nu zijn natuurlijk niet alle mutaties altijd positief, maar de kans dat de 'overlever' er tussen zit als de omstandigheden veranderen wordt wel groter.
Deze oplossing moet al heel oud zijn want alle (of misschien bijna alle) meercellige algen en wieren gebruiken dit systeem en die bestaan al meer dan 2 miljard jaar. En alle organismen daarna gebruiken ook dit systeem van genen uitwisseling, zoals men dat noemt. Het gevolg is bijvoorbeeld dat ik wel alle genen van mijn ouders heb die op die éne DNA streng lagen die zij in het zaadje resp. eitje stopten, maar geen van beide had exact díe DNA streng in zijn/haar lichaam. Ze hebben elk hun twee DNA strengen gemengd voordat ze één streng naar het zaadje resp. eitje stuurden. En voor ieder van mijn broers en zussen hebben ze een nieuwe mix gemaakt. Wij, hun kinderen, zijn dus niet genetisch identiek, maar we hebben wel veel genen hetzelfde: we zijn verwant.

Haarmossen zijn tweehuizig. Dit is de mannelijke bloei

Mossen bijvoorbeeld

Genen uitwisselen is zeer populair in meercellige organismen en daaruit mag je concluderen dat het in praktijk heel nuttig is want het is niet eenvoudig te realiseren. Mossen bijvoorbeeld zijn haploid d.w.z. dat ze maar één set DNA strengen hebben; de oorspronkelijke versie zeg maar. Om genen te kunnen uitwisselen moeten ze dus een speciale locatie maken waar tegelijker tijd twee sets DNA strengen kunnen verblijven. Maar eerst moet het mos 'sperma' maken dat in staat is die speciale locatie te bereiken en op die speciale locatie moet een 'eicel' klaar liggen die het sperma kan ontvangen. Dit komt U ongetwijfeld bekend voor. Het verschil met bijvoorbeeld mensen is dat bij mensen de altijd dubbele DNA strengen (diploïd) eerst gesplist moeten worden om sperma en eicellen te maken. Bij mossen hoeft dat niet want die hebben zoals gezegd een enkelvoudige set DNA strengen (haploïd). Daar staat tegenover dat bij mensen het DNA klaar is na de bevruchting: het is weer diploïd en kan dus beginnen met uit te groeien tot een baby. Bij mossen daarentegen moet nu het diploïde vruchtbeginsel eerst weer opsplitsen in haploïde sporen voordat er nieuwe mossen gezaaid kunnen worden. En bij deze opsplitsing kunnen de genen uitgewisseld worden en daar was het om begonnen!

Even terug naar die speciale locatie. Een mos moet dus eicellen en/of spermacellen maken. Waarschijnlijk kun je bij sporenplanten formeel niet van sperma en eicel spreken, maar het is wel duidelijker dan de vaktermen. Bij sommige mossoorten maakt een plant beide soorten (sperma en eicel) en die zijn dus éénhuizig, bij andere soorten verzorgen ze of de mannelijke of de vrouwelijke kant en zijn dus tweehuizig. Dan komt de moeilijkste stap: het sperma moet naar het eitje zwemmen m.a.w. er moet water aanwezig zijn anders gaat het niet. Bij mossen die eenhuizig zijn zal dat meestal wel lukken want dan zullen de mannelijke en vrouwelijke 'bloemen' niet ver uit elkaar staan, maar dan krijg je zelfbevruchting en dat is voor de variatie natuurlijk niet gunstig.
Maar uiteindelijk lukt het een zaadje om een eitje te bevruchten. Als het eitje bevrucht is groeit het uit tot een diploïd(!) mosplantje en maakt dan vele, vele haploïd sporen. Dat diploïde mosplantje is meestal wat wij herkennen als bloeiend mos ofschoon er ook mossen zijn die duidelijk zichtbare mannelijke en/of vrouwelijke 'bloemen' hebben.

Boven op een gewoon (haploïd) takje mos is de bevruchting. Daaruit groeit een diploïd 'parasietje' met bovenop een doosje waarin de (haploïd) sporen ontstaan

Maar dan de varens

Varens zijn net als mossen sporenplanten. Bij onze inheemse varens zitten de sporendoosjes aan de onderkant van het blad, meestal als keurig geordende donkergroene of lichtgroene schijfjes. Toch zijn varens heel andere planten dan mossen. Ze zitten duidelijk een of meer stappen verder in de ontwikkeling. Varens hebben wortels, mossen zitten met een aantal witte draadjes (rhizoïden) vast aan de bodem. Varens hebben vaten voor het transport van water met daarin voedingstoffen, mossen nemen water op via het blad en transporteren dit van cel naar cel. Varens hebben ook allerlei versterkingen in stengels en bladeren want ze willen en kunnen veel hoger worden dan mossen. De reden is duidelijk: als alles bedekt is met een laag mos en soortgelijke planten, is er nog maar één mogelijkheid om bij het licht te komen: de hoogte in.

