Hoorcollege 32 & 33 – Cellen
Er zijn een aantal subgebieden van de microbiologie. Bij microbiologie worden de volgende
organismen bestudeerd:
• Bacteriën/Archaea - bacteriologie
• Schimmels - mycologie
• Virussen - virologie
• Protozoën – parasitologie
De vakgebied microbiologie is gestart met de ontdekking van micro-organismen. Micro-organismen
zijn voor het eerst beschreven door Antoni van Leeuwenhoek (woonde in Delft). In 1684 heeft hij
over zijn ontdekking van micro-organismen een verhaaltje gepubliceerd.
Hij heeft deze micro-organismen ontdekt met behulp van zijn microscoop. Normaal gesproken nam
hij samples uit de natuur (tandplak, slootjes) en die samples bekeek hij onder het lensje van zijn
microscoop. Dat lensje vergrootte een paar honderd keer. Met behulp van zijn lensje zag hij allerlei
structuurtjes. Die observatie heeft hij beschreven en gepubliceerd in een blad in Engeland. Die
structuurtjes, die door Van Leeuwenhoek ‘kleine diertjes’ genoemd werden, bleken later bacteriën te
zijn.
De microscoop van Van Leeuwenhoek was best goed ontwikkeld. Tegenwoordig wordt er bij samples
die worden bekeken onder een lichtmicroscoop, kleuring gebruikt, maar Van Leeuwenhoek kon
natuurlijk geen kleuring gebruiken. Hij moest het dus doen met de contrastverschillen die aanwezig
waren in de cellen zoals ze gevonden werden in de natuur.
Van Leeuwenhoek is geëerd vanwege zijn ontdekking van micro-organismen. Er is een medaille
gemaakt die gewonnen kan worden door mensen die een belangrijke bijdrage leveren op het gebied
van de microbiologie en die iedere tien jaar uitgereikt wordt.
In de 18e/19e eeuw ontstond een tweestrijd omtrent het ontstaan van leven: ontstaat leven spontaan
(spontane generatie) of zijn stoffelijke deeltjes verantwoordelijk voor het ontstaan van leven?
Aanhangers van de ‘spontane generatie’-theorie hadden het volgende argument: als je voedsel een
tijdje laat staan, bederft dat voedsel en gaan er allerlei micro-organismen op groeien. Zij stelden dat
die micro-organismen die onder de microscoop waar te nemen waren op dat bedorven voedsel, niet
zomaar (in die hoeveelheid) in de lucht terug te vinden waren. Zij zeiden daarom dat die micro-
organismen daar spontaan waren ontstaan.
De aanhangers van de ‘stoffelijke deeltjes’-theorie stelden het volgende: die micro-organismen zijn al
aanwezig en komen op het voedsel terecht en zorgen dan voor het bederven van het voedsel.
Deze discussie is tot een halt geroepen door een experiment van Louis Pasteur.
Louis Pasteur heeft experimenten ontwikkeld waarmee hij kon laten zien dat leven niet spontaan
ontstond. Hij begon met een aantal observaties:
• De micro-organismen komen voor in de lucht (dit was al aangetoond vóór zijn experimenten)
• De samenstelling van micro-organismen uit de lucht verschilde niet zoveel van de
samenstelling van de micro-organismen op bedorven voedsel (hierbij vond men wel degelijk
aanwijzingen dat voedselbederf ontstond door micro-organismen uit de lucht, maar echte
bewijzen waren nog niet gevonden)
Louis Pasteur maakte bij zijn experimenten gebruik van een eerder aangetoonde conclusie:
Bouillon is een rijk medium waar allerlei componenten in zitten die micro-organismen gebruiken voor
hun groei. Als bouillon lang wordt verhit en vervolgens in een dichte bol wordt weggezet, blijft
bouillon helder. Dit was al een aanwijzing dat leven niet spontaan kon ontstaan. Maar tegenstanders
,zeiden het volgende: die bol met bouillon is afgesloten van de lucht en die lucht is nodig om leven te
kunnen laten ontstaan. Volgens hen bevatte lucht de levensadem.
