Levende wezens zijn sterk georganiseerd en gestructureerd, volgens een hiërarchie van schaal van klein naar groot (figuur 1). Het atoom is de kleinste en meest fundamentele eenheid van materie. Het bestaat uit een kern omgeven door elektronen. Atomen combineren zich tot moleculen, chemische structuren bestaande uit ten minste twee atomen die door een chemische binding bij elkaar worden gehouden. In planten, dieren en vele andere soorten organismen komen moleculen op specifieke manieren samen om structuren te vormen die organellen worden genoemd. Organellen zijn kleine structuren die in cellen bestaan en gespecialiseerde functies vervullen. Zoals hieronder in meer detail wordt besproken, bestaan alle levende wezens uit een of meer cellen.
In de meeste meercellige organismen worden cellen gecombineerd om weefsels te vormen, die bestaan uit groepen soortgelijke cellen die dezelfde functie uitvoeren. Organen zijn verzamelingen van weefsels die gegroepeerd zijn op basis van een gemeenschappelijke functie. Organen komen niet alleen bij dieren voor, maar ook bij planten. Een orgaansysteem is een hoger organisatieniveau dat bestaat uit functioneel verwante organen. Gewervelde dieren hebben bijvoorbeeld vele orgaansystemen, zoals de bloedsomloop die het bloed door het hele lichaam en van en naar de longen vervoert; het omvat organen zoals het hart en de bloedvaten. Organismen zijn individuele levende entiteiten. Zo is bijvoorbeeld elke boom in een bos een organisme.
Alle individuen van een soort die in een bepaald gebied leven, worden collectief een populatie genoemd. Een gemeenschap is de verzameling van verschillende populaties die een gemeenschappelijk gebied bewonen. Zo vormen bijvoorbeeld alle bomen, bloemen, insecten en andere populaties in een bos de gemeenschap van dat bos. Het bos zelf is een ecosysteem. Een ecosysteem bestaat uit alle levende wezens in een bepaald gebied samen met de abiotische, of niet-levende, delen van die omgeving, zoals stikstof in de bodem of regenwater. Op het hoogste organisatieniveau is de biosfeer de verzameling van alle ecosystemen, en zij vertegenwoordigt de zones van het leven op aarde. De biosfeer omvat land, water en delen van de atmosfeer.
Cellentheorie
Sluit je ogen en stel je een stenen muur voor. Wat is de basisbouwsteen van die muur? Een enkele baksteen, natuurlijk. Net als een bakstenen muur is uw lichaam opgebouwd uit basisbouwstenen en de bouwstenen van uw lichaam zijn cellen. Je lichaam heeft vele soorten cellen, elk gespecialiseerd voor een specifiek doel. Net zoals een huis is gemaakt van verschillende bouwmaterialen, is het menselijk lichaam opgebouwd uit vele soorten cellen. Botcellen helpen bijvoorbeeld om het lichaam te ondersteunen en te beschermen. Cellen van het immuunsysteem bestrijden binnendringende bacteriën. En rode bloedcellen vervoeren zuurstof door het hele lichaam. Elk van deze celtypen speelt een vitale rol bij de groei, de ontwikkeling en het dagelijkse onderhoud van het lichaam. Ondanks hun enorme verscheidenheid hebben alle cellen echter bepaalde fundamentele kenmerken gemeen.
De microscopen die wij tegenwoordig gebruiken, zijn veel complexer dan die welke in de jaren 1600 werden gebruikt door Antonius van Leeuwenhoek, een Nederlandse winkelier die zeer bedreven was in het vervaardigen van lenzen. Ondanks de beperkingen van zijn nu oude lenzen, observeerde van Leeuwenhoek de bewegingen van eencellige organismen en sperma, die hij samen “animalcules” noemde. In een publicatie uit 1665, Micrographia genaamd, bedacht de experimentele wetenschapper Robert Hooke de term “cel” (van het Latijnse cella, wat “kleine kamer” betekent) voor de doosachtige structuren die hij waarnam toen hij kurkweefsel door een lens bekeek. In de jaren 1670 ontdekte Van Leeuwenhoek bacteriën en protozoa. Latere ontwikkelingen op het gebied van lenzen en microscoopconstructies stelden andere wetenschappers in staat de verschillende componenten in cellen te zien.
Tegen het eind van de jaren 1830 bestudeerden de botanicus Matthias Schleiden en de zoöloog Theodor Schwann weefsels en stelden zij de verenigde celtheorie voor, die stelt dat alle levende wezens zijn opgebouwd uit een of meer cellen, dat de cel de basiseenheid van het leven is en dat alle nieuwe cellen ontstaan uit bestaande cellen. Deze principes gelden vandaag de dag nog steeds. Er zijn vele soorten cellen, die alle in een van de twee grote categorieën worden ingedeeld: prokaryote en eukaryote cellen. Dierlijke, plantaardige, schimmel- en protistencellen worden als eukaryotisch geclassificeerd, terwijl bacteriën en archaea als prokaryotisch worden geclassificeerd.
Alle cellen hebben vier gemeenschappelijke componenten: 1) een plasmamembraan, een buitenste bedekking die het inwendige van de cel scheidt van de omringende omgeving; 2) cytoplasma, bestaande uit een geleiachtig gebied binnen de cel waarin zich andere cellulaire componenten bevinden; 3) DNA, het genetisch materiaal van de cel; en 4) ribosomen, deeltjes die eiwitten synthetiseren. Prokaryoten verschillen echter op verschillende manieren van eukaryote cellen.
