Tag Archief: biologie

Ademtocht

Deze column is in licht gewijzigde vorm verschenen in het decembernummer van Eos.

Op een koude ochtend stap ik van de trein naar mijn kantoor. Gouden zonlicht belicht twee studenten die buiten staan te praten. Ik zie hoe hun adem als een tekstballon boven hun hoofden blijft hangen. Het is de waterdamp uit hun longen die condenseert aan de vroege buitenlucht. Terwijl zij elk huns weegs gaan verdunt hun adem zich in de atmosfeer. Ik stel me voor hoe die uitgeademde waterdamp de wereld zal omsluiten, zich mengend in wolken, zeeën.

Foto van een luipaard door Greg Dutoit.Als we onze adem altijd konden zien zoals op deze frisse ochtend, dan zouden we vast anders met elkaar omgaan. Als we alleen nog maar de kringloop van het water zouden kunnen volgen, zouden we zien dat die niet alleen om ons heen maar ook door onszelf loopt. Die kringloop maakt geen onderscheid tussen ‘wij’ en ‘zij’. Anderzijds zou het ons snel duizelen als we al die trajecten zouden moeten opvolgen.

In haar recentste boek, Pneuma, schrijft kunsthistorica Barbara Baert over de visuele voorstelling van wind en adem in de middeleeuwse kunst. Ze illustreert hoe de onzichtbare levensadem toch getoond kan worden in schilderijen en onderzoekt het verband tussen adem en de geheel ontastbare geest in de Christelijke iconografie. Terwijl het begrip geest in de hedendaagse wetenschappen grotendeels in onbruik is geraakt, blijft adem wel een rol spelen in diverse domeinen: om de longinhoud te meten tijdens een medisch onderzoek, om ziektes of druggebruik op te sporen met een biomedische sensor, of in ecologische studies over de luchtkwaliteit in steden.

(meer…)

Over diamantvormige druppels

Dit bericht gaat over een foto van een diamantvormige waterdruppel. Ludo Rutten, die blogt op Muggenbeet, observeerde de druppel in het hart van het blad van een lupine. Hij stelt er zich volgende vragen bij:

“Hoe komt het dat die druppel niet wegvloeit? In het blad zijn nochtans spleten genoeg om langs weg te sijpelen. Zouden die haartjes het water afstoten? Ook gek is dat die druppel de kromming van het blad niet volgt maar gebogen staat. Heeft dit te maken met de cohesieve kracht? En ik vraag me af: is dat allemaal opgevangen water of is hier ook sprake van guttatie zoals je dat vaak ziet bij vrouwenmantel?”

In de commentaren lees ik dingen over oppervlaktespanning en cohesie, maar ook over centripetale krachten (en dat die krommingen in de richting van het middelpunt zouden veroorzaken). Over de rol van die haartjes lees ik er echter niks. (Evenmin over de vraag of lupines ook aan guttatie doen, maar daar ga ik mij ook niet aan wagen.) Een leuke uitdaging!

Foto van waterdruppel op lupine door Muggenbeet.

Deze foto was de inspiratie voor dit blogbericht. Met toestemming overgenomen van Muggenbeet (link).

“Zouden die haartjes het water afstoten?” Mij lijkt het dat de foto juist suggereert dat zij het water aantrekken! Maar laten we bij het begin beginnen.

Op de foto zie je het resultaat van een samenspel van interacties tussen drie materialen: het water, de plant en de lucht (die zelf natuurlijk niet zichtbaar is). Wat betreft de plant is niet alleen de samenstelling belangrijk (met name de waterafstotende, wasachtige laag op de bladeren – terecht opgemerkt door Fruitberg), maar ook de vorm ervan (die haartjes of trichoom dus). De volledige uitleg werd hierdoor wat te lang voor een reactie. (Vandaar dit bericht.)

Waterdruppel op het blad van een lupine.Wanneer je verschillende stoffen met elkaar in contact brengt, ontstaat er een contactspanning (een netto-effect van de elektrische aantrekking tussen de moleculen in die stoffen, veroorzaakt door interacties van permanente en/of tijdelijke dipolen). Afhankelijk van de combinatie van stoffen kan de contactspanning laag of hoog zijn. Als het om twee vloeistoffen gaat zorgt een lage contactspanning ervoor dat de stoffen gemakkelijk mengen (bv. water en inkt), terwijl een hoge contactspanning ervoor zorgt dat ze spontaan ontmengen (bv. water en olie).

De contactspanning tussen water en lucht is hoog. Anders gezegd: het kost minder energie om watermoleculen met elkaar in contact te houden dan met de lucht. Hierdoor ontstaat het effect van oppervlaktespanning, die het contactoppervlak tussen lucht en water tracht te minimaliseren. Resultaat: kleine hoeveelheden water vormen in een omgeving van lucht ongeveer bolvormige druppels (minimaal contactoppervlak met lucht). Over oppervlaktespanning had ik het trouwens al eerder op dit blog: in verband met koffie en in verband met afwassop.

Het water op de foto wordt aan de bovenkant omgeven door lucht, maar rust tegelijk op een blad met een wasachtige laag. De oppervlaktespanning tussen olie en water is ook hoog. Ook hier geldt dus dat het water een zo klein mogelijk contactoppervlak zal proberen vormen. Als de hoeveelheid water groter wordt, krijg je eerder een plasje water dan een bolvormige druppel. Dit komt door de zwaartekracht: op een gegeven moment is het gewicht van het water groter dan de krachten van de oppervlaktespanning.

Waterdruppel op het blad van een lupine.Tot nu deed ik alsof het blad glad was, maar ook de structuur van het oppervlak speelt een belangrijke rol bij de benatting. Bij een ruw oppervlak (met een wasachtige, waterafstotende laag) zal de druppel niet mooi de vorm volgen (want dat zou een groot contactoppervlak vereisen, met een hoge oppervlaktespanning als gevolg), maar eerder op de uitstekende toppen rusten. Dit lijkt ook te gebeuren door de haartjes op de bladen van deze lupines: het water sluit bijna nergens aan met het blad (er zit een luchtlaagje tussen), maar wel met de haartjes (uitstekende delen).

Hoewel haartjes bij planten dus helpen om water op enige afstand te houden van het blad, kunnen ze tegelijk de wateropname uit de lucht bevorderen. Doordat de haartjes uitsteken, vergroot dit het volume waaruit ze water kunnen oppikken. En als er eenmaal een druppeltje gevormd is, heeft dat slechts een heel klein contactpunt nodig (weinig contactspanning) om toch aan zo’n haartje te blijven hangen. Vaak hebben die haartjes trouwens een schubachtige structuur (niet noodzakelijk zichtbaar met het blote oog), wat zorgt voor extra ruwheid; dit vergroot het contactoppervlak nog verder.

Waterdruppel op het blad van een lupine.Eens de druppel gevormd is, rolt hij door de aanwezigheid van de haartjes minder snel weg. Dit kan uitgelegd worden aan de hand van een energiebarrière. Als je zelf een druppel water in het midden van zo’n blad legt (bij de nerf, althans als daar geen haartjes staan), zal die mooi naar beneden rollen. Als het water echter – zoals dat op de foto – nog geen contact heeft met het bladoppervlak, zal het daar ook niet spontaan naartoe beginnen bewegen, omdat het dan eerst zijn opppervlaktespanning (ten minste tijdelijk) moet verhogen. (Dit effect zou je “pinning” van de contactlijn kunnen noemen.) Door met het blad te schudden, voeg je zelf wat energie toe. Hierdoor kan de energiebarrière eventueel overwonnen worden, waardoor minstens een deel van het water alsnog van het blad zal afstromen.

In elk geval een boeiend onderwerp! Zelfs de schrijvers van handboeken zoals “Functional Surfaces in Biology” weten nog niet alle details.

Aanvulling (6 maart 2014, 20u):

Foto toegevoegd (met toestemming). Op het web staan er trouwens nog veel mooie foto’s van waterdruppels op lupines (kijk maar hier, hier, of hier).

Baby en de nerd (2): Vershoudzakje voor baby’s

De stelling van vandaag is:

Levendbarende zoogdieren zijn ontstaan uit reptielen doordat er een ei is blijven zitten.

