Leven | in de biologie

Samenvatting

Levende dingen, of organismen, kunnen worden uitgelegd als open systemen. Ze veranderen altijd, omdat ze materialen en informatie uitwisselen met hun omgeving. Zij ondergaan een metabolisme, handhaven homeostase, bezitten een vermogen om te groeien, reageren op prikkels en planten zich voort.

Door natuurlijke selectie passen zij zich in opeenvolgende generaties aan hun omgeving aan. Complexere levende organismen kunnen op verschillende manieren communiceren. Op aarde komen vele levensvormen voor. De gemeenschappelijke eigenschappen van deze organismen - planten, dieren, schimmels, protisten, archaea en bacteriën - zijn een op koolstof en water gebaseerde celvorm met een complexe organisatie en erfelijke genetische informatie.

De systemen waaruit het leven bestaat, hebben vele organisatieniveaus. Van klein naar groot zijn dat: molecuul, cel, weefsel (groep cellen met een gemeenschappelijk doel), orgaan (deel van het lichaam met een doel), orgaansysteem (groep organen die samenwerken), organisme, populatie (groep organismen van dezelfde soort), gemeenschap (alle organismen die in een gebied samenwerken), ecosysteem (alle organismen in een gebied en de niet-levende omgeving), en biosfeer (alle delen van de aarde waar leven is).

Momenteel is de aarde de enige planeet waarover de mens gedetailleerde informatie heeft. De vraag of er elders in het heelal leven bestaat, is open. Er zijn een aantal beweringen gedaan over leven elders in het heelal. Geen daarvan is tot nu toe bevestigd. Het beste bewijs voor leven buiten de aarde zijn nucleïnezuren die zijn gevonden in bepaalde soorten meteorieten.

 

Definities

Eén verklaring van het leven wordt de celtheorie genoemd. De celtheorie heeft drie basispunten: alle levende dingen bestaan uit cellen. De cel is het kleinste levende ding dat alle dingen kan doen die nodig zijn voor het leven. Alle cellen moeten voortkomen uit reeds bestaande cellen.

Men zegt vaak dat iets leeft als het:

• groeit,
• neemt voedsel op, gebruikt het voedsel voor energie en voert afvalstoffen af (zie metabolisme),
• beweegt: het moet ofwel zelf bewegen, ofwel beweging in zichzelf hebben,
• plant zich voort, hetzij seksueel (met een ander levend wezen), hetzij ongeslachtelijk, door kopieën van zichzelf te maken,
• reageert op zijn omgeving,
• functies

Niet alle levende wezens voldoen echter aan elk punt van deze lijst.

• Ezels kunnen zich niet voortplanten, en werkmieren evenmin.
• Virussen en sporen zijn pas actief in leven (metaboliseren) als de omstandigheden goed zijn.

Ze voldoen echter wel aan de biochemische definities: ze zijn gemaakt van dezelfde soort chemicaliën.

De thermodynamische definitie van leven is elk systeem dat zijn entropie onder het maximum kan houden (gewoonlijk door aanpassing en mutaties).

Een moderne benadering

Een moderne definitie werd gegeven door Humberto Maturana en Francisco Varela in 1980, waaraan zij de naam autopoiese gaven:

1. De productie van hun eigen onderdelen
2. De juiste montage van deze onderdelen
3. Voortdurende reparatie en onderhoud van hun eigen bestaan.

Roth merkte op: "Kortom, organismen zijn zelfreproducerende en zelfonderhoudende, of 'autopoietische' systemen". Deze benadering maakt gebruik van moleculair-biologische ideeën en systeemwetenschappelijke ideeën.

 

Wat het leven nodig heeft

Scheikunde

Het leven op aarde bestaat uit organische verbindingen - moleculen die koolstof bevatten. Vier soorten langketenige moleculen (macromoleculen) zijn belangrijk: koolhydraten, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren.

