UGent

Wat is levende materie?

Auteur: Walter Verraes - emeritus hoogleraar biologie, Universiteit Gent

WAT IS LEVENDE MATERIE?

Bovenstaande vraag wordt zoals alles in alle natuurwetenschappen operationeel en zeker niet ontologisch behandeld. Het ‘is’ in de titel wordt dus in een experimentele context gedefinieerd; het hengelt niet naar het wezen van levende materie in ontologische zin.
Men heeft lang gedacht dat aan dode materie (allerlei soorten moleculen die in niets afwijken van de fundamentele fysico-chemische wetten) waaruit levende materie wordt opgebouwd iets moest worden toegevoegd zodat ze levend kon worden. Voorbijgestreefde concepten zoals ‘entelechie’ en ‘vis vitalis’ verwezen naar dit ‘iets’. Wat is levende materie dan eigenlijk, want bij analyse vindt men in organismen niets anders dan dode moleculen? Thans is men van mening dat de georganiseerde samenhang van op zich dode stoffen spontaan een werkzaam geheel vormt dat we ‘levend’ noemen. Over welke eigenschappen gaat het? De basale eigenschap van àlle levende materie is dat ze haar werkzame structuur slechts kan behouden wanneer ze energie van buitenuit capteert en deze transformeert tot eigen materie, met andere woorden wanneer er een metabolisme is. Elke molecule op zich hoeft geen externe energie te capteren en te spenderen zodat ze zichzelf in stand kan houden. Voor levende materie als een afgebakend systeem met een eindige hoeveelheid interne energie geldt dit echter wél, en daaruit volgt al meteen dat àlle levende materie bestaat uit noodzakelijk open systemen, waardoor een energieflux gaat. In vele gevallen dient bruikbare externe energie opgezocht te worden enerzijds, en dient voor destructieve energievormen gevlucht te worden anderzijds, met andere woorden de meeste levende materie vertoont veranderingen van lichaamsvorm en voortbeweging. Er is dus bij levende materie al een bruikbare vorm van externe energie nodig om zichzelf als organisatie in stand te houden. Wordt er méér energie opgenomen dan er nodig is voor het zich in stand houden, dan kan die tot meer eigen materie worden omgezet en is er sprake van groei. In de regel zal bij groei, waarbij de verhouding tussen oppervlakte en volume wijzigt, een ongunstiger verhouding (met betrekking tot diffusieverschijnselen langs het oppervlak) bereikt worden, die weer hersteld wordt doordat de cellen zich delen in twee dochtercellen, waardoor de eerdere verhouding tussen oppervlakte en volume in elke dochtercel weer gunstig wordt. Kristallen kunnen ook aangroeien, maar dat gebeurt door toevoeging van meer gelijksoortige roosters met altijd op dezelfde wijze zeer geordende atomen, waaraan geen diffusieprocessen te pas komen en geen delingsprocessen op gang worden gebracht die de verhouding tussen oppervlakte en volume weer herstellen. Celdeling (waarbij erg gelijkende kopieën gemaakt worden) is bij eencellige organismen de manier van vermenigvuldiging. Bij meercellige organismen zijn allerlei vormen van aseksuele en seksuele vermenigvuldiging ook een bij uitstek typerend kenmerk van de levende materie. Een laatste basale eigenschap van levende materie die we aanhalen, is dat de erg hoge graad van gestructureerdheid ervan niet eeuwig kàn behouden blijven: er treedt ondanks herstelmechanismen toch slijtage van de onderdelen op en cellen van weefsels vertonen een uiteindelijk gelimiteerd aantal celdelingen (niet bij kankercellen), wat we veroudering noemen? Finaal valt de georganiseerde levende materie uiteen tot moleculen, die op zich de voornoemde levenseigenschappen van hoge werkzame gestructureerdheid, metabolisme, beweging, groei en vermenigvuldiging niet meer vertonen. Zo valt de structuur van de levende materie uiteen zonder nog levenseigenschappen te vertonen en worden de macromoleculen tot eenvoudiger moleculen ontbonden. In feite volgen de eigenschappen die wij herkennen in lévende materie em>automatisch uit de fysico-chemische werkzaamheid van hun samenhang en wordt het levend zijn van minuut tot minuut tot stand gebracht (in de operationele definitie) als en door die fysico-chemische reacties van de constituerende moleculen [1]. Wanneer die reacties niet meer geolied genoeg verlopen, worden die levenseigenschappen en dus het levend zijn niet meer gerealiseerd. Van dan af is het organisme ‘dood’. Het levenseigenschappen vertonen (= levend zijn) van hoog georgansieerde moleculen is dus geen soort ‘secretie’ van die georganiseerde materie, die zelf geen materie meer is, het is de georganiseerde werkzame materie zelf [2]. Zo ook heeft tijdens de embryonale ontwikkeling op een bepaald moment een hart een dusdanige georganiseerdheid bereikt, dat dit spontaan begint samen te trekken (systole) en weer te ontspannen (diastole), zonder dat er iets speciaals dient aan te worden toegevoegd.
Uit voorgaande operationele benadering, die volstaat om heel de biologie te bedrijven, volgt dat virussen niet onder de operationele definitie van levende materie vallen, omdat ze geen metabolisme vertonen. Ze bevatten een beperkte set van moleculen die we ook in levende materie aantreffen (DNA, RNA, eiwitten) maar hun georganiseerdheid is zo beperkt dat er geen metabolisme optreedt. Wanneer ze binnendringen in een gastheercel, dan dwingen ze die (moleculair gesproken) om hun DNA (of RNA) en manteleiwitten te vermenigvuldigen, met andere woorden, ze maken als parasieten een dusdanig gebruik van de structuren en de metabolische machinerie van de gastheer dat deze hen vermenigvuldigt, ten koste van de gastheercellen. Er zijn vorsers die vermoeden dat virussen ooit als zelfstandige organismen alle levenseigenschappen vertoonden, maar dat ze er als parasieten een aantal verloren hebben, zodat ze niet meer alle eigenschappen vertonen die ons toelaten er de kwalificatie ‘levend’ aan te geven [3]