Zoals ik vorige keer al schreef, meen ik dat ooit eens gehoord te hebben, al weet ik niet meer waar. Hoog tijd om de status van deze hypothese uit te zoeken. En omdat zwangerschap een fascinerend onderwerp blijft, krijg je vandaag weer vier stukjes voor de prijs van één.

(1) Allemaal lamzakken

Tijdens de zwangerschap zit het ongeboren kind in het vruchtvlies in de buik van de moeder.“Na de geboorte zal de gynaecoloog aan de moeder vragen of ze de zak wil zien waar haar baby negen maanden in heeft gezeten,” zei de vroedvrouw. Ze toonde een foto van een vers, bebloed vruchtvlies in de handen van een gynaecoloog. “In het echt is het altijd mooier,” vertrouwde ze ons toe.

Soms blijf je na de prenatale les toch wat op je wetenschappelijke honger zitten en dan moet je dus zelf op zoek naar meer informatie. De wetenschappelijke naam van het vruchtvlies is amnion, dat “lamzak” betekent. Het betreft hier trouwens geen unieke eigenschap van mensen en schapen, want bij alle zoogdiersoorten zit er zo’n beschermend membraan rond het geheel van de zich ontwikkelende vrucht en het vruchtwater. Doet deze structuur je ook denken aan het vliesje in een kippenei? Terecht dan, want ook vogels en zelfs reptielen hebben een amnion. Het vruchtvlies is relatief vroeg in de evolutie ontstaan (vóór de gemeenschappelijke voorouders van vogels, reptielen en zoogdieren van elkaar zijn afgesplitst), waardoor ook vandaag nog de jongen van al deze soorten “uit een zakje” ter wereld komen. De verzamelnaam voor alle diersoorten waarbij er een amnion voorkomt rond het jong in het ei of in de baarmoeder luidt ‘Amniota’.

Als mensen net als vogels waren...

Als mensen net als vogels waren… (Bron afbeelding.)

(2) Woord van de dag: eierlevendbarendheid

Het amnion blijkt een goed aanknopingspunt te zijn om uit te zoeken hoe het zit met de stelling van vandaag. De eerste gewervelde dieren waren voor hun voortplanting afhankelijk van water, net zoals de hedendaagse amfibieën dat nog steeds zijn. In de loop van de evolutie ontstonden Amniota, die eieren legden waarin het embryo niet uitdroogde (waterhoudend vlies) of verstikte (met poriën voor gasuitwisseling), maar wel beschermd was van de omgeving (ondoordringbaar voor ziektekiemen en met een harde schaal).

We hebben dus al twee puzzelstukken gevonden: ten eerste zijn er dieren ontstaan die eieren leggen met een vlies erin om de embryo’s in een waterige omgeving te houden; ten tweede heeft dit vlies een soortgelijke functie en structuur als het vruchtvlies bij mensen en andere zoogdieren. Een volgend stuk in de puzzel is de vaststelling dat er diersoorten zijn die eieren produceren, maar die deze eieren in hun lichaam bewaren, waardoor het lijkt of ze levendbarend zijn: ze zijn ‘eierlevendbarend‘. Als we deze stukjes informatie samenvoegen, lijkt het dus plausibel dat de huidige zoogdieren afstammen van een reptielensoort die eierlevendbarend was. Deze mogelijkheid wordt ook naar voren geschoven op “Ask a biologist“, waar bovendien wordt opgemerkt dat de evolutie van eierleggend naar levendbarend meermaals is opgetreden in het dierenrijk.

(3) Van vochtinbrengende crème tot borstvoeding

Mensen leggen geen eieren, maar sommige zoogdieren doen dat wél.Op de lagere school leerden we een aantal typerende eigenschappen van zoogdieren: ze zijn levendbarend, ze zogen hun jongen en ze hebben een vacht. Hoewel er voor elk van deze eigenschappen wel een zoogdierensoort bestaat die er een uitzondering op vormt, komt de combinatie van eigenschappen toch zeer veel voor. Ik heb nooit ingezien waarom deze eigenschappen samen voorkomen. De mogelijke voor- of nadelen van zogen, lijken mij onafhankelijk te zijn van de vraag of het jong al dan niet eerst in een ei zit. En wat heeft het hebben van veren, schubben, of haren ermee te maken?

In mijn zoektocht naar de oorsprong van het verhaal van het ei dat was blijven zitten, vond ik hier een interessante hypothese over. Hoewel het ontstaan van het amnion ervoor zorgde dat amniota hun eieren niet in water hoefden te leggen, moesten deze wel vochtig gehouden worden. Dit vocht werd afgescheiden uit klieren in de huid van het moederdier, vastgehouden in haar vacht en zo op de eieren uitgewreven. Melkproductie zou dus aanvankelijk geen voeding voor de jongen zijn geweest, maar eerder een dagcrème voor de eieren…

Deze hypothese lijkt de drie typische zoogdier-eigenschappen netjes met elkaar te verbinden, maar schijn bedriegt. De hypothese werd namelijk uitgewerkt voor zoogdieren die eieren leggen (cloakadieren of snaveldieren) en waarbij de melkklieren inderdaad in behaarde huid zitten. Men neemt echter aan dat deze zoogdieren eerder van de reptielen zijn afgetakt dan de levendbarende zoogdieren. Onder deze aanname stammen levendbarende zoogdieren niet af van de eierleggende zoogdieren en blijft de link tussen baarmoeder, moedermelk en vacht een mysterie.

Als je het niet ziet zitten om tot vlak voor de bevalling hard te moeten schrobben, dan moet je hierover misschien een contract aangaan met je partner.(4) Leuk contractje

De helft van de zoogdieren zijn mannen. Om dit deel van de populatie toch ook niet te vergeten, tot slot nog een link, die overigens niet helemaal past in de categorie “wetenschap”, maar wél bij “baby en de nerd”: dit is het contract dat Kurt Vonnegut in 1947 afsloot met zijn zwangere vrouw, waarin precies wordt vastgesteld op welke manieren hij haar tijdens deze periode zal bijstaan in het huishouden. Schattig dat ze ook gestipuleerd hebben dat zij niet zal zagen en hij niet zal vloeken tijdens deze werkjes. :-)

Baby en de nerd (1): Prenatale les voor wetenschappers

Enerzijds blijft zwanger zijn een wonder om mee te maken, anderzijds wordt alles voor en na geboorte steeds meer medisch begeleid. Voor wetenschappers maakt dit tweespalt het allemaal des te interessanter om te ervaren. Inspirerend was deze tijd zeker, daarom vandaag vijf stukjes voor de prijs van één.

(1) Wie heeft dat verzonnen?

Een zwangere natuurkundige.Als natuurkundige-filosoof ben ik hoogstens een zwak hobbybioloog en van zwangerschap snap ik niet veel. Het hele concept is gewoon bizar: eerst moet een spier vijftien keer in gewicht toenemen en dan moet deze spier, die je verder nooit gebruikt, intensief gaan samenknijpen om een te groot hoofdje door een te kleine doorgang te persen. Sommige mensen benadrukken daarbij hoe mooi de natuur toch in elkaar zit, want zo’n babyhoofdje kan nog een beetje vervormen, hetgeen helpt om de bevalling mogelijk maken. Zelf zie ik hier schoonheid noch vernuft, maar een verbluffend staaltje blinde evolutie. Wie voor de dag komt met “Er is nog nooit eentje blijven zitten”, moet er toch dringend eens de vrij recente geschiedenis op naslaan. Het is enkel door de medische begeleiding dat zoveel bevallingen – hier en nu althans – inderdaad goed aflopen voor moeder en kind.

Ik meen me uit een vergeten bron te herinneren dat zoogdieren zijn ontstaan uit reptielen doordat er een ei is blijven zitten.* (Zo voelt het soms wél tijdens de laatste maand, maar dit geheel terzijde.) Kijk, daarin kan ik geloven: deze oorsprong, of althans een iets beter onderbouwde versie van een dergelijk verhaal, verklaart waarom het nu allemaal zo moeilijk moet. Wat mij betreft is één zwangerschapskuur de beste remedie tegen geloof in intelligent design. Ik wens het de creationisten van deze wereld dan ook van harte toe! Joehoe, mijn hele buik is vrij, hoor; kon daar nu niet even een luikje in?

