Een cel is de basiseenheid van leven. Cellen kunnen onafhankelijk (eencellig) leven, of met elkaar. De wetenschap die bestudeerd hoe cellen werken, en samenwerken, heet celbiologie.
Hieronder staan de dia’s van de colleges waarin ik uitleg hoe cellen werken, en samenwerken.
De dia’s bevatten noodzakelijkerwijs slechts beperkte uitleg. Hieronder een uitgebreidere behandeling van een aantal zaken die het volgen van de cursus makkelijker maken. Ook staan er links voor zelfstudie.
Belangrijke concepten in de celbiologie:
Leven bestaat uit cellen. Een cel is de basiseenheid van leven. Cellen kunnen onafhankelijk (eencellig) leven, of met elkaar. De wetenschap die bestudeerd hoe cellen werken, en samenwerken, heet celbiologie.
Er zijn honderden soorten cellen, maar er is een belangrijke tweedeling. De Prokaryoten zijn relatief eenvoudig eencellig leven. Dit zijn de Bacteriën en Archaea. Eukaryoten zijn ingewikkelder en zijn het soort cellen dat efficënt kan samenwerken. Hoe Eukaryote cellen zijn opgebouwd zie je in dit filmpje:
Cellen zijn klein. Een cel is zo klein dat je die niet kunt zien, behalve met een microscoop. De meeste cellen zijn een honderdste millimeter (10-5m). Hoe klein cellen (en DNA en atomen) precies zijn zie je in dit filmpje: https://www.youtube.com/watch?reload=9&v=uaGEjrADGPA
Een eencellige moet klein zijn om efficiënt zijn energievoorziening te kunnen regelen via diffusie. Als eencellig leven te groot wordt krijgt het last van een ongunstige oppervlakte/inhoud ratio. Zodra een cel twee zo groot wordt (de diameter neemt toe met een factor 2), groeit het oppervlak met een factor 4, maar de inhoud met een factor 8. Dit heeft als nadeel dat er relatief minder oppervlak is om de inhoud van de benodigde energie en bouwstoffen te voorzien via diffusie (https://nl.wikipedia.org/wiki/Diffusie).
Diffusie kost geen energie omdat het gebruikt maakt van gradiënten die in de natuur voorkomen. Maar alleen op heel kleine schaal (millimeters) is diffusie efficiënt. Daarom zijn eencelligen altijd klein gebleven, en minder complex. De enige manier voor leven om zich verder te ontwikkelen is om cellen samen te laten werken. De fysica van diffusie is de reden dat jij niet 1 hele grote cel bent, maar een collectie van kleine cellen die samenwerken.
Bron. https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-1-cell-biology/11-introduction-to-cells/sa–vol-ratio.html
Het meeste leven op aarde bestaat uit 1 cel, wat betekent dat deze cellen in hun eentje alles moeten kunnen doen wat nodig is om te leven. En dat is nogal wat. Omdat deze kleine cel dus alles zelf moet doen blijft er weinig ruimte over voor ontwikkeling. Meercellig leven zoals mensen bestaan vaak uit miljarden cellen. Dit heeft als voordeel dat cellen zich kunnen specialiseren, bijvoorbeeld tot oog en hersencellen. Daarom kan jij dit nu lezen, en een bacterie niet. Samenwerking en specialisatie vormen de basis van complex leven. En op deze manier kan meercellig leven een geheel vormen dat meer is dan de som der delen. https://nl.wikipedia.org/wiki/Emergentie
Leven berust op (diepe) samenwerking. Eukaryote cellen kunnen dus met elkaar samenwerken en specialiseren, maar ook samenwerken met Prokaryoten. In onze darmen en op onze huid leven bacterien die belangrijke zaken voor ons regelen. Een heel bijzondere vorm van samenwerking zijn de mitochondriën, die je kunt vinden in elke cel. Mitochondriën zijn gespecialiseerde energie opwekkers, de energie centrales van Eukaryote cellen. Mitochondriën zijn overblijfselen van bacteriën die ooit samen zijn gaan werken met de eerste eukaryote cellen, honderden miljoenen jaren geleden. Zo kunnen ze leven op een veel hoger energieniveau en zo warmbloedig worden of grote hersenen ontwikkelen.(https://nl.wikipedia.org/wiki/Mitochondrion).