Een reeks moleculen zijn in staat zich zuiver op grond van hun fysico-chemische eigenschappen zo in de ruimte te ordenen, dat spontaan structuren ontstaan. Dit is het geval bij bouwstenen van levende materie én bij dode materie. Eerst twee voorbeelden uit de laatste categorie: die van kristallen en van benardcellen. Kristallen worden opgebouwd door atomen die zich op grond van hun fysico-chemische eigenschappen zeer geordend in een repetitief verband (in roosters) ten opzichte van elkaar postioneren wanneer de omgevingsfactoren hiervoor aanwezig zijn. Het zijn dode open geordende structuren die zonder metabolisme groeien wanneer nieuwe atomen worden aangevoerd. Er ontstaan hier dus uit wanorde spontaan zeer geordende structuren in een open systeem, zonder dat er van metabolisme sprake is. ‘Benardcellen’ zijn tijdelijke geordende structuren van watermoleculen die ontstaan wanneer een beker water onderaan heel langzaam wordt opgewarmd (toevoeging van energie). Watermoleculen met meer opgenomen energie vormen naast elkaar verticale zuiltjes van opstijgende moleculen, die meer en meer afkoelen naarmate ze aan het oppervlak komen. Dan keren de watermoleculen om het centrale zuiltje en zinken weer naar beneden. Die structuurtjes van centraal opstijgende zuiltes met daar rond dalende watermoleculen vormen tegen elkaar gelegen zeshoekige ‘cellen’. Deze vorm van spontane geordendheid is tijdelijk en gaat verloren wanneer er alsmaar meer warmteënergie wordt toegevoegd. Ook dit is weer een voorbeeld van het spontaan optreden van tijdelijke orde uit een voorafgaande toestand van meer wanorde.
Levende materie wordt ook gekenmerkt door het tijdelijk spontaan optreden van geordende structuren (celonderdelen, cellen, weefsels, organen, enzovoort). Elke cel wordt omgeven door een celmembraan. Dit is een dubbele rij van fosfolipiden (fosforzuurderivaten + een dubbele staart van lipiden). Wanneer men deze dode chemicaliën ongeordend in een petriplaatje brengt, gaan deze moleculecomplexen zich totaal spontaan ordenen tot een dubbele laag, langs de binnen- en buitenzijde begrensd door de fosformoleculen, met tussenin hun hydrofobe staarten naar elkaar toe. Deze aldus ontstane dubbellaag van fosfolipiden is niets anders dan het celmembraan van biologische cellen! We zien hier dus hoe het celmembraan van alle levende materie zich spontaan geordend vormt.
Ik leg hier de nadruk op het spontaan karakter met betrekking tot het optreden van ordening uit wanorde omdat dit ook in levende materie optreedt en schijnbaar in tegenspraak is met de tweede wet van de thermodynamica. Op grond van het voorgaande hebben creationisten vaak foutief opgeworpen dat de levende materie de wetten van de fysica overstijgt door af te wijken van de wetten van de thermodynamica, en ze hebben dit fictief argument aangehaald om te beweren dat de levende materie het gevolg moet zijn geweest van een buitennatuurlijke schepping. Laat me hier nog opmerken dat de tweede wet van de thermodynamica werd opgesteld voor gesloten systemen waarin geen energie wordt toe- of afgevoerd. Kristallen, benardcellen en celmembranen zijn voorbeelden van open systemen en daarop zijn de wetten met betrekking tot gesloten systemen eenvoudigweg niet van toepassing. Levende materie is dus dode tijdelijk geordende materie met een basaal metabolisme, die helemaal niet in strijd is met de tweede hoofdwet van de thermodynamica, omdat die hier niet geldt.

  1. Ik ontleen deze erg zinnige benadering aan P. Polk (2002, Biologie anders bekeken, VUB-Press, Brussel). In deze benadering valt de vraag wàt er met het levend zijn na de desintegratie (dood) gebeurt simpel weg.
  2. Dit is een operationele definitie zoals gebruikelijk in de natuurwetenschappen. Men definieert een elektrische lading als een operationeel concept, in tegenstelling tot metafysische ontologische bespiegelingen over ‘het wezen’ van de elektrische lading, die geen kennis opleveren.
  3. Organismen kunnen in bepaalde omstandigheden een gering (bijvoorbeeld bij winter- en zomerlethargie) tot zeer gering (bijvoorbeeld bij niet ontkiemde zaden en diepbevroren organismen) metabolisme vertonen.

Zie ookIs het ontstaan van leven wetenschappelijk verklaard?