*Ik bewaar het als huiswerk voor volgende keer om uit te zoeken of het hier een wetenschappelijke hypothese betreft of slechts een kwakkel.

(2) Informatiemoeheid

Er zijn veel bakerpraatjes die rondgaan, zoals dat je aan de vorm van een buik zou kunnen zien of daarin een jongen of een meisje gedragen wordt. Dit bijgeloof is met een simpele steekproef te weerleggen en hoeft ons dus verder niet te bezwaren. Meer in de schemerzone staat wat je nu wel of niet moet eten tijdens je zwangerschap: er kan zeker een wetenschappelijke basis zijn voor al dat voedingsadvies, maar hoe je al de informatie moet verwerken en integreren, dat vertellen de afzonderlijke onderzoeken er ons niet bij. Ondanks het voortschrijdend wetenschappelijk inzicht moeten we in de praktijk dus terugvallen op ruwe vuistregels (zoals “gevarieerd eten”), hier en daar aangevuld met een cruciaal supplement (zoals foliumzuur aan het begin van de zwangerschap) of een eenduidig tegenadvies (zoals geen alcohol tijdens de zwangerschap).

Informatiemoeheid.Iedereen wil het beste voor zijn kroost, maar hoe blijf je de bomen zien door het informatiebos? Een handige folder kan soelaas brengen om de belangrijkste informatie nog eens in hapklare brokjes tot je te nemen. Toch loert ook hier weer een gevaar om de hoek: niet enkel de overheid en haar openbare instellingen (zoals Kind en Gezin) brengen folders uit, maar ook veel bedrijven komen op de proppen met mooie boekjes, waarin natuurlijk vooral de eigen producten mooi afsteken tussen de glimmende babyfoto’s. En zo dreigen de aanstaande ouders alsnog overspoeld te raken door al die folders met variaties op telkens dezelfde informatie aangevuld met de accenten in functie van het aan te prijzen product.

Gelukkig kun je altijd nog bij vrienden te rade gaan om definitief vast te stellen welke spullen je nu écht in huis moet halen voor je eerste spruit. Natuurlijk zijn ook al die vrienden blootgesteld aan dezelfde slinkse reclamepraktijken, maar met een beetje geluk zijn het zeer nuchtere mensen die er toch in slagen om weloverwogen keuzes te maken.

(3) Vrouwen zijn ook mensen

Een andere bron van objectieve informatie zijn de prenatale lessen, die door het ziekenhuis georganiseerd worden. Bij de les over babyvoeding werd er zowel aandacht besteed aan moedermelk als aan flessenvoeding. Op dit punt is het standpunt in alle officiële brochures helder: moedermelk geniet de voorkeur. (Citaat van de website van Kind en Gezin: “Je wil je kindje de best mogelijke start in het leven geven. Dat doe je met de keuze voor borstvoeding.”) “Maar,” zo werd ons tijdens de les op het hart gedrukt, “vrouwen zijn óók mensen. Die mogen zelf kiezen, hè.” Waarom klonk dit niet als de geruststelling die het bedoeld was?

Baby wegen.Als je borstvoeding geeft (en het niet eerst afkolft), dan kun je niet precies zien hoeveel de baby drinkt. Twee natuurkundigen keken elkaar aan en dachten precies hetzelfde: baby wegen, baby voeden en dan nog eens wegen. Het verschil in massa is hoeveel de baby gedronken heeft. Een baby is natuurlijk geen gesloten systeem – ah neen, want het is een levend wezen! -, maar op de relevante tijdschaal is de benadering goed genoeg. Zelfs als er tussen de twee wegingen niet enkel een flesje leeg raakt, maar ook een pamper wordt opgevuld, zal de massa tot in voldoende benadering behouden zijn. Toch tot je de pamper ververst hebt. :)

Toch stuitte deze suggestie op een radicaal njet bij de anders zo meegaande vroedvrouw: al dat geweeg zou afbreuk doen aan het natuurlijke van de borstvoeding. Ik begrijp best wel dat het goed is om aan te leren voelen hoeveel de baby drinkt en om op kleine indicaties te letten. Ik zie echter niet in wat er dan zo onnatuurlijk is aan een massabepaling? Het heeft weliswaar geen zin om je baby tot op de milligram te gaan controleren, maar het kan bezorgde ouders in de eerste dagen toch wat extra feedback geven, lijkt mij.

(4) Scheuren of knippen

In onderstaand fragment (bron) doet ook Dara Ó Briain (voormalig student fysica, nu komiek) verslag van een prenatale les die hij bijwoonde met zijn vrouw, die chirurg is. Gelukkig staan we in de kwestie knippen of scheuren toch al iets verder dan in het Verenigd Koninkrijk. :-)

(5) Pseudokansrekening

In geval van zwangerschap worden veel klassieke geneesmiddelen afgeraden, omdat de mogelijke negatieve effecten op het ongeboren kind niet opwegen tegen het gezondheidsvoordeel bij de moeder. Ik heb aan de den lijve ondervonden dat het hierdoor voor zwangere vrouwen des te moeilijker wordt om aan de greep van de kwakzalverij te ontsnappen. (Zie ook het filmpje van Dara Ó Briain waarin hij zich uitlaat over pseudowetenschap, dat ik eerder al eens postte.)

Veel zwangere vrouwen krijgen last van hun bekken.Op het einde van de zwangerschap krijgen veel vrouwen last van hun bekken. Dit is een gevolg van het toenemend gewicht van het kindje en wordt ook in de hand gewerkt door de hormonen relaxine en progesteron, die de kraakbeenverbindingen in het bekken iets verweken om de geboorte mogelijk te maken. Iemand raadde me aan de onderrug te (laten) masseren en met een ontstekingsremmende zalf in te smeren. Bij de apotheker bleek echter dat deze zalf niet aan te raden is op het einde van de zwangerschap.

De apotheker had echter een alternatief, dat ik wel mocht smeren. Toen hij zei dat het een homeopathische zalf was, raakte ik in gedachten verstrikt. Homeopathie, dat is toch het verdunnen van werkzame stoffen tot ze ondetecteerbaar zijn? Er is toch nog nooit enige dubbelblinde studie geweest die de werking van homeopathische middelen wetenschappelijk heeft kunnen aantonen? En de opleiding tot apotheker gebeurt toch aan de universiteit, gebaseerd op wetenschappelijk onderzoek? Ik had natuurlijk meteen moeten protesteren, maar was zo verbaasd over de gang van zaken, dat ik de zalf aannam, betaalde en vertrok. Op weg naar huis brandde de tube in mijn tas: een blaam op mijn diploma als wetenschapper.

Zwangere vrouwen zijn een makkelijke prooi voor bedrijven die het niet te nauw nemen met de kansrekening.Bij thuiskomst googelde ik de merknaam: het eerste resultaat was de website van de firma zelf en het tweede resultaat was een vernietigend rapport door skeptici. (Ik vermeld hier opzettelijk de naam niet, omdat ik geen zin heb om reclame te maken, maar per e-mail wil ik het merk gerust noemen.) Dit bedrijf bezondigt zich aan pseudo-kansrekening: het beroept zich weliswaar op rapporten van gerandomiseerde experimenten waaruit de effectiviteit van hun zogenaamde medicijn zou moeten blijken, maar deze experimenten zijn met veel te kleine steekproeven gebeurd en het bedrijf werkt niet mee aan externe onderzoeken, tenzij het de publicatie van de resultaten na inzage alsnog mag weigeren.

Berouwvol ben ik de volgende dag terug naar de apotheker gegaan. Ik zei dat ik het als fysicus echt niet over mijn hart kon krijgen om die zalf aan mijn rug te smeren. Hij zei dat hij het begreep, waarna de tube en het geld opnieuw van eigenaar verwisselden. Met evenveel rugpijn maar met een opgeklaard gemoed liep ik toch net iets rechter de deur weer uit.

