Hoe het leven(de) zich handhaaft

Zelfregulering

Eén van de meest fundamentele eigenschappen van levende wezens - in het lijstje van levenskenmerken zelden genoemd - is de homeostase, het handhaven van de eigen structuren en activiteiten, ondanks allerlei veranderingen rondom. Een levend wezen is een zelfregulerend (ook wel genoemd: autopoietisch, ‘zichzelf makend’) systeem. Aan het nageslacht wordt niet alleen het DNA doorgegeven, maar ook het systeem, de organisatie, van de cel.

Elke eencellige is in staat om zijn eigen structuur te handhaven binnen veranderlijke uitwendige omstandigheden - ondanks het feit dat het een piepklein systeempje is.

Ook binnen meercelligen bezitten alle cellen dit type systemen; alleen zijn ze gespecialiseerd in bepaalde functies. Het geheel heeft dan  een sterke mate van homeostase. Het bekendst en zichtbaarst is de temperatuurregeling van ons lichaam, maar dat is slechts één van de vele systemen.

Dat een lichaam zich normaal handhaaft, gezond is, d.w.z. zijn homeostase handhaaft, zijn processen regelt, ondanks allerlei invloeden, vinden we zo normaal dat we er pas over gaan nadenken als ergens iets mis gaat met de homeostase; als de regeling niet meer klopt. Door onderzoek naar ziekten is men dan ook veel te weten gekomen over die regelingen. Zo heeft AIDS het onderzoek naar immuunprocessen een enorme stimulans gegeven en  heeft het kankeronderzoek veel informatie opgeleverd over groei en ontwikkeling – kanker is immers uit de hand gelopen groei.   

Onvoorspelbaarheid

Uniek voor levende systemen - in tegenstelling tot natuurkundige processen - is een zekere mate van onvoorspelbaarheid, individualiteit.

Fysische wetmatigheden gaan altijd op - althans dat was tot voor kort zo. In de moderne ‘micro’-fysica blijkt dat niet echt zo te zijn. De wetten der fysica gaan in normale omstandigheden altijd op, omdat men werkt met grote aantallen moleculen en gemiddeld klopt hun reactie met wat de wetenschap voorspelt. Als men echter gaat werken  met ‘losse’ deeltjes, blijkt het toeval ook hier een grote rol te spelen, waardoor onvoorspelbaarheid optreedt.

Deze ontdekking is voor fysici een verwarrende ervaring die hele nieuwe werelden opende. Voor biologen is het eigenlijk heel gewoon.

Als men bepaalde stoffen in een reageerbuis laat reageren, gebeurt dat volgens het boekje. Er zijn zo veel moleculen aanwezig, die in het medium tegen elkaar botsen en met elkaar reageren, dat de voorspelde reactie gegarandeerd optreedt.

Binnen de cel zijn van elk molecuultype vaak maar een paar exemplaren aanwezig. Als regel zal de juiste reactie optreden, maar de kans, dat dit niet gebeurt, is ook relatief groot. Het toeval speelt een veel grotere rol door de uiterst kleine schaal waarop de processen plaats vinden. Men spreekt dan van stochastische processen.

De rol van het toeval in levensprocessen is vermoedelijk groter dan men denkt of zou willen denken...

In de moderne biologie gaan we ervan uit dat alle functies van cellen berusten op geordende chemische processen binnen die cellen, die in elkaar grijpen als onderdelen van nauwkeurig geregelde systemen, die de hele cel omvatten. Bij meercelligen zijn die activiteiten ook nog eens ondergeschikt aan het organisme in zijn geheel. Dit betekent dat de cel voortdurend sturende invloeden van buiten ondergaat en zelf gedragsbepalende signalen naar andere cellen doet uitgaan. Dit systeem wordt geregeld vanuit het DNA.

We bezitten naar schatting 35 000 genen, daarvan zouden er enkele duizenden ‘regel­genen' zijn, waarvan een bepaalde combinatie nodig is om een gen ‘aan’ te zetten.

Overigens is heel veel op dit gebied nog volslagen onbekend. We weten bijvoorbeeld niet hoe gedrag erfelijk bepaald kan zijn – en in hoeverre dat het geval is.

De rol van het toeval

Samenhang van membraansystemen in een cel.