Complex Leven heeft mitochondrien. Mitochondriën zijn ook nog eens handig om het oppervlak/inhoud probleem gedeeltelijk op te lossen. Als de eukaryoot ervoor zorgt dat er voldoende suikers, Zuurstof en bouwstoffen in de omgeving van deze mitochondriën is kunnen zij, alsnog via diffusie, al die stoffen efficiënt opnemen en leveren zij de extra energie die de cel daarvoor nodig heeft, en meer. Zo kunnen Eukaryote cellen al veel groter worden dan bacteriën en zich nog makkelijker specialiseren, bijvoorbeeld tot hersencellen van soms wel een meter lang. Of tot long en bloedcellen die de zuurstof, suikers en bouwstoffen efficient door het hele lichaam kunnen transporteren.
Essentieel in dit hele verhaal is het gebruik van Zuurstof in de mitochondrien, waardoor er veel meer energie uit suiker (glucose) kan worden gehaald. https://nl.wikipedia.org/wiki/Oxidatieve_fosforylering
Het gebruik van Zuurstof levert alleen ook zuurstofradicalen op die bijdragen aan veroudering. Veroudering is dus, ten dele, een bijwerking van onze energetische levensstijl. Over mitochondriën, zuurstof en energie (en nog veel meer) gaat het werk van Nick Lane: https://nick-lane.net/
Eukaryote cellen zijn dus ook nog eens intracellulair (in de cel) gespecialiseerd. Een ander onderdeel in elke Eukaryote cel is de celkern, waar het DNA ligt. Eukaryoot betekent “echte kern”. Bij Prokaryoten ligt het DNA los in de cel. Daarnaast zijn er bij eukaryoten ook nog een hoop andere organellen met specifieke functies. Eukaryote cellen zijn dan ook flink groter dan Prokaryoten. Maar nog steeds klein, ook vanwege een andere reden.
Meercellig Leven heeft stamcellen. Een meercellig organisme als een mens bestaat uit honderden miljarden cellen die samenwerken. Naast specialisatie heeft dat nog een groot voordeel. Als er een onderdeel beschadigd raakt ruim je de beschadigde cellen op en maak je gewoon een paar nieuwe cellen. Op die manier kan het grotere samenwerkingsverband blijven functioneren. Het maken van nieuwe cellen gebeurt door stamcellen. Dit zijn cellen die nog volop kunnen delen, terwijl normale cellen dat vrijwel niet meer kunnen. https://nl.wikipedia.org/wiki/Stamcel
Source. https://stemcells.nih.gov/info/Regenerative_Medicine/2006Chapter2.htm
Cellen raken eigenlijk continu beschadigd, door zuurstofradicalen bijvoorbeeld maar ook door UV-straling en dergelijke. Maar de eigenlijke oorzaak is Entropie, een natuurverschijnsel waarbij ordening op termijn altijd vervalt in wanorde (https://nl.wikipedia.org/wiki/Entropie).
Stamcellen kunnen dit verval terugdraaien door de cellen die te veel beschadigd zijn te vervangen. Maar belangrijk hierbij is om te realiseren dat in een volledig ontwikkeld individu vervanging nooit volledig is, en ook nooit kan zijn. Alleen al omdat niet elk volwassen weefsel nog stamcellen heeft, zoals kraakbeen. En stamcelcapaciteit verminderd ook met leeftijd. Maar belangrijker is dat celdeling strikt gecontroleerd moet worden om kanker te voorkomen, https://nl.wikipedia.org/wiki/Kanker. 100% reparatie lukt alleen door een individu weer van de grond op te bouwen, wat gebeurt bij nieuwe generaties. Cumulatieve schade, minus wat wel gerepareerd kan worden noemen we veroudering.
NB. Dat cellen moeten samenwerken om iets als een mens te maken is overduidelijk. Maar er zijn ook aanwijzingen dat cellen met elkaar concurreren in een lichaam. Cellen eisen materialen op en ruimte, soms ten koste van naburige cellen. Samenwerking is dus noodzakelijk om iets te bereiken maar gaat niet vanzelf (iets dat ook bij het gedrag van mensen op lijkt te gaan). De rol van competitie is het meest duidelijk bij kanker, waar een kankercel het hele weefsel kan overgroeien. Mede hierom moet celgroei dus sterk worden gereguleerd. En daarom is volledige reparatie nooit mogelijk. Herstel en kankerpreventie moeten een uitgekiende balans vinden om lang leven mogelijk te maken. Maar oneindig leven is per definitie onmogelijk.
Incomplete reparatie van DNA leiden tot mutaties (https://nl.wikipedia.org/wiki/Mutatie). Deze zijn essentieel voor evolutie. Daarmee is 100% herstel, in ieder geval voor DNA, ook helemaal niet handig.