Hoe een rups een vlinder wordt

Vlinder worden is alleen weggelegd voor dappere rupsen zonder vliegangst.De Nederlandse filmmaker en fotograaf Frans Hofmeester filmde zijn twee kinderen elke week en maakte van elk een prachtige timelapse, waarin je kunt zien hoe mensen veranderen van baby tot schoolkind: klik hier voor de film met dochter Lotte (nu twaalf jaar) en hier voor de video van zoon Vince (nu negen jaar). Het project is nog niet gedaan, dus over enkele jaren kunnen we hun hele evolutie van baby tot jong-volwassene in versneld tempo terugkijken.

Hoe groot deze veranderingen ook zijn, ze vallen in het niets bij wat sommige dieren presteren. Dieren die een volledige metamorfose (holometabolisme) ondergaan, zien er tijdens de verschillende levensfasen zo verschillend uit, dat je zou kunnen denken dat het om verschillende soorten gaat.

Vier levensfasen van de vlinder.

Vier levensfasen van de vlinder: (1) eitje, (2) rups, (3) pop en (4) volwassen vlinder.

We leren het op de lagere school al: vlinders doorlopen vier stadia. Ze beginnen als (1) een eitje, daaruit komt (2) een rups, die zichzelf inspint tot (3) een pop, waaruit dan (4) een volwassen vlinder of imago tevoorschijn komt. (Bron animatie: hhmi.)

Wat er echter niet wordt bijverteld is wat er gebeurt in de pop.

Biologie-experiment voor beginners: een rups laten verpoppen in een jampot.Ik heb eens een rups gevonden op de wortels in de tuin van mijn oom. Het was een knalgroene rups met zwarte streepjes met daarop oranje stippen. Ik mocht de rups mee naar huis nemen en hield hem in een lege confituurpot met wat groen van de wortels waarop ik hem had gevonden. De rups at (en poepte) verbazend veel en begon zich de volgende dag al te verpoppen.

Groot was mijn ethousiasme over deze snelle vorderingen, want intussen had ik opgezocht dat het een rups was van de koninginnepage – volgens het plaatje in het boek een prachtige, relatief grote vlinder die ik nog nooit in het echt had gezien. Het glas met de pop erin stond een hele winter lang op onze vensterbank in de keuken.

Het werd lente en nog steeds zat de pop schijnbaar onveranderd in het glas. Dan besliste mijn moeder dat het genoeg was geweest en de pot verhuisde naar buiten, naar een beschut plekje naast de trap aan onze deur. In het begin ging ik elke dag kijken, maar stilaan begon ik te beseffen dat er hier iets vreselijk was misgelopen.

Op een dag stond ik de tuin bij onze vlinderstruik en daarop zat – mijn hart sloeg een slag over – een koninginnepage. Nadat de vlinder weggevlogen was, rende ik naar de pot naast de trap en jawel: daar lag enkel nog de huls van de pop in. De kans is dus groot dat ik effectief “mijn” koninginnepage heb gezien in onze tuin.

Ik kon me wel voor mijn hoofd slaan dat ik de moed te vroeg had opgegeven en zo mijn kans verkeken had om de vlinder voor het eerst tevoorschijn te zien komen. Achteraf vind ik het ook jammer dat ik toen geen fototoestel had en de verandering van rups via pop tot volwassen koninginnepage dus niet heb kunnen vastleggen. De plaatjes hieronder heb ik van internet geplukt (bronnen: rups door Lilly M, pop door L. M. Bugallo Sánchez en vlinder door Robin Septor) en komen goed overeen met hoe ik me de drie fasen van het dier herinner.

En al die tijd heb ik me niet één keer afgevraagd wat er precies gebeurde in de pop.

Koninginnepage.

Drie levensfasen van de koninginnepage: rups (links), pop (midden) en volwassen vlinder (rechts).

Verandert de rups geleidelijk in een vlinder: trekt het lijf samen en worden de buitenste lagen vleugels, pootjes en antennes? Of gaat dat helemaal anders in zijn werk? Het zit inderdaad anders!

Om te beginnen is de levensfase van de rups iets ingewikkelder dan meestal gedacht: de rups zelf ondergaat verschillende stadia (in het Engels ‘instars‘ genoemd), waarbij hij vervelt om groter kunnen worden. (De rups van de koninginnepage wordt in elk volgend stadium steeds groener; als ik dat destijds geweten had, had ik dus kunnen zien dat mijn exemplaar bijna aan verpoppen toe was.) Tijdens het laatste stadium gebeuren er onderhuids al belangrijke voorbereidingen voor de ontwikkeling van de vleugels in de pop. Onder invloed van hormonen stopt de volgroeide rups met eten en gaat hij op zoek naar een beschermde plaats. Daar spint hij een draad, hecht zich ermee vast aan een takje en vervelt voor de laatste maal. Daarbij komt er een harde onderhuid bloot, die de beschermende buitenkant vormt van de pop (in het Engels: ‘chrysalis‘). Motten spinnen nog meer zijdedraad en bouwen zo een eigen cocon, maar dat is bij dagvlinders dus niet het geval.

Wat er in de pop gebeurt, vertellen ze er niet bij.Nu komt het stukje dat ze er niet bij vertellen: in de pop wordt het lichaam van de rups bijna volledig afgebroken. Dit proces van weefseloplossing heet ‘histolyse’ en gebeurt door dezelfde verteringssappen waarmee de rups eerder zijn eten verteerde. Als het lichaam van de rups echt helemaal verteerd zou worden, zou er daarna geen vlinder uit kunnen ontstaan. Enkele groepen cellen blijven gespaard. Dit zijn de ‘imaginaalschijven’ (Engels: ‘imaginal buds‘ of ‘histoblasts‘), die al in het lichaam van de rups aanwezig waren, maar daar geen rol in speelden. Het zijn een soort stamcellen waaruit in de pop de vleugels, voortplantingsklieren, poten en antennes beginnen groeien. De vloeibare resten van het rupsenlichaam dienen nu als kweekbodem bij dit proces van wederopbouw, ‘histogenese’ genaamd. (Mijn bronnen voor dit stukje waren deze Engelstalige pagina’s: earthlife, ehow, learner en lepcurious.)

Meer info over imaginaalschijven vind je in hoofdstuk 7 van “The Life-Story of Insects” geschreven door professor Carpenter (uit 1913 al en daarom gratis raadpleegbaar). In het veel recentere boek “The Cell Cycle” van Morgan kun je op pagina 21 zien hoe de imaginaalcellen van de larve van het fruitvliegje zich verhouden tot structuren in het volwassen dier. (Helaas heb ik geen soortgelijke afbeelding kunnen vinden voor structuren in rups en vlinder.) Imaginaalschijven werden in de zeventiende eeuw onderzocht door Jan Swammerdam, zo las ik in de blogpost ‘het raadsel van de pop‘; met zijn onderzoek kon hij voor het eerst duidelijk aantonen dat rups en vlinder twee vormen zijn van hetzelfde organisme.

Opgroeien is voor mensen net als voor vlinders een proces in vele stappen.Om een volwassene te worden, moet een baby vooral eten en slapen. Om een vlinder te worden, moet de rups eerst eten en dan sterven – het is geen geleidelijke verandering zoals bij de mens.

Het is natuurlijk verleidelijk om je de verandering die een rups moet ondergaan vanuit menselijk standpunt voor te stellen: “Stel je voor dat je jezelf bijna helemaal zou moeten verteren en dat je er maar op moet vertrouwen dat je lichaam daarna weer aangroeit.” De rups uit Alice in Wonderland lijkt er zich alvast geen zorgen over te maken.

Het is dan ook een misleidende gedachte en wel om twee redenen, die allebei te maken hebben met ons brein. Bij mensen gaat er relatief zeer veel energie naar de ontwikkeling van de hersenen. Het zijn deze complexe hersenen waardoor we bewuste keuzes kunnen maken over ons leven en waardoor we weigerachtig zouden staan ten aanzien van een nakende metamorfose. Het verpoppen bij insecten gebeurt onder invloed van veranderende hormonenspiegels en vrijkomende enzymen; de rups hoeft niets te beslissen en nergens mee in te stemmen. Bovendien zou het bijzonder inefficiënt zijn om eerst jarenlang een complex orgaan te ontwikkelen waarin herinneringen opgeslagen kunnen worden, om dit dan in luttele uren tot een cultuurmedium te herleiden.