We hebben al gezien dat chemische reacties bij zeer kleine aantallen moleculen niet zo wetmatig verlopen als in de reageerbuis. De cel heeft wel een systeem ‘bedacht’ om de moleculen niet te veel door de cel te laten ‘zwerven’; de hele cel is door middel van membranen in compartimenten verdeeld, waarbinnen de processen plaatsvinden (denk aan mitochondriën en bladgroenkorrels enz.). Bovendien zitten veel moleculen vast op die membranen, in een soort lopende-band-systeem.

Maar desondanks spelen toevalsfactoren een redelijk grote rol. Hallet en Halling, twee Britse auteurs kwamen in 1989 tot de conclusie dat cellen tot op zekere hoogte aan kanseffecten zijn overgeleverd. Een zekere mate van onvoorspelbaarheid van individueel celgedrag is het onvermijdelijk gevolg van het feit dat de processen op uiterst kleine schaal plaatsvinden enerzijds, en het grote aantal verschillende chemische reacties die in een cel optreden anderzijds.

Dit heeft verstrekkende consequenties: we mogen ervan uitgaan dat biologische mechanismen geheel en al berusten op exacte fysische en chemische wetmatigheden en als zodanig in principe in chemische en fysische termen beschreven kunnen worden, maar tegelijk zijn ze ook onderworpen aan statistische wetten, wat betekent, dat bij de zeer kleine schaal waarop ze plaats vinden, het toeval een grote rol speelt.

Ziekte en gezondheid

Dit inzicht is belangrijk voor het beter begrijpen van allerlei aspecten van het leven, met name zaken als ziekte en gezondheid.

In het algemeen zullen de processen op de normale manier verlopen, omdat het toeval geen rol meer speelt als het gaat om miljoenen gelijksoortige cellen. Als het in een enkele cel anders gaat, heeft het als regel geen effect op het organisme als geheel. Er zijn echter enkele situaties waarin een toevallige fout in een enkele cel grote gevolgen heeft. Dit soort situatie heeft men met name aan het begin van het leven als het organisme nog slechts uit één of enkele cellen bestaat, waaruit het hele organisme zich zal ontwikkelen. Als er dan door toevalseffecten iets mis gaat, zal meestal de hele ontwikkeling vroeg of laat stoppen omdat vitale functies niet in orde zijn, maar soms zal er een misvormd kind ter wereld komen. De meest kwetsbare dagen zijn die voorafgaand aan  de innesteling. Men schat dat zo'n 60% van de bevruchte eicellen al voor de innesteling te gronde gaat, voor een deel door zulke toevallige fouten.

Ook in het volgroeide organisme kunnen deze stochastische elementen ten grondslag liggen aan onberekenbaar celgedrag. Met name bij het ontstaan van kanker kan het stochastisch ontstaan van de afwijkingen in de cel van cruciale betekenis zijn voor de mate van kwaadaardigheid.

Men moet dan ook tot de conclusie komen dat kanker niet altijd een oorzaak van buitenaf hoeft te hebben. We weten dat  straling, roken en blootstelling aan allerlei stoffen kanker kunnen veroorzaken, maar het kan ook vanzelf ontstaan.

Het stochastische karakter van biologische processen betekent dat het verloop van die processen nooit volledig voorspelbaar is.

Met andere woorden:

Het ontstaan van ziekten en afwijkingen is inherent aan het leven zelf.

Leven en lijden

D e mens heeft zich altijd bezig gehouden met de vraag van de betekenis van het lijden. Elke godsdienst en elke filosofie probeert de zin van het menselijk lijden te verklaren.

Arnold van der Hooff (emeritus-hoogleraar microbiologie) in ‘De schok der Biologie’:

'Naar mijn overtuiging heeft geen enkele filosofie en geen enkele godsdienst het probleem van het aan het menselijk bestaan inherente lijden in een zodanige context kunnen plaatsen dat een redelijk mens met enig werkelijkheidsbesef er vrede mee kan hebben.'

John Stuart Mill schreef over zijn vader:

"Hij vond het onmogelijk te geloven dat een wereld zo vol van lijden het werk kon zijn van een Schepper, die oneindige macht combineerde met volmaakte goedheid en rechtvaardigheid. Zijn gezond verstand versmaadde alle spitsvondigheden waarmee de mensen probeerden zichzelf zand in de ogen te strooien en daardoor blind te zijn voor deze niet te miskennen tegenstrijdigheid."

Het menselijk lijden, dat aan ons bestaan inherent lijkt, wordt meestal aan allerlei factoren toegeschreven. We denken aan natuurrampen en epidemieën. In het christendom wordt de nadruk gelegd op de ingeboren zondigheid van de mens. Maar als het ooit mogelijk zou zijn ons te beschermen tegen natuurrampen en de mens zo op te voeden dat hij de anderen geen kwaad doet, zelfs dan zou het lijden niet zijn uit te bannen. Het lijden is een wezenlijk onderdeel van het leven.