Met behulp van het gegeven dat bouillon helder bleef als het werd verhit en in een afgesloten bol
werd gedaan, heeft Pasteur een serie experimenten ontwikkeld:
Hij begon met een bol, waarin hij een kweekmedium (bouillon) deed. Op de bol zette hij een
zwanenhals. Als er dan in de lucht stoffelijke deeltjes (waar hij ook micro-organismen onder
schaarde) zitten, zouden die stoffelijke deeltjes ook in de zwanenhals terecht kunnen komen en zich
verzamelen in de eerste bocht van de zwanenhals. De lucht met de ‘levensadem’ die nodig zou zijn
voor de groei van leven in de bouillon, kon vrij passeren door de zwanenhals. Vervolgens is alles
gesteriliseerd door verhitting. Nadat de bol met de bouillon een tijdje verhit was, liet Pasteur dit een
tijdje staan. De bol met bouillon bleef dan helder, ondanks dat de bol in open verbinding stond met
de lucht. Dat was een belangrijke aanwijzing dat er wel degelijk deeltjes uit de lucht in het medium
terecht moesten komen om daar groei te veroorzaken en dat leven niet spontaan kon ontstaan.
Maar er moest nog wel een controle-experiment uitgevoerd worden. Er moest namelijk nog wel
bewezen worden dat die bouillon groei van micro-organismen/leven mogelijk maakte. Dat deed
Pasteur door de bouillon even in contact te brengen met de stofdeeltjes die zich hadden opgehoopt
in de bocht van de zwanenhals. Als daar inderdaad micro-organismen zouden zitten, dan komen die
in de bouillon terecht. Als hij dan de bouillon liet staan, werd de bouillon troebel. Die vertroebeling
wordt veroorzaakt doordat er micro-organismen in de bouillon groeien.
Met dit controle-experiment toonde Pasteur aan dat micro-organismen zich in de bocht van de
zwanenhals verzamelden, net zoals stofdeeltjes dat doen, en dat leven niet spontaan kon ontstaan.
Op zich heeft Pasteur met zijn experimenten geluk gehad. Hij had namelijk die bouillon gewoon
verhit door te koken, maar tegenwoordig is bekend dat er micro-organismen bestaan die hitte-
resistent zijn. Deze micro-organismen vormen dan sporen. Die sporen zorgen ervoor dat de bacterie
niet gedood wordt door de hitte en die kunnen best 20 minuten bij 100 graden Celsius overleven. Als
die sporen in die bouillon aanwezig waren geweest en de bouillon was verhit, waren er wel een
aantal sporen afgestorven, maar lang niet allemaal. En die paar overgebleven sporen zijn genoeg om
groei te veroorzaken. Dan was het experiment van Pasteur niet zo doorslaggevend geweest en
Pasteur had dan niet kunnen bewijzen dat er geen spontane generatie van leven kon optreden.
Geologen, archeologen en astronomen hebben een model ontwikkeld waarin wordt beschreven hoe
de aarde, het zonnestelsel, etc. zijn ontstaan. Dit is de Big Bang theorie. 50 miljard jaar geleden is er
een enorme explosie geweest, waarbij materie is ontstaan. Dit leidde tot het ontstaan van het
zonnestelsel. Rond 4 miljard jaar geleden is de aarde ontstaan. Op basis van analyse van fossielen uit
de oudste aardlagen is men erop uitgekomen dat rond 3,5 miljard jaar geleden de eerste micro-
organismen op de aarde aanwezig waren. Deze analyses waren voornamelijk analyses van bepaalde
gesteenten, stromatolieten genaamd. In deze gesteenten zitten afzettingen die met
elektronenmicroscopen bekeken zijn. De structuren die toen in de gesteenten aangetroffen werden,
lijken heel erg op hedendaagse cyanobacteriën. Er zijn wel veel discussies over de theorieën die op
basis van die waarnemingen ontwikkeld zijn. Recent zijn er weer afzettingsgebieden elders op de
aarde gevonden die ook rond 3,5 miljard jaar oud zijn. Ook daar zijn fossiele resten gevonden van
micro-organismen. Men gaat er daarom vanuit dat rond 3,5 miljard jaar geleden de eerste micro-
organismen op aarde voorkwamen. Het idee is dat er vanaf toen ontwikkeling is geweest van
organismen op aarde richting planten, dieren, mensen zoals we die vandaag de dag kennen.
Er is een hypothese ontwikkeld – de vier stadia hypothese – die in vier stappen verklaart hoe leven
op aarde is ontstaan.