Geen metamorfose voor zoogdieren dus. Anderzijds hebben sommige diersoorten een nog veel gekkere levenscyclus dan de vlinder. Deze cycli kun je leren kennen via de grappige tekeningen van Manvir Singh in zijn gratis ebook “Lifecycles.

Het vetlichaam van de rups sterft af in de pop, maar is de pop zelf een levend dier, of niet?De vlinder is een dankbaar onderwerp voor filosofen. Een bekend voorbeeld is de Chinese filosoof Zhuang Zi: hij droomde dat hij een vlinder was die droomde dat hij Zhuang Zi was. (Daar schreef ik ook over in mijn hoofdstuk voor Inception & Philosophy.) Dit thema doet ook aan Franz Kafka denken, die in ‘De gedaanteverwisseling’ schrijft over een man die bij het ontwaken vaststelt dat hij in een grote kever is veranderd.

De vraag die ik in deze blogpost heb proberen beantwoorden – “Wat er gebeurt in de pop van een vlinder?” – is een puur wetenschappelijke vraag, maar wel eentje die filosofische vragen kan oproepen. Ik weet niet of er filosofen zijn die zich over de vraag hebben gebogen of een pasgevormde pop, die hoofdzakelijk uit lichaamssappen bestaat, al dan niet leeft. Daarom vraag ik het hier:

Wat denk jij, leeft zo’n pop, of is hij dood?

Is hij misschien ondood? :-) (Mijn poging tot antwoord kun je hieronder lezen door op ‘Show‘ te klikken.)

Spoiler Inside SelectShow

Papiervretende monsters

Ik heb die Holle Bolle Gijs nooit vertrouwd, met zijn 'Papier hier'. Er zitten vast papiervisjes in zijn maag!Naast dagdromen over opgeruimde boekenkasten (en daarin ben ik niet de enige) heb ik ook een boekengerelateerde nachtmerrie: de boeken staan ogenschijnlijk vredig op de schappen, maar als ik er een exemplaar tussenuit haal, blijkt dat de omslag leeg is. Verschrikt neem ik een ander boek en nog één en nog één. Alle bladzijden van alle boeken zijn weggevreten door een monsterlijke plaag van ongedierte.

Helaas bestaat het monster uit mijn nachtmerrie echt. Het houdt zich schuil onder de bedrieglijk poëtische namen zilvervisje of suikergast, maar ik noem hem… de verachtelijke papierverzwelger of absoluut ongewenste gast. Als ik er nog maar aan denk, krijg ik al kippenvel! Toch krijgt deze vijand van elke boekenkast vandaag een hele blogpost, zodat jullie ook weten hoe hij eruitziet en de gepaste maatregelen kunnen treffen. Er staan drie tabs open met informatie over en plaatjes van zilvervisjes, dus als er hier of daar een typfout staat: bedenk dat ik dit hier zit te schrijven met mijn ogen bijna dicht…

Ik kan me niet meer herinneren wanneer ik voor het eerst hoorde van papiervretende insecten, maar de schrik zat er meteen goed in. Gelukkig had ik nog nooit een zilvervisje in het echt gezien en bleef de dreiging dus abstract, maar daar kwam vorige week verandering in. (De enge muziek op de achtergrond zwelt aan.)

Het zilvervisje dat ik zag was net als dit exemplaar: een soort kleine draak.Op hotel in Groningen zag ik een insect over de vloer slenteren: het leek op een duizendpoot, maar eerder wit dan bruin en met lange voelsprieten. Ik wist dat zilvervisjes tot twee centimeter groot kunnen zijn, maar niemand had me gewaarschuwd voor die voelsprieten; hierdoor leek het beest veel groter – eerder een kleine draak (bron afbeelding)! Het had ook relatief weinig pootjes. Nu ik er zo over nadenk, leek het dus eigenlijk helemaal niet op een duizendpoot, behalve dat het ook vrij lang en smal was en geen vleugels had.

Over het algemeen heb ik geen afkeer van insecten: sprinkhanen, kniptorren en wantsen vind ik aardig om naar te kijken. Ja, misschien is er een entomoloog aan mij verloren gegaan, maar bij het zien van dit exemplaar kwam er meteen een lichte paniek opzetten. En als je in paniek bent, denk je niet meer helder na. Het kwam zelfs niet in me op er een glas overheen te zetten. In plaats daarvan keek ik angstig naar mijn meegebrachte boeken op het nachtkastje: het zal toch niet zo zijn dat deze nu als eerste ten prooi vallen aan de vijand? Deze uitverkoren exemplaren, die alle voorrondes en de finale selectie hadden gehaald en dus mee mochten op reis?! Bij thuiskomst heb ik mijn reisbibliotheek nog eens extra goed gecheckt en ze leken 100% zilvervisjesvrij, maar helemaal gerust slaapt een mens natuurlijk nooit meer. De echte vijand is de angst.

Alsof het allemaal nog niet erg genoeg is, treffen we in de familie van het zilvervisje (Lepismatidae) ook nog het papiervisje aan, dat ook boekenvisje genoemd wordt. Opnieuw prachtige namen, maar wat lusten die monsters, denk je? Inderdaad, dit is een nog veel groter gevaar voor boeken in huis! Als klap op de vuurpijl is er nog een derde neefje, het ovenvisje, dat ook boeken aanvreet, maar dat gelukkig een iets warmere omgeving verkiest.

Welkom in ons huis, beste spin.Als je met een insectenplaag zit, kun je gelukkig op onze achtpotige vriendjes rekenen. Helaas blijken de meeste spinnen geen zilvervis op het menu te hebben staan. (Het zal een aangeleerde smaak zijn…) Al onze hoop in bange dagen is nu gevestigd op de getijgerde lijmspuiter, die als enige spin wél raad weet met het boekenmonster. Als je ergens zo’n diertje weet zitten, wil je het mij dan laten weten? Ik kom het met alle plezier thuis ophalen en zal er goed voor zorgen!

P.S.: Herinner je je de animatiefilm “The Fantastic Flying Books of Mr. Morris Lessmore” die ik bij mijn vorige boekenpost inplakte? Die heeft nu een Oscar gewonnen.

Glimmende stroken van chocolade & karamel

Twee weken geleden vroeg ik jullie om mee te raden naar wat er op deze foto stond:

Wat staat er op deze foto?

Rara, wat staat er op deze foto?

De lezers van Weetlogs kwamen voor de dag met sterk uiteenlopende gokken. Hier een klein overzicht van de reacties.

Groot of klein? Sommigen dachten dat de foto door een microscoop genomen was: een schilfertje roos tussen enkele haren, sterk uitvergroot (Hans van Hilst). Anderen zagen het groots en meenden dat ik met mijn helicopter op fotoreportage was gegaan in Azië: een bevuilde waterloop in China (Freddy Quireyns).

Anorganisch of organisch? Een harde kern zocht het bij de gesteenten: lavasteen (Dieter Vanackere), agaat waar een deel normaal gesteente doorheen loopt (Enya Vermeyen), of een dwarsdoorsnede van een mineraalsteen of geode (Samuel Piers). De meest specifieke gok in deze richting was: een doorsnede van red jaspis met in het midden aan ander soort mineraal of kristal (Jens Thyssen). De ruime meerderheid opteerde echter voor een organisch materiaal. Slechts twee mensen gokten op een dier: een rups (Raymond Van Assche) of een gekookte kreeft (Agnes Lauwers), terwijl de anderen het plantenrijk verkenden. De eerste gok ging uit naar een graan- of tarwekorrel (Rudi), maar er waren ook mensen die aan een ui (Pat Rache), of aan bamboe (Sebastiaan van Gelder) dachten.

Al snel kwamen ook bomen in het vizier en dan vooral de schors (Ritchie; Conny Wassink). Specifiekere gokken in deze richting waren: de schors van palmboom (Vera), berkenschors (Dominique Trachet) of berkachtige boom (Dieter Swiers), een roodbruine twijg van een Cornus alba (Gert Nauwelaerts), of een close-up van Betula albosinensis schors (Niels Deboodt). Ook andere vormen van hout kwamen aan bod: een gehavende viool of cello (Peter Wauters), hars van een stuk hout (Alfonsa Gabe-Neyens), een houten binnenwand van een huis, waar de tak van een boom doorgroeit (Maarten Valentin).