De indrukwekkende grootsheid van het leven heeft zijn keerzijde. Het leven is per definitie kwetsbaar. Niet altijd is er een oorzaak aan te wijzen als er iets misgaat. In onze tijd heeft men de neiging om overal de werking van de genen achter te zoeken, maar afwijkingen als aangeboren hartgebreken, open gehemelte, waterhoofd en syndroom van Down kunnen ook door volkomen toevallige minieme foutjes tijdens de vroege ontwikkeling ontstaan. Het zou zinnig zijn als dit meer nadrukkelijk werd gepubliceerd, want ouders hebben vaak de neiging zich schuldig te voelen over ‘fouten’ bij hun kind, of anders zijn er wel omstanders die proberen de ouders de schuld te geven.

Dit speelt een rol in de embryonale ontwikkeling: niet alleen afwijkingen, maar ook individuele verschillen zijn aan stochastische processen toe te schrijven: niet alleen is ieders DNA uniek, ook de ligging van de verbindingen in de hersenen bijvoorbeeld zijn uniek en voor een groot deel door toeval bepaald.

Wat is leven?

Nog nooit heeft iemand een bevredigend antwoord kunnen geven op de vraag wat leven is. We kunnen het levende beschrijven en hebben als regel geen enkele moeite om iets levends als zodanig te herkennen.

"Geen contrast is zo enorm als het contrast tussen wat leeft en wat niet leeft," zei Joseph Wood Kruch -  en dat zal (vrijwel) iedereen met hem eens zijn. Tot niet zo lang geleden - en voor veel mensen is het nog steeds zo - was het verschil eenvoudig: levende wezens (zeker mensen, vaak ook dieren) hebben een ziel en levenloze dingen niet. Of dieren en planten ook een ziel hebben, daarover verschilt men van mening. Bij het sterven verliet de ziel het lichaam  en deze verbleef voortaan ergens buiten het waarnemingsgebied van de nabestaanden en keerde daarna volgens een deel van de mensheid vroeg of laat terug in een nieuw lichaam.

Maar door de ontwikkeling van de natuurwetenschappen is dit voor veel mensen toch niet meer geloofwaardig; met de ontdekking dat levende stof onderhevig is aan alle fysische en chemische wetten en dat organische verbindingen ook in het laboratorium gemaakt kunnen worden. Tot begin 19^e eeuw meende men dat dit alleen kon door de ‘vis vitalis’ (= levenskracht). Langzamerhand werd de tegengestelde idee populair:

"Het menselijk lichaam is een uurwerk, een groot uurwerk, met vindingrijkheid en vaardigheid in elkaar gezet", aldus De Lamettrie in de 18^e eeuw. Ook iemand als Descartes dacht er zo over.

Veel mensen denken toch nog steeds dat er een soort levenskracht bestaat die voor het onderscheid verantwoordelijk is (vitalisme).

De niet-vitalistische kijk komt erop neer dat in de materie als zodanig iets aanwezig is dat de mogelijkheid tot leven geeft. Met name sedert de ontwikkeling van de kwantumtheorie heeft men ingezien dat de materie minder simpel in elkaar zit en niet uitsluitend mathematisch te voorspellen is. Een onstoffelijk beginsel dat nodig is voor leven zou dan ook al in de dode materie te vinden zijn en de tegenstelling levend/niet levend zou niet zo groot zijn.

Emergentie

Een derde denkrichting, die ook veel met homeostase te doen heeft en bij veel moderne onderzoekers en denkers in zwang is,  gaat ervan uit dat er geen afzonderlijke levenskracht bestaat, maar dat de specifieke structuur en organisatie van levende cellen en organismen ervoor zorgen dat het geheel meer is dan de som der delen. Dit is in veel gevallen duidelijk het geval. Dit is een min of meer ‘holistische’ opvatting volgens welke het leven een ‘emergentie’ zou zijn, een niet voorspelbare eigenschap die ontstaat als gevolg van de ordening van structuren.

Net zo goed als een volk meer is dan een verzameling individuen, is een verzameling cellen in een bepaalde structuur meer dan een optelsom van cellen: een organisme, dat tot veel meer in staat is.

Volgens Arthur Peacock:

"De allerbelangrijkste van de eigenschappen van de materie is dat ze, als ze op bepaalde manieren gestructureerd zijn, al die karakteristieken heeft, die we ‘leven’ noemen. Dit geldt ook voor menselijk leven."

