Kleuren hebben een evolutief voordeel. Bontgekleurde verenpakken vertellen soortgenoten: kies mij, ik ben sterk, want ik heb energie over om kleuren te maken. Stilaan worden ook andere functionele voordelen van kleur duidelijk. Evolutiebioloog Michaël Nicolaï lichtte een tipje van de pluim op.
Tussen de kartonnen dozen gaat evolutiebioloog Michaël Nicolaï op zijn laptop op zoek naar een dia uit de presentatie voor zijn doctoraatsverdediging. Hij heeft zijn verdediging net achter de rug – met zelf georganiseerde receptie – en is sindsdien nog niet op kantoor geweest. Achter ons klinkt een vrolijk goedemorgen, in het Engels. Evolution and Optics of Nanostructures (EON) is een internationale onderzoeksgroep.
‘Ik heb hier de perfecte match gevonden. We delen allemaal dezelfde passie: kleur. Iedereen doet zijn onderzoek, maar we helpen elkaar en moedigen elkaar aan.’ Zelf kon Nicolaï twee passies combineren. ‘Ik ben al heel mijn leven geobsedeerd door dieren, dat heb ik van een van mijn grootvaders. Van de andere kant van de familie komt mijn obsessie voor kleur. Ik fotografeer ook en hou van abstracte foto’s.’
Kleur wordt heel vaak gevormd door melanine. ‘Melanine komt voor in celorganellen, melanosomen. Die blijven veel beter bewaard dan andere pigmenten. Sommige van mijn collega’s werken dan ook op fossielen en kunnen achterhalen hoe kleurrijk de dieren indertijd waren.’
Melanine is een heel divers pigment, met veel functies. Typisch en al tamelijk bekend zijn communicatie en camouflage, maar veel functies zijn nog onontgonnen wetenschapsterrein. Collega’s van Nicolaï werken bijvoorbeeld op de thermoregulerende eigenschappen van het pigment, en de onderzoeker zelf ontdekte dat melanine in vleugels van vogels een manier is om … beter te vliegen!
Vleugels in de windtunnel
‘Die functie van kleur is een compleet nieuwe ontdekking voor de biologie.’ Veel licht gekleurde vogels hebben zwarte of toch donkere vleugels. ‘Ingenieurs hadden al langer een vermoeden dat kleuren een effect hebben op de vliegefficiëntie. Een ingenieur in de VS vond dat donkere kleuren de vliegefficiëntie verhogen op basis van een model uit een aluminium plaat.’
Een aluminium plaat is nog geen vogelvleugel. Dus sloegen Michaël Nicolaï en zijn vrouw Sara Porchetta, ingenieur bij het Von Karman instituut, de handen ineen met Svana Rogalla, ook onderzoeker bij EON. ‘Svana had opgezette vogelvleugels uit een ander experiment. We hebben dan in de windtunnel uitgetest of donkere kleuren hetzelfde effect hebben bij echte vogelvleugels, en we zagen dat tot onze verrassing bevestigd.’
Het effect speelde nog bij 20 meter per seconde. ‘Dat is een behoorlijk hoge snelheid, en dat is spectaculair omdat het de snelheid is waaraan drones vliegen. Dus ook bij die toestellen zou kleur een grote rol kunnen spelen voor vliegefficiëntie.’
Daarmee was het onderzoek nog niet afgelopen. ‘Evolutie wéét niet dat dat effect aanwezig is. Dus moesten we nog bewijzen dat er een ontwikkelingsrichting bestond naar donkere vleugels.’ Sommige vogels, zoals albatrossen, hebben veel aanpassingen in functie van een vliegend leven. ‘Ze hebben een andere vleugelvorm, een andere lichaamsvorm, ze vliegen op een andere manier dan andere vogels. We wilden dus bewijzen dat donkere vleugels ook meer voorkomen bij die goede vliegers.’
‘Tot onze verrassing vonden we dat vleugels met donkere kleuren de vliegefficiëntie bij vogels verhogen’
De bioloog mat de kleur van de vleugels van 160 vogels in de collecties van het KBIN en het KMMA. ‘Dan berekenden we met een model hoe lang een vogelsoort kan vliegen zonder te landen, als een maat voor zijn vlieg-efficiëntie. Wat we vonden was: hoe langer de vogelsoort kon vliegen, hoe zwarter de vleugels waren.’
Zwarte vleugels zijn verschillende keren onafhankelijk van elkaar ontstaan. ‘Het enige wat die vogels met zwarte vleugels gemeenschappelijk hebben, is dat ze in hetzelfde milieu voorkomen. Albatrossen en meeuwen lijken misschien op elkaar, maar ze zijn genetisch niet verwant. Toch hebben in beide groepen de betere vliegers zwartere vleugels.’
Factor 50? Niet nodig
In het doctoraatsonderzoek van Nicolaï vormde kleur de rode draad. Verrassend resultaat van een ander hoofdstuk: sommige vogels hebben een donkere huidskleur onder hun veren. ‘We wisten al dat er kippen zijn met zwarte huid, en vroegen ons af of er nog zulke vogelsoorten bestonden.’
De bioloog begon de vogelcollecties van het KBIN te doorzoeken. ‘Die vogels liggen daar al 150 jaar en niemand heeft tot nu toe onder hun pluimen gekeken … Maar waarom zou je ook naar de huid van een vogel kijken als zijn veren zo mooi zijn?’
In het begin waren de vogels met donkere huid lastig te vinden. ‘Achteraf blijkt dat maar zo’n 5 procent van de vogels een zwarte huid heeft. Het duurde dus lang voor ik een regelmaat ontdekte. Maar bij vogels met witte veren en vogels zonder veren is er 50 procent kans dat hun huid zwart is.’
Melanine heeft bij die vogels dezelfde functie als bij mensen: beschermen tegen de zon. ‘Ze hebben geen veren die het licht absorberen, want witte veren hebben geen melanine. Een zwarte huid komt dan ook meer voor bij vogelsoorten die leven op plaatsen met meer zon. De relatie is significant en wordt verklaard door de uv-index.’
In een ander deel van zijn doctoraat onderzocht Nicolaï een klassiekere functie van kleur: communicatie. Aan de hand van een dataset over honingzuigers bewees de bioloog dat kleuren de soortvorming bij die dieren stimuleren. ‘Soorten honingzuigers verschillen enorm van uitzicht. Ze leven in dezelfde niche op dezelfde manier, en toch paren ze niet met elkaar.’
‘We ontdekten dat er een ware explosie van nieuwe soorten volgde telkens als een groep vogels andere kleurmechanismen ontwikkelde. Vogels met verschillende kleuren paarden gewoon niet meer met elkaar. Zo zijn er in dat gebied op maar 18 miljoen jaar tijd meer dan 150 soorten honingzuigers ontstaan.’
Michaël Nicolaï heeft voorlopig nog niet genoeg van kleur. Hij wil als postdoc onderzoeken wat de genetica achter iriserende kleuren bij vogels is. ‘Het wordt tijd dat ik een beetje meer focus op één thema. Al is dat niet gemakkelijk, want er valt nog zoveel te ontdekken over de biologie van kleuren.’
Michaël Nicolaï
Michaël Nicolaï behaalde maar liefst twee masters biologie: een aan de KU Leuven en een aan de VUB. Zijn liefde voor kleuren dreef hem naar de onderzoeksgroep Evolution and Optics of Nanostructures aan de UGent. Daar behaalde hij zijn doctoraat over de verschillende functies van melanine en hun drijvende kracht in de evolutie.