Rolletjes parmaham (zonder zoutkristallen).Het idee dat het schimmel zou kunnen zijn (Trui Cantaert), zorgde voor interessante combinaties: een stukje gebarsten paardenzadel met soort schimmel erop (Ginette De Veerman), of fungi groeiend op een mineraal substraat in een geode bestaande uit chalcedoon (Bas). Er werden nog andere combinaties van organische en anorganische componenten voorgesteld: chalcedooon met een fossiel erin (Sarina), of parmaham en zout (Inge De Poorter). Dit laatste was schitterend gevonden: dat ben ik eens met Gert Nauwelaerts, die tevens uitlegde waarom het toch niet kon kloppen: “de schaduw geeft aan dat er kleine uitstulpingen zijn (oa. het zwarte omgekeerd V’tje rechts). Tevens heeft het oppervlak een cilindervormige ronding als je het licht van de flits bekijkt.” De foto is weliswaar niet met flits gemaakt, maar de deductie dat het voorwerp cilindervormig moet zijn is inderdaad juist. Dit laat echter de mogelijk open dat het om een opgerold schijfje parmaham gaat.

Met dit overzicht heb ik jullie geduld genoeg op de proef gesteld; het is tijd voor de oplossing (na de vouw).

(meer…)

Over fractals, Engelse gotiek en een dwaaltuin

Het paleis van Blenheim is een voorbeeld van de Engelse Gotiek.Fractals zijn figuren waarvan de onderdelen op het geheel lijken. De takken van een boom lijken bijvoorbeeld op een verkleinde kopie van de volledige boom. Bij een wiskundige fractal blijf je steeds structuren vinden die op het geheel lijken, hoe ver je ook inzoemt. Daar houdt de gelijkenis met een boom op: een blad lijkt (vaak) wel op een miniatuurboompje (met het steeltje als stam en het blad zelf als kruin), maar als je verder inzoemt kom je bij cellen, moleculen en uiteindelijk atomen uit, die niet op bomen lijken. Dit belet niet dat het leuk is om in de natuur of in de stad op zoek te gaan naar fractalachtige planten en gebouwen.

Naast twee zich wild vertakkende bomen, heb ik in Oxford ook fractalachtige architectuur gevonden, met dank aan de Engelse gotiek. De foto linksboven is een zicht op All Souls College, gezien vanaf Queen’s Lane. (Dit is dus eigenlijk nog maar de achterkant van het gebouw!)

Het paleis van Blenheim is weliswaar ook een voorbeeld van de Engelse gotiek, maar ik heb er helaas geen overtuigende fractals in kunnen ontdekken. Het paleis staat in Woodstock (nabij Oxford) en werd in 1705 opgericht door Koningin Anna ter ere van John Churchill, beter bekend als de eerste Hertog van Marlborough. Deze hertog had het commando gevoerd in de Slag bij Blenheim en daar een overwinning behaald voor de Engelsen en hun alliantie. In de tuinen van het paleis ligt er tegenwoordig een mooi haagdoolhof: het Marlborough Maze. Een ‘maze‘ is echt een doolhof en geen labyrint, dus je kunt er wel degelijk in verdwalen. Een doolhof is géén fractal en gelukkig maar, want anders zou je er nooit uitgeraken!

Fractals in Oxford

Bovenaan links: de fractalachtige omtreklijn van de achtergevel van het All Souls College komt extra duidelijk uit bij tegenlicht. Bovenaan rechts en onderaan links: sommige bomen vertakken zich als wilde fractals, haast zonder zich iets aan te trekken van de zwaartekracht. Onderaan rechts: gelukkig was dit doolhof géén fractal.

De foto van het haagdoolhof (rechtsonder) is gemaakt vanop één van de twee bruggen, die ook dienst doen als uitkijkposten. Daarop kun je je route vrij efficiënt plannen. Natuurlijk zou je vooraf een satellietfoto van het doolhof kunnen opzoeken om daarop je weg uit te stippelen. Je kunt de route dan zelfs met een computerprogramma uitdokteren: met Mathematica bijvoorbeeld, of een ander programma dat overweg kan met grafen. Op een satellietfoto kun je echter moeilijk de bruggen van een gewoon pad onderscheiden, waardoor je oplossing in realiteit mogelijk niet zal werken.

Vóór het doolhof staat er een grondplan waar ik onderstaande foto van gemaakt heb; de hagen corresponderen met de groene lijnen op het plan. De andere kleuren helpen niet om je weg te vinden – in tegendeel – en dienen enkel om de figuur, die in het grondplan verwerkt zit, duidelijk te maken: een kanon met kogels, twee trompetten en een banier. (Deze heldhaftige symboliek verwijst natuurlijk weer naar de overwinning van de Hertog van Marlborough in de Slag bij Blenheim.) Op de foto heb ik de bruggen aangeduid met gele B’s. Op die posities kun je dus wel van boven naar onder lopen op de kaart, of van links naar rechts, maar niet ‘afslaan’.

Als je een satellietfoto hebt en weet waar de bruggen zijn, dan kun je inderdaad Mathematica gebruiken om de kortste route te vinden. Ik heb deze website maar achteraf gevonden, maar het lijkt goed overeen te komen met de route die we zelf gevolgd hebben. Deze oplossing is dus proefondervindelijk geverifieerd. ;-)

Marlborough Maze.

Foto van het grondplan voor het Marlborough-doolhof. De gele B’s geven de posities van de twee bruggen aan. Bij het gele sterretje staat er wel een groen lijntje, maar op de corresponderende plek in het doolhof is er daar toch een doorgang.

Als je in plaats van een satellietfoto bovenstaand grondplan zou gebruiken om je route vooraf te plannen, heb je alsnog een probleem: hierop staat er namelijk op een cruciale plek een barrière aangegeven, waar er in werkelijkheid geen haag staat; daar heb ik een geel sterretje toegevoegd op de foto. Met deze extra barrière erbij zou het doolhof geen oplossing te hebben.

Conclusie: in een doolhof moet je vooral gewoon zelf ronddwalen en dan maar hopen dat de ontwerper geen fan was fractals.

Aanvulling (24 november 2011):

Ik heb het grondplan op de foto nog eens goed vergeleken met een recente satellietfoto (via Google Maps) en er ontbreken nóg twee hagen. Tja, op die manier wordt het moeilijk om nog echt te verdwalen… Op de afbeelding hieronder heb ik de drie verschilpunten aangeduid met groene sterretjes. Ik vraag me af of er daar nooit haag heeft gestaan, of dat de haag op die plaats pas na verloop van tijd verwijderd is en waarom dan. Danny lanceerde de hypothese van een tuinman die het zat was om altijd om te moeten lopen. Ook lijkt het me leuk om een filmpje te zien van een haagdoolhof in de loop van de tijd: de haag wordt natuurlijk dikker en dunner in de loop van het jaar en lijkt te ‘ademen’, maar ook kan ik me zo voorstellen dat het oorspronkelijk ontwerp geleidelijk verloopt, doordat hoeken anders worden afgerond en dergelijke.

Marlborough Maze.

Satellietfoto van het Marlborough-doolhof: op de plaats van de groene sterretjes staat er geen haag, terwijl er daar wel een versperring wordt aangegeven op de plattegrond. De middelste haag zou weinig verschil maken, maar de twee andere zitten op cruciale plaatsen in het parcours. (Bron: Google Maps.)

En zo is jaren “Zoek de 8 fouten” spelen in de krant (op cartoons van Laplace) toch nog ergens goed voor gebleken. ;-)

De fysica van hemelsblauwe ogen

Bij mensen met een bleke oogkleur, kun je prachtig de structuur van de iris zien, zoals hier gefotografeerd door Suren Manvelyan.Als je al ooit iemand “hemelsblauwe ogen” hebt toegedicht, dan ben je geen bijster originele dichter, maar mogelijk wel een betere fysicus dan je zelf beseft!

