In het vorige artikel werd beschreven hoe door een 'simpele truc' de natuur voor zichzelf heel nieuwe mogelijkheden creëerde. Namelijk zorgen voor een dubbele set chromosomen in de cel (diploïd) want dan zijn er altijd genen die niet in gebruik zijn en waar dus mee geëxperimenteerd kan worden. En dan net zo lang door experimenteren tot er iets bruikbaars uit komt. Of tot de plant zich niet meer kan voortplanten en gewoon dood gaat. Dit laatste komt waarschijnlijk duizenden of zelfs miljoenen keren vaker voor dan het dat het iets bruikbaars oplevert. Maar alleen die éne keer telt.

Varen zoekt het hogerop

Van laag naar hoog

Zoals ook al eerder gezegd, de eerste aanpassing van waterplanten aan het leven op het land, was waarschijnlijk een extra waslaagje op het blad zodat dit minder snel kon uitdrogen als het bij laag water boven water kwam. Vervolgens moesten er huidmondjes komen om koolzuur te kunnen opnemen uit de lucht in plaats van uit het water. Bovendien zijn die ook handig om te koelen door vocht te laten verdampen.
Op een goede oplossing volgt altijd een nieuw probleem. Als het blad een groot deel van de tijd boven water is, kan het prima uit het koolzuur in de lucht en zonlicht suikers maken. Water opnemen uit regenwater lukt misschien ook nog, maar het blad heeft ook voedingstoffen nodig die het voorheen gewoon uit het water opnam. De stengels en mogelijk ook bladeren die nog onder water zijn, kunnen dat natuurlijk wel maar daarmee zijn die voedingsstoffen nog niet in het blad dat boven het water staat. Kortom er is een transportsysteem nodig van beneden naar boven en een van boven naar beneden want daar hebben ze ook suikers nodig. Als de transportsystemen doorgetrokken worden tot onder de grond door wortels te ontwikkelen, is de eerste hogere plant af.

Het transport systeem

Mossen hebben geen speciaal transport systeem. Ze transporteren water, met daarin voedingstoffen of suikers, van cel naar cel. Water heeft de neiging om vanzelf naar drogere plekken te gaan en als een waterkolom niet is onderbroken, wordt daarbij die hele waterkolom mee getrokken. Dat is natuurlijk kwetsbaar en in praktijk werkt het maar een paar centimeter. Dit was voldoende voor mossen, maar niet voor een varen.
Hiervoor moest een 'echt' leidingsysteem worden aangelegd en dan vooral voor het watertransport naar boven. Lange cellen zorgden hiervoor maar er waren twee verrassingen. Dode en dus lege cellen doen het beter dan levende want dan was er meer ruimte voor het water, misschien niet zo verrassend. Maar die dode cellen moesten bekleed worden met lignine om te voorkomen dat de cel instortte. Lignine is een ingewikkeld molecuul dat enigszins waterafstotend is en zo voorkomt dat het water te vroeg uit de transportvaten komt. Maar lignine kan ook grote trekkrachten opvangen en heeft in een boom dezelfde functie als betonijzer in een betonnen kolom: de cellulose in de boomstam draagt het gewicht van de boom maar lignine voorkomt dat de boom scheurt als de wind de boom scheef drukt. Twee vliegen in een klap dus.

Varens sterven bij ons bovengronds af, maar in het voorjaar komen ze een fraaie krul weer terug

In het begin zal het transportsysteem wel begonnen zijn bij het stuk van de stengel dat nog in het water stond. Later is het doorgetrokken naar wortels die de hechtdraden van mossen en dergelijke vervingen. In de wortels vinden we meestal nog een speciale laag, de endodermis, die watertransport enigszins kan regelen. In de eerste hogere planten zat deze laag ook in de stengel maar bij de zaadplanten zit die nu nog alleen in de wortels. Dit zou er op kunnen wijzen dat de eerste planten het water inderdaad met de stengel opnamen.
Heel apart is de samenwerking tussen wortels en schimmels. Deze moet al heel oud zijn, men denkt zelfs dat er al samenwerking was voordat de planten echte wortels hadden en dat dus de eerste sporenplanten rond 450 miljoen jaar geleden al samen werkten met deze schimmels. Bijna alle vaatplanten werken samen met schimmels vooral voor de opname uit de grond van fosfaat, maar ook van zwavel en stikstof. In ruil krijgt de schimmel dan suikers van de plant.
We hebben nu een complete vaatplant en zitten op ruim 400 miljoen jaar geleden. De oudste plant die herkend is als een vaatplant is Cooksonia. Dit was een sporenplantje van een paar centimeter groot. De enige vorm die men gevonden heeft, was de vorm die de sporen maakt (diploïd), maar er moet dus ook nog een haploïde vorm bestaan hebben.

