De wiskundeknobbel van planten

Planten houden zich aan wiskundige regels; dit concluderen milieuwetenschappers van de Universiteit Utrecht. Het aantal, de grootte en de vorm van de huidmondjes in bladeren blijken zich aan wiskundige schalingsrelaties te houden. Planten maken op deze manier zo efficiënt mogelijk gebruik van het bladoppervlak voor het binnenlaten van CO2 en het verdampen van water. Het onderzoek verscheen onlangs online bij het hoog aangeschreven vakblad New Phytologist.

Ondanks dat bladeren van planten sterk variëren sterk in vorm en afmeting is hun functie vrijwel altijd hetzelfde: het opvangen van licht en CO2 voor fotosynthese, en het aanvoeren van water voor transpiratie. Voor deze functies moet het bladoppervlak poreus zijn voor CO2 en waterdamp. Hiervoor hebben bladeren hele kleine poriën in het oppervlak: de huidmondjes.

Miscroscoopopname van de huidmondjes van de Libanonceder (400x)
Miscroscoopopname van de huidmondjes van de Libanonceder (1000x)

Kleiner is beter

Geowetenschapper Hugo de Boer onderzoekt hoe planten hun fotosynthese en verdamping kunnen aanpassen aan veranderingen in het klimaat en stijgende CO2-concentraties. “De combinatie van de grootte, het aantal en de vorm van de huidmondjes bepaalt in belangrijke mate hoeveel CO2 een blad kan binnenlaten voor fotosynthese en hoeveel water verdampt. Het ontrafelen van algemene relaties tussen deze eigenschappen zal ons helpen bij het beter inschatten van hoeveel CO2 planten op wereldschaal kunnen opnemen, en hoeveel water er verdampt", vertelt hij. “We hebben meer dan duizend plantensoorten geanalyseerd, en zagen dat de combinatie van de grootte, het aantal en de vorm van de huidmondjes is te verklaren vanuit twee eenvoudige principes. Ten eerste blijkt uit de evolutionaire geschiedenis van planten dat de hoeveelheid CO2 en waterdamp die het bladoppervlak kan doorlaten is toegenomen. Hierdoor werden planten productiever en beter bestand tegen omstandigheden die een grote verdamping vereisen.”

“En ten tweede is het bladoppervlak dat aan huidmondjes wordt besteed door de evolutie heen afgenomen”, vervolgt De Boer. “Hoewel dit tegenstrijdig met elkaar lijkt, is dit mogelijk doordat planten een toename van het aantal huidmondjes heel slim combineren met een afname van de grootte. Kleinere huidmondjes zijn minder diep en kunnen daardoor relatief gemakkelijker CO2 en waterdamp doorlaten dan grote huidmondjes.”

Planten combineren heel slim een toename van het aantal huidmondjes met een afname in grootte ervan.

Slimme planten

De Boer en zijn collega’s baseren hun conclusies op twee wiskundige schalingsrelaties. Ze brengen zo zowel het aantal en de grootte van de huidmondjes met elkaar in verband, als de grootte van de cellen rondom de huidmondjes (zie foto) en de grootte van de poriën.

De combinatie van deze schalingsrelaties bepaalt of het bladoppervlak efficiënt aan huidmondjes wordt besteed of niet. Met wiskundige modellen deden de onderzoekers een voorspelling voor de meest efficiënte en slimme combinatie van eigenschappen die zowel de doorlatendheid van het blad voor CO2 en waterdamp vergroot en het totale oppervlak van huidmondjes beperkt. Vervolgens brachten ze de evolutionaire ontwikkeling van de huidmondjes in kaart en vergeleken het deze theoretisch meest slimme combinatie van eigenschappen.

Bij de analyse sprong de groep bedektzadigen in het oog. Deze plantengroep kenmerkt zich door de huidige hoge dichtheid van zeer kleine huidmondjes. Deze combinatie van eigenschappen maakt het meest efficiënt gebruik van de beschikbare ruimte op het blad, wat mogelijk heeft bijgedragen aan het evolutionaire succes van deze plantengroep.

Publicatie

Hugo J. de Boer, Charles A. Price, Friederike Wagner-Cremer, Stefan C. Dekker, Peter J. Franks, Erik J. Veneklaas, Optimal allocation of leaf epidermal area for gas exchange, New Phytologist, DOI: 10.1111/nph.13929

Sustainability Universiteit Utrecht

Door haar expertise op het gebied van Sustainability te bundelen, ontwikkelt de Universiteit Utrecht integrale oplossingen voor duurzaamheidsvraagstukken en draagt zij bij aan een betere toekomst voor volgende generaties. Dit thema verbindt het excellente Utrechtse duurzaamheidsonderzoek uit de alfa-, bèta- en gammawetenschappen. De focus ligt op water, energie en een gezonde leefomgeving. Sustainability is een van de vier strategische onderzoeksthema’s van de Universiteit Utrecht.

Meer informatie over het onderzoeksthema Sustainability

Meer informatie
Dr. Hugo de Boer