Ogen worden soms “spiegels van de ziel” genoemd  en spiegelen doen ogen alleszins. Het laatste fotoraadsel was een detail van een oog, waarin je de Gentse Graslei weerspiegeld zag. Als je vlak voor iemand staat, kun je jezelf (verkleind) weerspiegeld zien in de ogen van die persoon, als een poppetje. Daar komt de uitdrukking “in de poppetjes van iemands ogen kijken” vandaan. Het Latijn voor pop is ‘pupil‘ en dat woord gebruiken we overdrachtelijk voor het donkere, middelste deel van het oog, waar we onze weerkaatsing ook het beste kunnen zien.

Vorige keer schreef ik dat je het oog als een bolle spiegel kunt beschrijven met klassieke optica. Daarbij vermeldde ik al dat  het oogoppervlak geen perfecte spiegel is, want je ziet tegelijk met de weerkaatsing ook iets van het oog zelf.  Vandaag stappen we dus dóór de spiegel en gaan we op zoek naar de oorsprong van de regenboog van onze ziel…

We zullen zowel fysica als biologie nodig hebben om een antwoord te geven op deze vragen:

  1. Waar komt onze oogkleur vandaan?
  2. Kunnen ouders die beiden blauwe ogen hebben, toch een kind krijgen dat bruine ogen heeft?
  3. Kun je je oogkleur permanent veranderen, met een pilletje of een operatie?

Wat je van buitenaf ziet van de oogbol is het oogwit en de oogappel. De oogappel bestaat uit de pupil en de iris. De pupil zie je als een zwarte stip, omdat dit een opening is waardoor je de donkere binnenkant van de oogbol ziet (het oog is een soort ‘camera obscura‘ of donkere kamer). De iris is het gekleurde deel rond de pupil; dit wordt ook het ‘regenboogvlies’ genoemd. Als we het hebben over iemands oogkleur, bedoelen we dus eigenlijk zijn of haar iriskleur. Mijn eigen irissen zijn nagenoeg perfect egaal donkerbruin. Dat vind ik jammer, want bij mensen met lichtere oogkleuren – zoals blauw, groen, of grijs – kun je meer structuur zien. Ook bestaat een lichtere iris vaak uit meerdere kleuren. Het fotoraadsel toont daar een voorbeeld van: je ziet in de iris een mengeling van geel en blauwgrijs, in een soort netachtige structuur.

Bij mensen met een bleke oogkleur, kun je prachtig de structuur van de iris zien, zoals hier gefotografeerd door Suren Manvelyan.De prachtige close-ups van Suren Manvelyan (theoretisch fysicus en fotograaf) laten de structuur in de iris zeer duidelijk zien. Dit doet me denken aan ouderwetse knikkers, waarbij er midden in het transparante glas gekleurde golfjes zitten. Als kind vroeg ik me af hoe ze die golfjes daarin kregen. Later besefte ik dat mijn vraag slecht geformuleerd was: de gekleurde structuren ontstaan immers samen met de rest van de knikker, tijdens het smeltproces van het glas. Bij het oog is de situatie vergelijkbaar: je moet al een beetje weten over hoe het oog is opgebouwd, voor je gerichte vragen kunt stellen over de kleur ervan. Tot voor kort dacht ik dat enkel het buitenste laagje rond de pupil een kleur heeft, of met andere woorden: dat de iris een heel dun laagje is, dat door en door dezelfde kleur heeft.

Laten we dus bij het begin beginnen: wat is de iris eigenlijk? De iris bevindt zich tussen het hoornvlies (het buitenste deel van het oog, waarin ik me al eens gesneden heb) en de interne ooglens (zie ook deze anatomische dwarsdoorsnede). De iris is een kringspier, die de pupil kan doen samentrekken of verwijden en daarmee dezelfde functie vervult als het diafragma in een camera. Eens je erbij stilstaat dat de iris een spier is, is het niet moeilijk om te beseffen dat dit orgaan – net als een knikker – een interne structuur heeft: vandaar de vezelachtige structuur die zichtbaar is in bleke ogen.

Dit brengt ons bij een voorlopig en onvolledig antwoord op de eerste vraag: oogkleur wordt bepaald door reflectie en verstrooiing van het omgevingslicht aan de structuur van de iris. Dat omgevingslicht een bijna even grote rol speelt als de eigenlijke kleur van de iris (zeg, bij wit licht), maakt dat vooral mensen met een lichte oogkleur hun schijnbare oogkleur kunnen beïnvloeden door make-up en de kleur van de kleren die ze dragen. Voor de rest van dit stukje zullen we uitgaan van de oogkleur bij wit licht.

Bij een grote meerderheid van de mensen bevatten huid en haren pigmenten; bij albino’s echter ontbreken deze pigmenten, waardoor ze een zeer bleke huid hebben en wit haar. Ook met hun ogen is er iets aan de hand: albino’s lijken rode ogen te hebben. Dit suggereert al dat bij mensen zonder albinisme, oogkleur beïnvloed wordt door de aanwezigheid van pigmenten in de iris. Deze pigmenten ontbreken bij een albino, waardoor je dwars door hun irissen het bloed in hun ogen kunt zien. Voor albino’s zelf is dit gebrek aan pigmenten in hun ogen overigens knap lastig: hun doorschijnende irissen houden nauwelijks licht tegen en kunnen hun functie als diafragma dan ook niet naar behoren vervullen. Hierdoor kunnen albino’s minder goed zien.

Bijna alle baby's worden geboren met blauwe ogen. Het is dus even wachten voor je te weten komt of het kind later dezelfde ogen als papa of mama zal hebben.Bij mensen die wel normaal gepigmenteerd zijn, wordt hun oogkleur bepaald door diverse pigmenten op achter- en voorzijde van de iris. Het belangrijkste pigment daarbij is het donkerbruine melanine (waarvan ik er duidelijk veel heb). Een iris met weinig pigment op de achterzijde, ziet er blauwgrijs uit. Deze kleur ontstaat door interne verstrooiing van het licht in de iris. Ook de meeste baby’s hebben blauwgrijze ogen, maar tijdens de eerste levensjaren kan er nog pigment bijkomen en pas dan wordt hun uiteindelijke oogkleur duidelijk. Met genetica kun je proberen te voorspellen welke kleur dit zal worden, zelfs vóór het kind geboren is, want oogkleur (datgene wat je ziet: het fenotype) is voor een groot deel genetisch bepaald (het genotype).

Je zou kunnen denken dat kinderen een oogkleur hebben die een mengeling is van de oogkleur van hun ouders, maar dit blijkt in de praktijk niet te kloppen: ouders die beiden bruine ogen hebben, kunnen bijvoorbeeld een kind krijgen dat blauwe ogen heeft. Van kleuren mengen is er dus geen sprake. Als er iets gemengd wordt, zijn het chromosomen. Genetica leert ons dat ieder van ons twee verschillende exemplaren heeft van zijn chromosomen en dat elke ouder één chromosoom per paar doorgeeft, waardoor het kind weer twee exemplaren van elk chromosoom heeft. Welk exemplaar van elk chromosoom doorgegeven wordt, wordt door toevallige omstandigheden bepaald. Enkele genen op die chromosomen bepalen de pigmentatie en dus ook de oogkleur. Welke genen een kind meekrijgt en hoe deze zullen samenspannen in het ontwikkelen van de oogkleur is niet met zekerheid te voorspellen, maar je kunt wel kansen berekenen.

Zelf heb ik op school geleerd dat het hebben van blauwe ogen een recessieve eigenschap is, terwijl bruin dominant is: beide ouders moeten het gen voor blauwe ogen doorgeven, anders krijgt het kind bruine ogen. Dit Mendeliaanse beeld komt weliswaar overeen met de vaststelling dat bruine ogen veel meer voorkomen dan blauwe, maar het stelt de zaken toch iets te eenvoudig voor. Meer dan 75% van het verschil tussen blauwe en bruine ogen wordt inderdaad veroorzaakt door één gen: OCA2 dat zich op chromosoom 15 bevindt. Meer dan 75% dus, maar geen 100%. Er spelen dus ook nog andere genen een rol bij het bepalen van oog- (en trouwens ook haar-) kleur. (Dit noemt men ‘polygeen’.)