De mogelijkheid van leven zou dus volgens Peacock en anderen al vanaf het begin van het universum in de materie zijn ‘ingebouwd’.

Holisme

Voor dit soort visie wordt de term ‘holisme’ gebruikt. Het is misschien goed dit begrip hier duidelijk te onderscheiden van die term zoals die tegenwoordig buiten de wetenschappelijke wereld nogal eens gebezigd wordt (met name door de ‘New Age’-aanhangers).

Om een organisme in al zijn functies te kunnen onderzoeken, moet men onderdelen, cellen, organen, weefsel enz. onderzoeken. Iedere onderzoeker weet dat losse cellen  niet gelijk zijn aan cellen in het levende geheel, maar we kunnen het levende geheel niet als zodanig onderzoeken.

‘Holistisch’ kan men een levend systeem nooit echt onderzoeken. Met moet dus om praktische redenen wel ‘reductionistisch’ te werk gaan en proberen zo het geheel te begrijpen.

Vanuit kringen buiten de wetenschap wordt vaak neergekeken op wetenschappers, omdat ze reductionistisch te werk zouden gaan; het holistische wereldbeeld zou alleenzaligmakend zijn.

Die "kitsch van het holisme" (Michel Korzec) ziet dan zaken als biologische kennis in combinatie met kosmologie, oosterse en westerse mystiek, ecologie, cultuurhistorie en zelfs kwantumfysica als één (warrig) geheel. Alternatieve geneeskundigen gebruiken ook graag de term holisme, omdat ze de ‘hele mens’ benaderen.

Door dit verwarrende taalgebruik kan men de term holisme in de biologie beter niet meer gebruiken, hoewel het idee van de eenheid van lichaam en geest, de eenheid van het organisme wel degelijk van belang is.

"De essentie van het leven is een subtiel samenspel van erfelijke informatie, biochemische reacties en structuren ter plaatse" aldus prof. dr. R. van Driel (biochemicus Universiteit van Amsterdam).

De levende cel

Het leven op aarde bestond gedurende drie miljard jaar alleen uit eencelligen. Daarna zijn er ook meercelligen, ontstaan, maar nog steeds bestaat het gros van de levenden op aarde uit microscopisch kleine wezentjes waarvan we door onze afmetingen niet zo erg goed op de hoogte zijn. Over de manier waarop eencelligen en cellen zich handhaven beginnen we nu toch wel het nodige te ontdekken.

Tot in de jaren zestig leerden we op school dat een cel bestond uit een "klompje protoplasma met een kern". Het woord protoplasma is inmiddels afgeschaft en we weten nu dat het ‘cytoplasma’, de levende inhoud van een cel, uitermate gestructureerd is. Het bestaat uit vele duidelijk gescheiden compartimenten waarin de processen zich afspelen. Die compartimenten zijn gescheiden door membranen en die membranen zijn heel wat meer dan eenvoudige vliesjes: veel processen spelen zich juist op en in die membranen af; de werkzame elementen liggen vaak in die membranen ingebed, zodat er zich complete lopende-band-systemen op kunnen afspelen. Verder bevatten de membranen allerlei pompjes die bepaalde moleculen van de ene naar de andere afdeling van de cel brengen of de cel in of uit pompen. Daarnaast bevat een cel een ‘skelet’ bestaande uit buisjes (microtubuli) en staafjes of draadjes (microfilamenten), dat allerlei zaken op zijn plaats houdt, of juist verplaatst en eventueel voor bewegingen van de cel als geheel zorgt.

Een statisch beeld van de celinhoud  klopt al evenmin: diverse compartimenten fuseren of vallen uiteen, worden door de cel vervoerd, nieuw opgebouwd of afgebroken. Dynamiek en (schijnbare) chaos beheersen het leven binnen de cel.

Met moderne technieken zoals fluorescentiemicroscopen en merkstoffen kan men verplaatsingen van individuele moleculen in de cel volgen en driedimensionale beeldjes maken van de structuren.

Waardoor wordt een gen op een zeker moment aan- of uitgeschakeld? Dit is een van de fundamentele vragen, die bijvoorbeeld ook hoort bij het probleem van soortverschillen: het erfelijk materiaal van mens en muis verschilt maar heel weinig. De toch vrij grote verschillen lijken vooral verklaard te moeten worden door het verschil in het tijdstip waarop diverse genen worden aan- en uitgeschakeld tijden de embryonale ontwikkeling.