In eerste instantie was er dus een jonge aarde, waarop allerlei gassen aanwezig waren (ammoniak,
koolstofdioxide). Deze gassen komen ook voor op allerlei andere planeten in het heelal. Men denkt
, dat deze gassen gereageerd hebben met elkaar tot kleine organische moleculen en dat die reacties
hebben plaatsgevonden onder invloed van energie, licht en katalyses in de oersoep (→ eerste stap:
Abiotische synthese kleine organische
moleculen; energie en anorganische moleculen/oersoep).
De tweede stap is de vorming van polymeren uit de kleine organische moleculen. Die polymeren
krijgen vervolgens eigenschappen die zelf-replicerend zijn. Die zelf-replicatie is essentieel voor leven
(RNA, DNA!). Er wordt gedacht dat RNA eerder is ontstaan dan DNA. RNA is net als DNA drager van
de erfelijke informatie, maar RNA kan ook enzymatisch actief zijn (ribozymen!). Die
combinatiefunctie van RNA maakt dat men denkt dat RNA ontstaan is vóór DNA.
Uiteindelijk is er een grote soep van allerlei moleculen ontstaan en daarin is de vorming van de
protobiont begonnen. De protobiont was de eerste levensvorm, de oercel. Het was niet meer dan
een ingekapseld geheel van een soort primitieve cel met een membraan met daarbinnenin allemaal
moleculen. Binnen die membraan konden toch allerlei processen verlopen (→ tweede stap: Vorming
polymeren uit kleine organische
moleculen; katalyse via klei-zand-hete steen; derde stap: Vorming zelf-replicerende moleculen; eerst RNA
daarna naar DNA wereld; vierde stap: Vorming protobiont; eerste levensvorm, moleculen in waterdruppel
omgeven door membraan).
Er zijn argumenten voor de verschillende stappen van de vier stadia hypothese.
Er zijn bijvoorbeeld argumenten dat de vorming van de kleine organische moleculen ook echt kon
plaatsvinden in de atmosfeer van de jonge aarde. Zo bevatte de jonge aarde geen zuurstof in de
atmosfeer. Zuurstof is nogal reactief en destructief voor organische moleculen. Dus de afwezigheid
van zuurstof zou al een gunstige factor zijn voor het ontstaan van organische moleculen. Daarnaast
waren er op de jonge aarde voldoende vulkanische dampen waarin de bronnen liggen waarlangs de
organische moleculen kunnen ontstaan en waarin de gassen (koolstofdioxide, methaan, stikstof) die
met elkaar reageren, zich bevinden. Voor de reacties van de vorming van organische moleculen is
energie nodig. Die energie zou geleverd kunnen worden door UV-straling. Aangezien er geen ozon
aanwezig was op de jonge aarde (er was daar immers geen zuurstof aanwezig, dus er werd ook geen
ozon gevormd), kwam de UV-straling van de zon veel gemakkelijker op het aardoppervlak en
daarmee was er een hogere energiedosis op het aardoppervlak. Deze hogere energiedosis kon
gebruikt worden om bepaalde reacties te laten verlopen.
Daarnaast had de jonge zon in die tijd een hogere UV-intensiteit, waardoor de UV-intensiteit op de
jonge aarde ook veel hoger was.
Anderzijds kan ook bliksem voor ontladingen van energie hebben gezorgd, waardoor de reacties
konden verlopen.
Vanuit de vorming van kleine organische moleculen is het proces naar grotere moleculen naar
complexe moleculen naar replicerende moleculen naar de protobiont in gang gezet.
Er zijn experimenten waarbij de omstandigheden van de jonge aarde zijn nagebootst. Dit was
bijvoorbeeld gedaan bij het Miller & Urey experiment. Hierbij werd de atmosfeer van de jonge aarde
nagebootst door wat componenten in een afgesloten systeem te brengen, zoals waterstof, methaan,
water en ammoniak. Het water werd telkens verhit, waardoor het verdampte. Die damp kwam
samen in een ruimte in het afgesloten systeem. In die ruimte vonden ook elektrische ontladingen
plaats.
In het afgesloten systeem liet men de stoffen wekenlang met elkaar reageren. Uiteindelijk is een
sample uit de opstelling genomen en dat sample is chemisch geanalyseerd, onder andere met behulp
van massaspectometrie. In de samples werden kleine complexere organische moleculen
aangetroffen. Men heeft er zelfs de meest eenvoudige aminozuren in aangetroffen (zoals
bijvoorbeeld glycine).
Dit experiment onderbouwt dat de reacties in de atmosfeer van de jonge aarde hebben kunnen
leiden tot de complexere organische moleculen.
