Elke herfst ondergaan de bladeren van loofbomen een dramatische kleurverandering voordat ze hun nieuwe tinten verliezen, vervagen naar bruin en sterven. Het proces kan weken duren, maar Owen Reiser, student wiskunde en biologie aan de Southern Illinois University Edwardsville, wilde de bladeren binnen enkele seconden zien veranderen. "Ik volgde een veldbiologieles en we leerden over loofbomen", zegt hij. "Ik ben al een tijdje bezig met natuurfotografie en time-lapse en ik kon geen time-lapse vinden van bladeren die van kleur veranderden, dus ik ging er gewoon voor."
In de loop van zes weken nam Reiser meer dan 6000 close-upfoto's van bladeren in zijn zelfgemaakte time-lapse-studio, inclusief een macrolens en een camera die hij op eBay had gekocht, een LED-lamp van $ 10 en een batterij die de camera toestaat continu lopen. "Het is [eigenlijk] een kartonnen doos en een hoop ducttape, maar het lukt wel", zegt hij.
Reiser verzamelde bladeren van acht verschillende loofbomen, soorten zoals sassafras en suikeresdoorn die jaarlijks hun gebladerte afwerpen, en nam een foto van elke één om de 30 tot 60 seconden voor maximaal drie dagen. Door duizenden afbeeldingen samen te voegen tot één video, onthulde hij een scène met veranderende bladeren die veel levendiger is dan een typische herfstfoto. In de time-lapse-video sijpelt de kleur door elk blad als kleurstof die zich door de stof verspreidt en de dynamische innerlijke werking van de planten onthult terwijl ze transformeren.
David Lee, emeritus hoogleraar in de biologische wetenschappen aan de Florida International University en auteur van Nature's Palette: The Science of Plant Color , zegt dat hij nog nooit een video als Reiser heeft gezien. "De kleur zelfs op een individueel blad varieert enorm, en dit toont die verandering in de tijd."
Ondanks de populariteit van herfstbladeren, is de wetenschap achter de veranderende bladeren niet algemeen bekend. "Elke herfst schrijven mensen over kleurverandering, en meestal staan de artikelen vol met allerlei fouten, " zegt Lee. Een van de grootste misvattingen is dat rode en gele bladeren op dezelfde manier veranderen, terwijl ze eigenlijk totaal verschillende processen ondergaan.
De gele bladeren van planten zoals toverhazelaar volgen een traditionele leerboekverklaring voor kleurverandering: De afbraak van groene fotosynthetische pigmenten genaamd chlorofylen onthult de gele pigmenten, of carotenoïden, die zich eronder verbergen. (Carotenoïden zijn hetzelfde type pigment dat pompoenen en wortels hun verschillende tinten geeft.) Terwijl de bladeren weg blijven verspillen, produceren ze tannines en worden bruin.
Door een microscoop gezien, is chlorofyl geconcentreerd in het plantenleven in structuren die chloroplasten worden genoemd. (Kristian Peters - Fabelfroh via Wikicommons onder CC BY-SA 3.0) Aan de andere kant zijn de meeste rode tinten, zoals die in rode eiken, afkomstig van een pigment dat anthocyanine wordt genoemd en dat wordt geproduceerd als het blad sterft. "Mensen beweren dat de rode kleur [ook] een ontmaskering is van de afbraak van chlorofyl, en dat is gewoon verkeerd, " zegt Lee. "De rode kleur wordt eigenlijk gemaakt wanneer het chlorofyl begint af te breken - er is een synthese van die pigmenten, dus het is iets heel anders."
Hoewel wetenschappers weten hoe rode pigmenten worden gemaakt, weten ze nog steeds niet waarom. Volgens Lee zijn er twee dominante hypothesen. Evolutionair bioloog William Hamilton suggereerde dat kleur wordt gebruikt om planten te beschermen tegen herbivorie, omdat rode tinten insecten kunnen doen denken dat een blad giftig of ongezond is, waardoor insecten worden ontmoedigd zich eraan te voeden of hun eieren daar te leggen.
De dominante overtuiging die door tuinbouwer Bill Hoch populair wordt gemaakt, is dat rode pigmenten fotobescherming bieden wanneer het blad kwetsbaar is, vooral in fel licht en lage temperaturen wanneer planten niet zo efficiënt fotosynthetiseren. Anthocyanen helpen het blad te beschermen door overtollig licht te absorberen bij golflengten die niet worden gebruikt voor fotosynthese, zoals het groene deel van het zichtbare spectrum. Ze fungeren ook als antioxidanten en beschermen het blad tegen giftige bijproducten die worden gemaakt wanneer chlorofyl afbreekt tijdens veroudering.
De synthese van anthocyanen kan ook verklaren waarom de snel uitbreidende kleurvlekken in de tijdspanne van Reiser niet uniform zijn, omdat de blootstelling aan temperatuur en licht over het bladoppervlak drastisch kan variëren, wat mogelijk de lokale productie van het pigment kan beïnvloeden.
Maar waarom zou een plant de evolutionaire problemen doorstaan van het beschermen van een blad dat voorbestemd is om te sterven? "Het voordeel voor de plant is dat de bladeren die afbreken efficiënter stikstof uit de afbrekende eiwitten kunnen verwijderen en de stikstof terug naar de plant kunnen transporteren, hetzij in de grote ledematen of zelfs in het wortelstelsel, " Lee zegt. Stikstof is een essentiële voedingsstof voor fotosynthese en groei, dus het teruggeven van zoveel mogelijk naar de boom voordat een blad valt, zorgt ervoor dat de plant goed gevuld is voor de cyclus van volgend jaar.
Hoewel de wetenschap van kleurverandering nog steeds in mysterie is gehuld, denkt Lee dat het zowel onderzoekers als nieuwsgierige waarnemers zal blijven fascineren voor de komende herfst. 'Het lijkt op onze panda. Het is iets dat echt veel aandacht trekt voor de plantenwereld in vergelijking met de dierenwereld ”, zegt hij. “Een vreemde kleur is iets dat we allemaal opmerken.” Met werk zoals de video van Reiser kunnen we de veranderende bladeren nu vanuit een nieuw perspectief bekijken, nieuwe vragen scherp stellen en de puzzel van het steeds evoluerende palet van de natuur vergroten.