Hiermee hebben we een antwoord op de tweede vraag: ja, ouders met blauwe ogen kunnen een kind krijgen met bruine ogen, maar de kans is wel erg klein. Overigens wordt het door wetenschappers mogelijk geacht dat het genetische signatuur voor blauwe ogen afstamt van één enkele voorouder bij wie deze variant zich spontaan ontwikkeld heeft; dit zou betekenen dat al onze voorouders vóór die tijd bruine ogen hadden. Saai, hè!

In de tijd dat ik nog aan DNA-sensoren werkte, deden we experimenten met SNPs (spreek uit als ‘snips’), wat staat voor “single-nucleotide polymorphisms” of puntedefecten in DNA: variaties waarbij de DNA-codes in slechts één letter van elkaar verschillen. Welnu, in 2009 hebben onderzoekers van de universiteit Rotterdam met experimenten aangetoond dat oogkleur in 90% van de gevallen te voorspellen is aan de hand van amper zes SNPs, op even zoveel genen.

Dit is de chemische structuur van het biomolecule eumelanine, het donkere oogpigment. (Bron van de afbeelding: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Eumelanine.svg)Na dit uitstapje naar de genetica, komen we terug bij de pigmenten die onze oogkleur bepalen. Pigmenten zijn kleurstoffen, die een bepaald deel van het spectrum absorberen en een deel reflecteren. De aard van de pigmenten, de plaats en de dichtheid waarmee ze in de iris voorkomen, bepalen samen de uiteindelijke oogkleur. Bij mensen gaat het vooral om twee soorten melanine – eumelanine dat bruin is en feomelanine dat geel is – terwijl er bij andere diersoorten ook andere pigmenten en dus ook andere oogkleuren voorkomen.

Deze pigmenten komen voor in het epitheel (achterzijde) en het stroma (voorzijde) van de iris. Wanneer enkel de achterzijde gepigmenteerd is, zal het oog grijs tot blauw lijken, doordat het invallende licht verstrooid wordt in de vezelachtige structuur van de iris. Wanneer ook de voorzijde een licht pigment bevat, kun je nog andere kleuren krijgen. Ogen die achteraan donker zijn en vooraan geel pigment bevatten, kunnen bijvoorbeeld groen lijken. In deze gevallen blijft de iris gedeeltelijk transparant en wordt de kleur mede bepaald door de dikte en de dichtheid van de vezels. Wanneer de voorzijde echter donker gepigmenteerd is, zoals bij mij, kan het licht niet in de iris doordringen. Een groot deel van het licht wordt meteen geabsorbeerd door de buitenste laag van de iris, met een zeer egale, bruine kleur als gevolg. (Zie ook deze link.)

Als de pigmenten ongelijkmatig verdeeld zijn, zullen er meerdere kleuren zichtbaar worden in hetzelfde oog. Vaak heeft de rand rond de pupil een andere kleur dan de buitenrand van de iris (zoals Danny’s oog in het fotoraadsel). Er kan ook één sector anders gekleurd zijn (dag Riet!) of de twee ogen kunnen totaal verschillende kleuren hebben. Dit heet ‘heterochromie’ en is vrij zeldzaam bij mensen, maar courant bij sommige dieren, waarbij dan altijd één oog blauw is (bij honden bijvoorbeeld bij huskies en border collies).

Door andere pigmenten toe te voegen, kun je het regenboogvlies van het oog in principe in eender welke kleur van de regenboog verven.Dan rest er ons nog het antwoord te zoeken op de derde en laatste vraag: kun je je oogkleur veranderen? In elk geval is het zo dat je oogkleur op verschillende manieren kan veranderen tijdens je leven. Ik schreef al dat de meeste baby’s bij de geboorte blauwgrijze ogen hebben, die – mede onder invloed van de zon – kunnen evolueren naar een andere kleur. Na het derde levensjaar staat de oogkleur in principe vast.

Net als de huid, kan ook de iris ook nog op latere leeftijd in de loop van het jaar van kleur veranderen en dit onder invloed van zonlicht. Net als de huid worden ook de ogen zo doorgaans bruiner in de zomer. (Ik zal hier eens op letten bij mezelf, maar het zou kunnen dat mijn bril UV-licht tegenhoudt, waardoor mijn ogen niet nog donkerder worden door de zon.) Het zou ook zo zijn dat iemand met groene ogen in de zomer bruine vlekken krijgt op de irissen; een soort sproeten dus. Bij blauwe ogen zou zonlicht voor een lichtbruine ring rond de pupil kunnen zorgen. In al deze gevallen keert in de winter de normale kleur terug.

Het hebben van twee verschillende kleuren ogen is meestal aangeboren (hetzij genetisch bepaald of een gevolg van een letsel tijdens de zwangerschap), maar heterochromie kan ook na verloop van tijd ontstaan door ziekte (van een ontsteking tot tumor) of letsel, onder andere door oogdruppels die gebruikt worden in de behandeling tegen glaucoom (groene staar). Als je oogkleur plots verandert zonder duidelijke reden, kun je best eens naar de oogarts gaan.

Op kortere termijn is het trouwens zo dat je oogkleur voortdurend (een beetje) verandert. Wanneer de iris samentrekt, worden immers ook de pigmenten in het oog samengedrukt; door deze stijging in de concentratie van de pigmenten, verandert je oogkleur dus ook (subtiel).

Stel nu dat je je oogkleur opzettelijk wenst te veranderen. Je kunt natuurlijk gekleurde lenzen proberen, als je tijdelijk een andere oogkleur wil hebben. Aangezien lichte kleuren zoals blauw of groen deels door optische effecten in de iris onstaan, lijkt het mij dat dit enkel overtuigend zal werken als je bruine ogen wil nabootsen. Er zijn ook permanente methodes, die zeker een overtuigend effect zullen hebben, maar die wel erg drastisch zijn! De website van “Improbable research” berichtte eerder deze maand over twee patenten voor het veranderen van oogkleur: je kunt kiezen uit ‘schrapen’ of ‘verven’. Bij de schraapmethode wordt er met een laser een deel van de pigmentlaag verwijderd. (Ik zou zo het bruine pigment aan de buitenkant van mijn ogen kunnen laten verwijderen om blauwe ogen over te houden.) Bij de verfmethode wordt een deel van het buitenste deel van het oog (dus niet de iris zelf) weggenomen, gedroogd, geverfd en teruggeplaatst. (Net als gekleurde lenzen, lijkt dit me vooral geschikt om lichte ogen donkerder te maken.)

Voor geen geld ter wereld zou ik mijn ogen zo laten ontkleuren of bijkleuren! Dan maar geen groene ogen. Veel minder erg zou ik het vinden om ooit een ig-Nobelprijs in de wacht te slepen. Het criterium voor deze prijzen van Improbable research is: “Onderzoek dat mensen eerst doet lachen en dan doet nadenken”. Volgens mij komt ons NAP-onderzoek wel in aanmerking, want wie neemt een wetenschappelijk artikel over oneindige loterijen nu volledig serieus? ;-)

Blauwe ogen en blauwe lucht ontstaan beide door verstrooiing van wit licht en dus niet door pigmenten.Als je van deze lange uitleg maar één ding onthoudt, laat het dan dit zijn: er bestaat bij mensen niet zoiets als “blauw oogpigment”. Het antwoord op de vraag waarom er toch blauwe (of grijze) ogen zijn, is vergelijkbaar met het antwoord op de vraag waarom de lucht blauw (of grijs) is: dit komt door Rayleighverstrooiing van het zonlicht, waarbij de langere golflengten van het lichtspectrum worden geabsorbeerd en de kortere worden verstrooid aan de luchtmoleculen. De structuren waar het licht in het oog aan wordt verstrooid, zijn groter dan luchtmoleculen; in dit geval spreekt men van Mieverstrooiing of het Tyndall-effect. Het blauw van blauwe ogen wordt dus veroorzaakt door de structuur van de iris, net als interferentiekleuren in dunne lagen.

Ook “groen oogpigment” bestaat bij mensen niet: groene ogen kun je – fysisch gesproken – nog het beste vergelijken met een blauwe hemel gezien door een gele zonnebril, maar een dichter kan hier vast een mooiere vergelijking voor bedenken. (Suggesties altijd welkom!)