Leven is modulair. Nog een belangrijke reden waarom we niet uit 1 cel bestaan maar uit miljarden, is dat bij beschadiging het vrij eenvoudig is een cel te vervangen terwijl het weefsel kan blijven functioneren. Een mens is dus te repareren terwijl het blijft werken. Dit komt ook doordat elk weefsel meer functionaliteit heeft dan strikt noodzakelijk (redundancy). Het vervangen van beschadigd materiaal gebeurt niet alleen op celniveau. Ook de eiwitten en het DNA in cellen worden al vervangen na beschadiging. En pas als dat niet meer voldoende is (dit is ook nooit 100% efficiënt) wordt de hele cel vervangen. Ook in een cel wordt dus van alles continu vervangen. Op atoom niveau besta je na een paar jaar ook uit totaal nieuwe onderdelen. Dit geld overigens ook voor de hersenen, en voor je DNA. Zeker een lang levend organisme als de mens is dus een verzameling cellen en atomen dat continu veranderd.
Na verloop van tijd bestaat een organisme zoals een mens uit totaal nieuwe cellen/atomen. Je kunt je dan afvragen of een mens dan nog wel dezelfde mens is als alle onderdelen een keer zijn vervangen. Deze paradox staat bekend als het Schip van Theseus (https://nl.wikipedia.org/wiki/Schip_van_Theseus). Een oplossing van deze paradox is de aanname dat leven een emergent systeem is van materiele onderdelen die samenwerken.
Belangrijk om te realiseren is dat het individu ook een vervangingsniveau is, net als atomen en cellen. Individuen die te veel beschadigd zijn worden vervangen door nieuwe. Dit heet generatiewisseling (https://nl.wikipedia.org/wiki/Generatiewisseling). Dit vervangingsniveau is essentieel voor een goed functionerend systeem van het leven. Ook omdat er met elke nieuwe generatie kleine aanpassingen gemaakt kunnen worden die ons helpen om te gaan met veranderende omstandigheden, via evolutie (https://nl.wikipedia.org/wiki/Evolutie). Jij bent dus noodzakelijkerwijs een tijdelijke verzameling atomen en cellen.
Leven is informatie. Om te weten waar nieuwe atomen en cellen in je lichaam terecht moeten komen is informatie nodig. De informatie bepaalt welke fysieke onderdelen waar komen. Het informatiesysteem van het leven bestaat vooral uit DNA (https://nl.wikipedia.org/wiki/Desoxyribonucle%C3%AFnezuur). Wat informatie eigenlijk is en het belang van informatietechnologie voor het manipuleren van leven bespreek ik in de cursus biotechnologie.
Het doorgeven van informatie naar volgende generaties gebeurt via 1 enkele cel; een heel speciale. Een bevruchte eicel is een stamcel waar het DNA zodanig wordt behandeld dat het maar heel beperkt de beschadigingen (Entropie) van de ouders meedraagt naar de volgende generatie. Daarom kan een volgende generatie weer grotendeels opnieuw beginnen. De gegevens die wel worden doorgegeven zijn een paar mutaties en epigenetische modificaties (https://nl.wikipedia.org/wiki/Epigenetica ). Maar mutaties zorgen juist voor evolutie, op de langere termijn. Epigenetische modificaties voor evolutie op kortere termijn. Via epigenetische modificaties kan ook beperkte informatie over ervaringen van de ouder doorgegeven worden.
Epigenetica werkt via RNA, met name microRNA’s. Naast DNA is er dus nog een ander belangrijk informatiesysteem. RNA is meer dan alleen maar een tussenvorm van DNA om informatie om te zetten in eiwitten (https://nl.wikipedia.org/wiki/Ribonucle%C3%AFnezuur). Veel levensvormen, waaronder virussen, hebben zelfs helemaal geen DNA, maar wel RNA.
NB Het netwerk van onze hersencellen is een andere belangrijke bron van Informatie. Deze informatie wordt doorgegeven via taal (cultuur).