Voorkiemen van een varen en de jonge planten, waarschijnlijk adelaarsvaren

Ik vind het eigenlijk wel een verrassende oplossing die moeder natuur hiervoor bedacht heeft. Bij de mossen en bij allerlei andere sporenplanten die in eerste instantie op het land ontstonden, werd gewoon de voorplanting van wieren en algen en dergelijke overgenomen. Dus planten met één set DNA strengen (haploïd) en een speciale diploïd constructie om genen te kunnen uitwisselen. Bij mossen is dit een (bijna) zelfstandig plantje dat via sperma en eicel nieuwe sporen maakt. Moeder natuur besloot met dit (bijna) zelfstandige plantje verder te gaan en het echt zelfstandig te maken. Dat werd dus een diploïde sporenplant zoals de varen! En het bijzondere is dat voor deze verrassende stap het systeem van de voorplanting nauwelijks hoefde te veranderen. Het speciale diploïde mosplantje maakt na samensmelten van sperma en eicel een hele boel sporen en verdwijnt dan. De 'gewone' diploïde varenplant kan dat direct doen door de diploïde cellen te spitsen in haploïde sporen. Die sporen waaien weg, kiemen ergens en vormen daar een zogenaamde voorkiem die zich kan ontwikkelen want er is bladgroen aanwezig. Zo'n voorkiem lijkt sprekend op de verre voorvader ledermos. De voorkiem maakt mannelijke (sperma) cellen en/of vrouwelijke eicellen en als er voldoende water is, zwemmen de sperma cellen naar de eicellen en worden die bevrucht. En dan kan er weer een nieuwe diploïde varenplant groeien!
Het 'enige' wat er veranderd is dat bij de mossen de haploïde vorm de 'gewone' en 'langlevende' vorm is en bij varens is langlevende vorm diploïd en is de haploïde vorm klein en kortlevend. Haploïd en diploïd vormen van een varen. De bevruchting is aan de onderkant van de voorkiem waar de bogen van de hartvorm samenkomen

Twee DNA strengen

Ik heb eerder gezegd dat het weinig zin heeft om van de DNA streng steeds een 'reserve' streng mee te slepen. Dat is ook zo, maar om redenen die ik niet weet, zijn planten met meer sets DNA vaak groter met grotere bloemen en grotere zaden. Ik ken eerlijk gezegd dat fenomeen alleen bij planten die normaal diploïd zijn en dan plotseling een variant met vier sets maken. Maar ik kan me voorstellen dat het bij de sprong van haploïd naar diploïd ook zo werkt.

Maar het kan ook zijn en dat is meestal, dat beide strengen niet exact hetzelfde zijn. Als er tussen de twee strengen kleine verschillen zijn in de genen kan de plant 'kiezen' welk gen waarschijnlijk het beste werkt. Het kan zelfs zijn dat één gen op één streng nauwelijks meer doet wat hij zou moeten doen zonder dat het een ramp is voor de plant: die gebruikt gewoon dat zelfde gen op de andere streng. Maar dat geeft theoretisch de mogelijkheid om dat 'gammele' gen te ontwikkelen tot iets heel anders dat wél nuttig is. Zo iets gaat natuurlijk een miljoen keer of misschien wel 100 miljoen keer fout, maar die ene keer is het prijs en ontstaat een nieuwe plant of dier! Kortom: twee series DNA strengen heeft voordelen als ze maar niét helemaal hetzelfde zijn!

Jan van Dingenen - 2014

Naschrift

In deze serie "Evolutie van landplanten" zitten de volgende artikelen:
74. Evolutie van landplanten - 1. Inleiding
75. Evolutie van landplanten - 2. Na het begin van leven
76. Evolutie van landplanten - 3. Plant aan land
77. Evolutie van landplanten - 4. Sporen zaaien
78. Evolutie van landplanten - 5. Varens, boomvarens, zaadvarens
79. Evolutie van landplanten - 6. De eerste bossen
80. Evolutie van landplanten - 7. Naaktzadigen
81. Evolutie van landplanten - 8. Bedektzadigen of bloemplanten