Componenten van Prokaryote Cellen
Een prokaryote cel is een eenvoudig, eencellig organisme dat geen kern heeft, noch enig ander membraan-gebonden organel. We zullen zo dadelijk zien dat dit bij eukaryoten heel anders ligt. Prokaryotisch DNA bevindt zich in het centrale deel van de cel: een verduisterd gebied dat de nucleoïde wordt genoemd (figuur 1).
In tegenstelling tot archaea en eukaryoten hebben bacteriën een celwand die bestaat uit peptidoglycaan (moleculen bestaande uit suikers en aminozuren) en veel bacteriën hebben een polysaccharidekapsel. De celwand fungeert als een extra beschermlaag, helpt de cel zijn vorm te behouden en voorkomt uitdroging. Het kapsel stelt de cel in staat zich te hechten aan oppervlakken in zijn omgeving. Sommige prokaryoten hebben flagellen, pili of fimbriae. De flagellen worden gebruikt voor de voortbeweging. Pili worden gebruikt om genetisch materiaal uit te wisselen tijdens een vorm van voortplanting die conjugatie wordt genoemd. Fimbriae zijn eiwit aanhangsels die door bacteriën worden gebruikt om zich aan andere cellen te hechten.
Eukaryote cellen
Eukaryote cellen zijn cellen met een membraangebonden kern en andere membraangebonden compartimenten die organellen worden genoemd. Er zijn veel verschillende soorten organellen, elk met een zeer gespecialiseerde functie (zie figuur 3). Het woord eukaryoot betekent “echte kern” of “echte kern”, wat duidt op de aanwezigheid van de membraangebonden kern in deze cellen. Het woord “organel” betekent “orgaantje”, en zoals gezegd hebben organellen gespecialiseerde celfuncties, net zoals de organen van uw lichaam gespecialiseerde functies hebben.
Celgrootte
Met een diameter van 0,1-5,0 µm zijn de meeste prokaryote cellen aanzienlijk kleiner dan eukaryote cellen, die diameters hebben van 10-100 µm (figuur 3). Door de kleine afmetingen van prokaryoten kunnen ionen en organische moleculen die de cel binnendringen, zich snel naar andere delen van de cel verspreiden. Evenzo kunnen afvalstoffen die binnen een prokaryote cel worden geproduceerd, zich snel naar buiten verplaatsen. Grotere eukaryote cellen hebben echter andere structurele aanpassingen geëvolueerd om het celtransport te verbeteren. De grote omvang van deze cellen zou immers niet mogelijk zijn zonder deze aanpassingen. In het algemeen is de celgrootte beperkt omdat het volume veel sneller toeneemt dan het celoppervlak. Naarmate een cel groter wordt, wordt het voor de cel steeds moeilijker om voldoende materialen te verwerven om de processen in de cel te ondersteunen, omdat de relatieve grootte van het oppervlak waarlangs materialen moeten worden getransporteerd, afneemt.
Dierlijke cellen versus plantaardige cellen
Ondanks hun fundamentele overeenkomsten zijn er toch enkele opvallende verschillen tussen dierlijke en plantencellen (figuur 3). Dierlijke cellen hebben centriolen, centrosomen en lysosomen, terwijl plantencellen dat niet hebben. Plantencellen hebben een starre celwand die buiten het plasmamembraan staat, chloroplasten, plasmodesmata en plastiden die voor opslag worden gebruikt, en een grote centrale vacuole, terwijl dat bij dierlijke cellen niet het geval is.
Chloroplasten
Vanuit ecologisch oogpunt zijn chloroplasten een bijzonder belangrijk type organel, omdat zij de fotosynthese uitvoeren. Fotosynthese vormt de basis van de voedselketens in de meeste ecosystemen. Chloroplasten worden alleen aangetroffen in eukaryote cellen zoals planten en algen. Tijdens de fotosynthese worden kooldioxide, water en lichtenergie gebruikt om glucose en moleculaire zuurstof te maken. Een groot verschil tussen algen/planten en dieren is dat planten/algen in staat zijn om hun eigen voedsel te maken, zoals glucose, terwijl dieren voedsel moeten verkrijgen door andere organismen te consumeren.
Chloroplasten hebben een buiten- en een binnenmembraan, maar binnen de ruimte die door het binnenmembraan van een chloroplast wordt omsloten, bevindt zich een reeks onderling verbonden en gestapelde, met vloeistof gevulde membraanzakken die thylakoïden worden genoemd (zie figuur 4). Elke stapel thylakoïden wordt een granum (meervoud = grana) genoemd. De vloeistof die door het binnenste membraan wordt omsloten en de grana omringt, wordt de stroma genoemd. Elke structuur binnen de chloroplast heeft een belangrijke functie, die mogelijk wordt gemaakt door zijn specifieke vorm. Een veel voorkomend thema in de biologie is dat vorm en functie met elkaar in verband staan. Zo bieden de membraanrijke stapels van de thylakoïden een groot oppervlak voor de eiwitten en pigmenten die van vitaal belang zijn voor de fotosynthese.
Attributie
“Essentials of Environmental Science” door Kamala Doršner is gelicentieerd onder CC BY 4.0. “Levels of Organization of Living Things” door Open Stax is gelicenseerd onder CC BY 4.0. Gewijzigd van de originelen door Matthew R. Fisher.