Een boomvaren op Hawaï met een stammetje

De hoogte in

De eerste planten die alle nieuwigheden gebruikten om de hoogte in te gaan waren varens. Zoals eerder beschreven besloten de varens om vooral door te gaan met de diploïde vorm die waarschijnlijk al hoger kon komen dan de haploïde vorm. Maar dat was blijkbaar niet hoog genoeg. Met het systeem van watervoerend vaten konden hoog staande bladeren worden verzorgd, maar nu bleek de stam zelf het zwakke punt. Moderne bomen kennen secundaire dikte groei waardoor de boom min of meer naar behoefte de stam dikker en sterker kan maken. De vroege varens kenden dit nog niet en kozen een andere oplossing: de stam splitste voortdurend in sub-stammetjes die in elkaar draaiden. Hierdoor werd het geheel bovenaan breder dan onder, maar dat werd weer gecompenseerd door een zeer groot aantal luchtwortels die naar beneden groeiden en zo de stam versterkte. Dit leverde een wat rommelig geheel en in de ruimtes tussen al deze onderdelen groeiden diverse andere planten. Deze boomvaren Psaronius is uitgestorven, maar is goed bekend door zijn fossielen. En allerlei andere planten zijn alleen bekend door de fossiele resten die men binnen de Psaronius fossielen vond! De huidige boomvarens staan in de tropen en gebruiken nog steeds dezelfde 'hulpconstructies' om de hoogte in te komen. Onze dubbelloof heeft tropische boomvarens in de familie, maar veel verder dan 30 cm komen die niet.

Dubbelloof heeft twee soorten blad: voorgrond smalle 'blaadjes' met sporen, op de achtergrond steriel blad

Zaadvarens

Men gebruikt de term zaadvarens voor planten die bladeren hebben als varens, maar die zaden vormen of iets dat daar heel veel op lijkt. Deze zogenaamde zaadvarens ontstonden ongeveer 350 miljoen jaar geleden en zijn nu uitgestorven. Ze zijn geen directe familie van de huidige varens of boomvarens, maar ze hebben wel gemeenschappelijke voorouders.
Weer even terug naar de voortplanting van sporenplanten. Op één plaats vormt de plant sperma, op een ándere plaats (en bij voorkeur een andere plant) wordt een eicel gevormd. Het belangrijkste verschil tussen die twee is dat het sperma de eicel moet bereiken of anders gezegd: het sperma is mobiel en de eicel niet. De eicel kan dus groter zijn dan het sperma en meestal is dat ook zo. Bij dieren en hogere planten bezit de eicel alle onderdelen van de cel en heeft het sperma alleen de helft van het DNA en een de mogelijkheid om te zwemmen. Vanuit dit idee zijn de zaadvarens de eicel gaan vergroten en beschermen tegen uitdroging en misschien ook tegen vraat of om reserve voedsel op te slaan om sneller te kunnen kiemen.

Uit deze tijd dateren ook de eerste sporen van amfibieën die op het land planten komen eten. Mogelijk had die vraat door amfibieën of geleedpotigen er iets mee te maken, want het idee van kleiner sperma en grotere eicellen hing toen blijkbaar in de lucht want ook andere planten zijn rond die tijd deze kant op gegaan. Maar die hebben nooit het stadium van 'echt' zaad bereikt. Officieel maken de zaadvarens ook geen 'echte' zaden omdat de omhulling niet helemaal gesloten is en de zaden na bevruchting dus niet bewaard kunnen worden. Want dat is eigenlijk het grote effect van deze ontwikkeling: er ontstaat een zaad dat letterlijk alles in huis heeft om uit te groeien tot een nieuwe plant: het zaad is bevrucht en alles wat nodig is voor de kieming plus eventueel een hoeveelheid reservevoedsel voor een snelle uitgroei zit bij elkaar. Maar doordat dit alles zeer goed is ingepakt tegen uitdrogen en aantasting door bacteriën of dieren, kan het zaad rustig een winter of desnoods een paar jaar wachten tot de omstandigheden gunstig zijn. Bovendien kan een plant zo gaan groeien op een plek waar de jonge kiemplant praktisch zeker de winter of de droge tijd niet zou overleven als die slechte tijd direct valt na de kieming. Maar als het zaad wacht met kiemen tot ná die periode, kan de plant al wat robuuster zijn met diepe wortels en mogelijk wat reservevoedsel en zo het volgende slechte seizoen wel overleven.

Het hele proces van haploïde sporen vormen en daarna overgaan op de diploïde vorm veranderde niet bij de zaadvarens. Het speelde zich alleen allemaal af in de omgeving die zou uitgroeien tot het zaad. En daarmee zijn we bij de naaktzadigen gekomen.

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