Stukken DNA die niet functioneel zijn, zijn sterk samengepakt en ingepakt, en daardoor niet bereikbaar, kunnen dus niet afgelezen worden. Bepaalde genen (regelgenen) lijken de rol van schakelaar te spelen. Deze zijn bij alle onderzochte dieren vrijwel identiek, maar waarom en hoe ze aan- en uitgaan, is nog niet bekend.

De cel is een democratisch systeem en geen ‘DNA-dictatuur’

Zowel biologen als leken hebben tegenwoordig de neiging om alles wat er in cellen plaats vindt, toe te schrijven aan het DNA. Bij allerlei processen wordt de regeling aan een enkele factor (een gen of een eiwit) toegeschreven. In werkelijkheid is het veel ingewikkelder en moeten we de cel zien als een "complexe omgeving van in elkaar grijpende processen".

Deze omschrijving komt van prof. Westerhoff (microbioloog en mathematische biochemicus te Amsterdam). Hij is de grondlegger van de "Hiërarchische Controle Theorie", waarin de cel wordt beschreven als een soort democratische samenleving, waarin de verschillende eiwitten ‘macht’ hebben, d.w.z. dat ze de celactiviteiten mee sturen.

Samenwerkende gisten

B IJ ONDERZOEK AAN GISTCELLEN, die glucose omzetten in alcohol, ontdekten Westerhoff en zijn medewerkers dat de snelheid van het proces oscilleert en dat de frequentie daarvan niet afhankelijk is van een enkele factor, maar van een aantal factoren, die elk hun ‘inspraak’ hebben. Men dacht tot voor kort dat de snelheid van een proces altijd afhing van het traagst werkende enzym, de beperkende factor. Het blijkt dus ingewikkelder te zijn.

Onderzoek naar de activiteit van gisten bracht aan het licht dat deze niet constant is maar te fluctueert. Het vreemde was dat alle gistcellen gelijktijdig bleken te oscilleren. Ze communiceerden blijkbaar, wat men bij eencelligen niet zo direct zou verwachten. Door razendsnel monstertjes uit de kweekvloeistof te nemen, brachten onderzoekers aan het licht dat de concentratie aceetaldehyde in de vloeistof tussen de cellen ook oscilleert. Deze stof wordt blijkbaar uitgescheiden en waargenomen. Op de een of andere manier kunnen de cellen hun activiteit dan synchroniseren.

Volgens Westerhoff is het mogelijk dat dit gezamenlijk ritmische vergisten ook een nuttige functie heeft: in de natuur zitten de gisten samen met bacteriën en schimmels op overrijpe vruchten, waaruit geleidelijk glucose naar buiten sijpelt. Op het moment dat de gistcellen gezamenlijk topactiviteit vertonen, vangen ze alle glucose van dat moment weg. Daarna ligt hun activiteit even (20 tot 30 seconden) stil, terwijl het alcoholgehalte stijgt ("terwijl de gistcellen dronken worden"). De concurrenten hebben dan geen voedsel en leggen hun processen stil, tot het moment dat er weer meer glucose vrijkomt, maar dan zijn de gisten juist weer aan hun volgende activiteits-top toe en slurpen snel alle glucose op. De andere soorten worden hierdoor steeds op het verkeerde been gezet (net als ze weer kunnen opstarten, is de glucose alweer op) en komen om.

In biochemisch onderzoek is het kijken naar dergelijke ecologische aspecten van gebeurtenissen binnen de cel niet erg gebruikelijk. Dat een cel meer is dan een optelsom van afzonderlijke biochemische processen, is nog een opvatting (ook holistisch in zekere zin), waarop mensen als Westerhoff door anderen worden aangevallen.

De gedachte, dat een levend geheel meer is dan de delen, wekt bij sommige onderzoekers argwaan, omdat men er New-age-denkbeelden achter zoekt. Westerhoff bestrijdt dit en noemt het concept nu juist anti-metafysisch: door te zoeken naar de samenhangen, kan men juist aantonen dat er niets geheimzinnigs in het systeem hoeft te zitten.

Met moderne technieken kan men de weg van individuele moleculen in de cel volgen en de ruimtelijke verdeling binnen de cel onderzoeken. Hiermee wordt het mogelijk een indruk te krijgen van de samenhang van de verschillende processen.

Loes E. Pihlajamaa-Glimmerveen

Zie ook het artikel Antichaos en evolutie

en het artikel Chaos en fractals in de menselijke fysiologie