Celgrootte is het resultaat van een energetische uitruil

Een zeldzame opname van een Groenlandse haai (Somniosus microcephalus) - een langlevende soort met enorm grote cellen - bij Admiralty Inlet Nunavut. Foto: Hemming1952.

De grootte van cellen is het resultaat van een fundamentele en sterke selectie op energiegebruik. ‘Daarom hebben watervlooien kleine cellen en Groenlandse haaien juist enorme cellen.’

‘Celgrootte is het resultaat van een tweesnijdend zwaard en van de evolutionaire afweging of een soort kwistig omgaat met grondstoffen of juist baat heeft bij de spaarstand. Deze theorie is niet nieuw, maar onthult wel een fundamenteel en weinig bekend principe die de ecologie en evolutie van alle levende soorten bepalen. Daarom hoort het thuis in de tekstboeken’, zegt ecoloog Wilco Verberk, kersvers in Nijmegen benoemd tot hoogleraar functionele ecologie. Hij publiceert samen met de Poolse evolutiebioloog Marcin Czarnoleski in Trends in Ecology & Evolution (novembernummer, 2 oktober online) een review over de Theory of Optimal Cell Size, die voorspelt dat de celgrootte van organismen – van prokaryoten tot zoogdieren – door dezelfde wetmatigheden wordt bepaald. ‘Het is niet alleen een leuk inzicht, maar biedt ook verhelderende perspectieven op evolutionaire aanpassingen en ecologische interacties’, meent Verberk.

‘Alle organismen hebben geladen membranen om verschil te maken tussen binnen en buiten. Het handhaven van verschillen in ionconcentraties over deze membranen kost veel energie en dat zorgt voor een fundamentele trade-off’, legt Verberk uit. ‘In een voedselarme omgeving kun je energie besparen met grote cellen, waardoor je met relatief weinig celoppervlak een groot volume creëert. Terwijl je met kleine cellen, juist relatief veel celoppervlak hebt en dus snel voedingstoffen en zuurstof kunt opnemen. Het verklaart waarom snelgroeiende watervlooien kleine cellen hebben en de op spaarstand levende Groenlandse haaien juist enorme cellen.’

De review toont dat celvolume sterk gecorreleerd is aan de celkern- en genoomgrootte. Verberk: ‘Vanwege doorgemaakte innovaties verschilt die wel iets tussen bijvoorbeeld bacteriën, reptielen en vogels, maar binnen dergelijke grote groepen is genoomgrootte goed bruikbaar als indicator voor celgrootte.’ Een verband dat Verberk en collega’s ook hebben onderbouwd in experimenten met verschillende populaties fruitvliegen en met diploïde en triploïde zebravissen. ‘Een triploïde zebravis heeft anderhalf keer zoveel dna, anderhalf keer zo grote cellen én anderhalf keer zo weinig cellen, maar ziet er verder normaal uit.’

Verberk werkt zelf al jaren aan de relatie tussen watertemperatuur en aanpassingen bij zoetwaterorganismen en kwam op een congres in contact met het Poolse onderzoek aan celgrootte en energiehuishouding. ‘Het leek me in eerste instantie vrij esoterisch onderzoek’, vertelt Verberk. ‘Maar later zag ik steeds meer stukjes op hun plek vallen. Zo biedt het heel interessante verklaringen voor verschillen in vliegvermogen bij vogels, overwinteren of overzomeren en zelfs in duikgedrag van walvissen.’

De optimale celgroottetheorie verklaart waarom de watervlo (Daphnia pulex) kleine cellen bezit. (foto: ImageSelect)

De niet bij deze review betrokken, vrijgevestigd Wageningse theoretisch bioloog Gerard Jagers op Akkerhuis ziet de publicatie als ‘een mooie integratiestudie over een onderbelicht onderwerp’. Het geeft een mooi beeld van ‘de weging van metabole voordelen van grote cellen met veel dna en de nadelen in termen van meer onderhoud en minder membraangebonden stoftransport’, aldus Jagers. ‘Ik zie ook een onderliggend verband met de Dynamic Energy Budget-theorie van systeembioloog Bas Kooijman, die opname en uitscheiding van voedingstoffen en gif kalibreert naar oppervlakken van organismen en hun metabolisme naar volumes.’