Leven werkt via eiwitten. Elke levensvorm bestaat naast informatie (DNA/RNA, cutuur) uit eiwitten. Dit zijn de structuren die uiteindelijk iets doen in een cel en daarbuiten, en een lichaam bouwen en onderhouden. Eiwitten (https://nl.wikipedia.org/wiki/Prote%C3%AFne) geven een fysieke structuur aan levensvormen, maar deze zijn dus onderhevig aan Entropie. Informatie niet (voor zover we weten). Dit is de reden dat elke vorm van leven twee systemen naast elkaar heeft, informatie en eiwitten. Dit maakt het lastig om ons voor te stellen hoe leven heeft kunnen ontstaan. Beide systemen zijn ingewikkeld en moeten zich tegelijkertijd hebben ontwikkeld. En beide systemen zijn op een totaal andere manier georganiseerd. Ook hier speelt RNA een sleutelrol. RNA kan zowel informatie bevatten als iets bouwen (https://nl.wikipedia.org/wiki/RNA-wereld)
De mens (en eigenlijk elke levensvorm) bestaat dus uit twee onderdelen; een fysiek systeem gebaseerd op eiwitten en een informatiesysteem. Door nu vrijwel alleen informatie over te dragen van generatie op generatie vormt fysieke degradatie (Entropie) ineens geen belemmering meer. Generatiewisseling is dus essentieel voor het vitaal houden van het systeem van het leven, op de langere termijn. Alleen de informatie wordt door gegeven waardoor elke nieuwe generatie fris van start kan in het gevecht tegen Entropie. Het feit dat leven ook informatie is, is de ontsnappingsclausule die het leven gevonden heeft om in “deep time” (nu al 4 miljard jaar) te kunnen blijven bestaan (https://en.wikipedia.org/wiki/Deep_time).
Leven wil voortbestaan. Generatiewisseling biedt dus ook de mogelijkheid tot Evolutie. Kleine veranderingen (mutaties) en recombinatie van het DNA via seksuele voortplanting (Meiose) leiden tot nieuwe eigenschappen (https://nl.wikipedia.org/wiki/Meiose). Maar dan moeten die generaties er wel eerst komen. Dit betekent voor de mens dat hij of zij eerst een tijd moet overleven voor hij of zij in staat is om zich voort te planten. Iedereen zonder een sterk overlevingsinstinct zal zijn informatie niet door kunnen geven. Zo zorgt evolutie ervoor dat we allemaal willen blijven leven, zelfs nog nadat we ons al lang hebben voortgeplant. Dit geeft sociale en psychische problemen. Vervanging is essentieel maar we willen niet vervangen worden, omdat we noodzakelijkerwijs bang zijn voor de dood.
Maar in het systeem van het leven worden alle fysieke onderdelen op termijn vervangen, ook individuen. Een mens is een noodgedwongen tijdelijke verzameling cellen en atomen. Individueel leven is dus per definitie tijdelijk. Alleen daardoor kan het systeem van het leven uiteindelijk blijven bestaan. Zo heeft het leven een systeem ontwikkeld dat werkt, maar niet perse gelukkig maakt.
Leven is symbiotisch. Elke (eukaryote) cel is een samenwerkingsverband tussen verschillende levensvormen. In het cytoplasma zitten mitochondriën, en in het DNA zitten allerlei virale elementen (https://nl.wikipedia.org/wiki/Springend_gen) die belangrijke zaken regelen. En zonder de bacteriën op onze huid en in onze darmen zouden we niet (gezond) kunnen leven. En zonder planten geen Zuurstof of voeding. En zonder schimmels geen afbraak en recycling. Wij zijn een onderdeel van een web van leven. Een mens is dus geen op zichzelf staand (monolithisch) fenomeen. Dit is ook in de tijd zo. Wij zijn voor ons bestaan afhankelijk van onze voorouders, net als onze nakomelingen van ons afhankelijk zijn (generatiewisseling). Wij zijn een schakel in een lange ketting in de tijd, en daarmee onderdeel van een web in 4 dimensies. In dit web hangt alles met elkaar samen, en heeft alles elkaar nodig.
Bij de cursus Celbiologie gebruik ik het boek Molecular & cell biology for Dummies (auteur: Rene Fester Kratz) met daarin nog meer (technische) informatie over hoe cellen precies werken.
Hoe we leven kunnen manipuleren vertel ik in de vervolgcursus Biotechnologie. Hierbij krijgt u in 8 colleges inzicht in de technische mogelijkheden zoals gentherapie (CRISPR), stamceltherapie, synthetische biologie, cybernetica en leg ik uit hoe het wetenschappelijke literatuur werkt. In deze cursus ook mijn uitgebreide antwoord op hoe we denken dat leven is ontstaan, en wat het leven eigenlijk is.
Hoe ons afweersysteem werkt vertel ik in de vervolgcursus Immunologie. Hierbij krijgt u in 5 colleges uitgebreide informatie over allergieën, auto-immuniteit, immunotherapie tegen kanker, virussen en vaccins. Ook ga ik uitgebreid in op COVID-19, met zowel de technische als de maatschappelijke kant van de pandemie.
Dr. R. Licht, Goirle, 2025