• Enkelvoudige koolhydraten (suikers) worden gebruikt voor energie, of als bouwsteen. Complexe koolhydraten, zoals zetmeel en cellulose, kunnen energie lang vasthouden. Ze worden ook gebruikt om een sterke structuur te maken, zoals een plantenstengel.
• Lipiden kunnen isolatie zijn om een levend wezen warm te houden, zoals vet op een pinguïn, of om water tegen te houden, zoals waterdichte veren. Alle celmembranen bestaan uit twee lagen fosfolid (een soort lipide). Sommige soorten lipiden zijn hormonen, die boodschappen van de ene cel naar de andere sturen.
• Eiwitten, lange ketens van aminozuren, hebben vele doelen. Ze vouwen zich in complexe vormen doordat hun aminozuren op elkaar inwerken. Eiwitten zijn betrokken bij veel chemische reacties, zodat deze sneller verlopen.
• Nucleïnezuren, waaronder DNA en RNA, zijn lange ketens van nucleotiden. Er zijn slechts vier soorten nucleotiden in elke keten, maar zij vormen de instructies voor het leven, zoals een taal. Elke drie nucleotiden vertellen de cel om één aminozuur te maken. Eén deel van een nucleïnezuur is de code voor één eiwitmolecuul.

Bijna alle levende wezens hebben de chemische elementen koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof, zwavel en fosfor nodig om deze macromoleculen te bouwen. Levende wezens hebben ook kleine hoeveelheden van andere elementen, sporenelementen genoemd, nodig. Water is een zeer belangrijk onderdeel van alle levende wezens. Mensen bestaan bijvoorbeeld voor tweederde uit water. Water is een oplosmiddel dat moleculen laat mengen en reageren met andere moleculen.

Energiebronnen

Alle levende wezens hebben energie nodig om te overleven, te bewegen, te groeien en zich voort te planten. Sommige kunnen energie uit de omgeving halen zonder hulp van andere levende wezens: deze worden producenten of autotrofen genoemd. Planten, algen en sommige bacteriën, een groep producenten die foto-autotrofen worden genoemd, gebruiken het zonlicht voor energie. Wanneer producenten licht gebruiken om organische verbindingen te maken en op te slaan, wordt dit fotosynthese genoemd. Sommige andere producenten, chemo-autotrofen genaamd, halen energie uit chemicaliën die in hydrothermale bronnen uit de oceaanbodem komen. Andere levende wezens halen hun energie uit organische verbindingen: deze worden consumenten of heterotrofen genoemd. Dieren, schimmels, de meeste bacteriën en de meeste protisten zijn consumenten. Consumenten kunnen andere levende dingen of dood materiaal eten.

Zowel producenten als consumenten moeten organische verbindingen afbreken om energie vrij te maken. De beste manier om dit te doen is aërobe ademhaling, waarbij de meeste energie vrijkomt, maar levende wezens kunnen alleen aërobe ademhaling uitvoeren als ze zuurstof (O2) hebben. Ze kunnen deze verbindingen ook afbreken zonder zuurstof, door middel van anaërobe ademhaling of fermentatie.

 

Cellen

Alle levende wezens hebben cellen. Elke cel heeft een celmembraan aan de buitenkant, en een geleiachtig materiaal dat de binnenkant vult, het zogenaamde cytoplasma. Het membraan is belangrijk omdat het de chemische stoffen binnen en buiten scheidt. Sommige moleculen kunnen het membraan passeren, maar andere niet. Levende cellen hebben genen, gemaakt van DNA. Genen zeggen de cel wat hij moet doen, als een taal. Een DNA-molecuul met veel genen wordt een chromosoom genoemd. Cellen kunnen zichzelf kopiëren om twee nieuwe cellen te maken.

Er zijn twee hoofdsoorten cellen: prokaryote en eukaryote. Prokaryote cellen hebben slechts enkele onderdelen. Hun DNA heeft de vorm van een cirkel, in het cytoplasma, en ze hebben geen membranen in de cel. Eukaryote cellen zijn complexer, en hebben een celkern. Het DNA zit in de kern, en rond de kern zit een membraan. Eukaryote cellen hebben ook andere onderdelen, organellen genaamd. Sommige van deze andere organellen hebben ook een membraan.

 

Soorten leven

Taxonomie is de manier waarop levensvormen in groepen worden ingedeeld. De kleinere groepen zijn nauwer verwant, maar de grotere klassen zijn verder van elkaar verwijderd. De niveaus, of rangen, van de taxonomie zijn domein, koninkrijk, phylum, klasse, orde, familie, geslacht en soort. Er bestaan veel ideeën over de betekenis van soorten. Eén idee, dat het biologische soortenconcept wordt genoemd, luidt als volgt. Een soort is een groep levende wezens die met elkaar kunnen paren, en waarvan de kinderen hun eigen kinderen kunnen maken.

Taxonomie heeft tot doel levende wezens met een gemeenschappelijke voorouder te groeperen. Dat kan nu door hun DNA te vergelijken. Oorspronkelijk gebeurde dat door hun anatomie te vergelijken.

De drie levensdomeinen zijn Bacteriën, Archea en Eukarya. Bacteriën en archaea zijn prokaryoten en hebben slechts één cel. Bacteriën variëren in grootte van 0,15 kubieke micrometer (Mycoplasma) tot 200.000.000 kubieke micrometer (Thiomargarita namibiensis). Bacteriën hebben vormen die nuttig zijn bij de classificatie, zoals rond, lang en dun, en spiraalvormig. Sommige bacteriën veroorzaken ziekten. Bacteriën in onze darmen maken deel uit van onze darmflora. Zij breken een deel van ons voedsel af. Zowel bacteriën als archaea kunnen leven waar grotere levensvormen niet kunnen leven. Bacteriën hebben een molecuul genaamd peptidoglycaan in hun celwand, maar archaea niet. Archaea hebben een molecuul genaamd isopreen in hun celmembraan, maar bacteriën niet.

Eukarya zijn levende wezens met eukaryote cellen, en ze kunnen één cel of vele cellen hebben. De meeste eukaryoten gebruiken seksuele voortplanting om nieuwe kopieën van zichzelf te maken. Bij seksuele voortplanting voegen twee geslachtscellen, één van elke ouder, zich samen om een nieuw levend wezen te maken.

Planten zijn eukaryoten die het licht van de zon gebruiken voor energie. Ze omvatten algen, die in water leven, en landplanten. Alle landplanten hebben tijdens hun levenscyclus twee vormen, de zogenaamde generatiewisseling. De ene vorm is diploïd, waarbij de cellen twee kopieën van hun chromosomen hebben, en de andere vorm is haploïd, waarbij de cellen één kopie van hun chromosomen hebben. Bij landplanten hebben zowel de diploïde als de haploïde vorm veel cellen. Twee soorten landplanten zijn vaatplanten en bryofyten. Vaatplanten hebben lange weefsels die zich uitstrekken van einde tot einde van de plant. Deze weefsels vervoeren water en voedsel. De meeste planten hebben wortels en bladeren.

Dieren zijn eukaryoten met veel cellen, die geen stijve celwanden hebben. Alle dieren zijn consumenten: ze overleven door ander organisch materiaal te eten. Bijna alle dieren hebben neuronen, een signaalsysteem. Ze hebben meestal spieren, die het lichaam doen bewegen. Veel dieren hebben een kop en poten. De meeste dieren zijn mannelijk of vrouwelijk. Ze hebben een partner van het andere geslacht nodig om nakomelingen te maken. Geslachtscellen van het mannetje en het vrouwtje kunnen elkaar in of buiten het lichaam ontmoeten.

Schimmels zijn eukaryoten die één cel kunnen hebben, zoals gisten, of vele cellen, zoals paddenstoelen. Het zijn saprofyten. Schimmels breken levend of dood materiaal af, het zijn dus afbrekers. Alleen schimmels en enkele bacteriën kunnen lignine en cellulose, twee bestanddelen van hout, afbreken. Sommige schimmels zijn mycorrhiza. Zij leven onder de grond en geven voedingsstoffen aan planten, zoals stikstof en fosfor. Eukaryoten die geen planten, dieren of schimmels zijn, worden protisten genoemd. De meeste protisten leven in water.

 

Evolutie

In de loop van duizenden of miljoenen jaren kunnen levende wezens veranderen door het proces van evolutie. Eén soort evolutie is wanneer een soort in de loop der tijd verandert, zoals giraffen die een langere nek krijgen. Meestal is de soort dan beter aangepast aan zijn omgeving, een proces dat aanpassing heet. Evolutie kan er ook toe leiden dat een groep levende wezens zich in twee groepen splitst. Dit wordt speciatie genoemd als daardoor een nieuwe soort ontstaat. Een voorbeeld zijn de spotvogels op de Galapagoseilanden: op elk eiland leeft een soort spotvogel, maar alle soorten splitsen zich af van een gemeenschappelijke voorouder. Grotere groepen dan soorten kunnen zich ook afsplitsen van een gedeelde voorouder - bijvoorbeeld reptielen en zoogdieren. Een groep levende wezens en hun gemeenschappelijke voorouder wordt een clade genoemd.

Levende wezens kunnen evolueren om heel anders te worden dan hun voorouders. Daardoor kunnen ook lichaamsdelen veranderen. Dezelfde botstructuur werd de handen van mensen, de hoeven van paarden en de vleugels van vogels. Verschillende lichaamsdelen die uit hetzelfde zijn geëvolueerd worden homoloog genoemd.

Uitsterven is wanneer alle leden van een soort sterven. Ongeveer 99,9% van alle soorten die ooit hebben geleefd zijn uitgestorven. Uitsterven kan op elk moment gebeuren, maar het komt vaker voor in bepaalde tijdsperioden die uitsterven genoemd worden. De meest recente was 65 miljoen jaar geleden, toen de dinosauriërs uitstierven.

Oorsprong van het leven

Door fossielen en DNA te vergelijken, weten we dat al het huidige leven op aarde een gemeenschappelijke voorouder had, de zogenaamde laatste universele gemeenschappelijke voorouder (LUCA). Andere levende wezens kunnen tegelijk met de LUCA in leven zijn geweest, maar zij stierven uit. Een studie uit 2018 suggereert dat het LUCA ongeveer 4,5 miljard (4.500.000.000) jaar oud is, bijna net zo oud als de aarde. Het oudste fossiele bewijs van leven is ongeveer 3,5 miljard jaar oud.

Hoe is niet-levend materiaal levend geworden? Dat is een moeilijke vraag. De eerste stap moet het ontstaan van organische verbindingen zijn geweest. In 1953 maakte het Miller-Urey experiment met behulp van warmte en energie anorganische verbindingen tot organische verbindingen, zoals aminozuren.

Het leven heeft een energiebron nodig voor chemische reacties. Op de vroege aarde had de atmosfeer geen zuurstof. Oxidatie met behulp van de Krebs-cyclus, die tegenwoordig gebruikelijk is, was niet mogelijk. De Krebs-cyclus kan omgekeerd hebben gewerkt, door reductie in plaats van oxidatie, en de cyclus kan grotere moleculen hebben gemaakt. Om leven te maken, moesten moleculen kopieën van zichzelf maken. DNA en RNA maken kopieën van zichzelf, maar alleen als er een katalysator is - een verbinding die de chemische reactie versnelt. Men denkt dat RNA zelf als katalysator diende. Ooit werden de moleculen omgeven door membranen, waardoor cellen ontstonden.

 

Galerij van beelden van het leven

 

 

Gerelateerde pagina's

• Kunstmatig leven
• Biologie
• Geboorte
• Dood
• Vroegst bekende levensvormen
• Evolutie
• Levensboom