Een nieuwe definitie voor 'leven'. Patrick Forterre: virussen zijn levend!

Patrick Forterre
virussen zijn levend!

Als je mensen vraagt is een virus levend? dan krijg je als antwoord: dat hangt er vanaf welke definitie van leven je hanteert. Of je krijgt als antwoord: het hangt er vanaf aan wie je het vraagt. Inderdaad, als je het aan Patrick Forterre vraagt, dan zijn virussen levend. En als je het aan Tibor Ganti vraagt zijn virussen niet levend.

Is een definitie subjectief? Ja, een definitie is subjectief. Ja, een definitie geven is filosofisch [1]. Maar, dat wil niet zeggen dat er geen goede of slechte definities bestaan. Een goede definitie moet globaal vastleggen wat we tot nu toe levende organismes hebben genoemd. En er geen niet-levende dingen onder laten vallen. Als de definitie een groep organismes uitsluit is hij slecht.

Stel dat we leven definiëren als alle koolstof-gebaseerde entiteiten die direct of indirect van zonne-energie afhankelijk zijn. Dan heb je vrijwel 99% van al het leven te pakken: planten, dieren, bacteriën, virussen. Echter, je sluit daarmee chemotrofe organismes uit. Die zouden dan volgens de definitie niet levend zijn. En dus is het een slechte definitie.

Waarom metabolisme essentieel is

Tibor Ganti
virussen zijn niet levend!

Een goede definitie van het leven zoomt in op essentiële kenmerken van het leven. Een essentieel kenmerk van het leven is dat het energie nodig heeft om te blijven bestaan. Dat sluit aan bij het ervaringsfeit dat je moet eten om niet dood te gaan. Daar zit een diepgaande fysische theorie achter: leven is een toestand 'far-from-equilibrium' [2]. Dat wil zeggen: de moleculen en de structuren (cellen, organen, lichamen) die daarmee opgebouwd worden vervallen tot een verzameling elementaire chemische bouwstenen (C,H,N,O,P,S,...) wanneer er geen uitwendige bron van energie beschikbaar is om die toestand die leven heet te onderhouden [2]. Die evenwichtstoestand heet 'dood'. Maar er is niet alleen externe energie nodig, ook een mechanisme om die uitwendige energie te benutten om de levende toestand in stand te houden. Dat mechanisme of dat proces noemen we metabolisme. Daarmee is metabolisme een essentieel kernmerk van leven. Metabolisme definieert leven. Het is dus géén willekeurig, subjectief, oppervlakkig, toevallig, secundair, niet-essentieel, uiterlijk kenmerk! Metabolisme houdt de levende toestand in stand. Metabolisme is hét hoofdkenmerk van leven. De cel (de ruimtelijke begrenzing) en het erfelijk materiaal (DNA,RNA) zijn de andere twee hoofdkenmerken [3]. Die cel en erfelijke informatie zijn (enigszins subjectief gezegd) nodig om het metabolisme in stand te houden en te reguleren. Dit alles in het kort. Zie mijn Ganti review voor details.

Is een virus levend?

De definitie van 'leven' van de virus expert Patrick Forterre [4], bevat géén metabolisme:

"A living organism can thus be defined as: "a collection of integrated organs (molecular machines/structures) producing individuals evolving through natural selection" [4].

Structuren en evolutie staan hier centraal. Het gevolg van zijn zéér compacte definitie is dat virussen levend zijn. Dat is ook zijn bedoeling. Het cruciale punt is dus of je metabolisme opneemt in de definitie van leven of niet. Doe je dat wel dan vallen virussen erbuiten (Ganti). Doe je dat niet, dan vallen virussen erbinnen (Forterre). Tenminste, zo lijkt het.

Is de definitie met metabolisme een subjectieve keuze? Nee. Zoals hierboven aangestipt is, is metabolisme essentieel voor leven. Sluit Forterre bacteriën, planten, dieren dan uit? Nee, natuurlijk niet. De definitie is zo ruim en ambivalent dat die er ook allemaal binnen vallen. Maar zijn definitie mist de essentie van leven. Daardoor is het een slechte definitie [8].

Complicatie's van de oude definitie

Er zijn twee complicaties met het 'metabolisme' als hoofdkenmerk van leven:

1. 'bacteriele sporen' of 'zaden' hebben géén metabolisme. Het is een tijdelijke rusttoestand die overigens langere tijd kan duren. Sporen en zaden zijn niet dood, want ze kunnen later tot leven komen. Is dat een probleem voor de definitie-met-metabolisme? Nee, het is een pseudo-probleem omdat zaden en sporen géén organismen zijn, maar fases in de levenscyclus van een organisme. Het is een conceptuele misvatting. Daarom vallen sporen en zaden niet rechtstreeks onder de definitie. Sporen en zaden zijn een schakel tussen twee fases waarin metabolisme noodzakelijk aanwezig is. Een zaad of spore is 100% afhankelijk, want het wordt geproduceerd door een volwassen organisme dat zelf metabolisme heeft. Inzien dat sporen en zaden géén organismen zijn, was voor mij de doorbraak in het denken over dit 'probleem'. (...) Daarom heeft het geen voordeel om metabolisme uit de definitie weg te laten. Integendeel, het is een groot nadeel om een essentieel kenmerk van het leven weg te laten.
2. het parasitaire karakter: parasieten hebben in verschillende mate hun metabolisme uitbesteed aan de gastheercel. Dat kan heel ver gaan: de obligaat intracellulaire parasieten zoals de bacteriën rickettsia en chlamydia worden als levend beschouwd terwijl ze geen eigen metabolisme zouden hebben [5,6]. Als je dit uitzoekt blijkt ricketttsia wel degelijk eigen ATP te produceren en vermoedelijk eigen eiwitsynthese uitvoert. Dus metabolisme. Chlamydia beschikt over onderdelen van het metabolisme en verspreidt zich via sporen. Zijn extreme parasieten een argument tegen metabolisme in de definitie van leven? Ik denk het niet, want a) ze hebben wel degelijk een gereduceerd metabolisme, b) hun metabolisme is sterk geïntegreerd met het gastheer-metabolisme zodat onderscheid soms moeilijk wordt. Hoe dan ook: ze bestaan dankzij metabolisme. Op een planeet zonder metabolisme heb je geen leven, zelfs geen virussen, en uiteraard geen obligaat intracellulaire parasieten.

 

Nieuwe opvatting over virussen  

(toegevoegd 26 juli 2014)
Forterre introduceert een nieuwe opvatting over virussen ('the real viral organism'):

"the viral factory corresponds to the real viral organism, whereas the virion corresponds to the mechanism used by the virus to spread from one cell to others and that to confuse the virion with the virus would be the same as to confuse a sperm cell with a human being." [4]

(De 'viral factory' is de plek waar het virus gerepliceerd wordt.) De relatie virion en virus is vergelijkbaar met de relatie zaadcel en menselijk lichaam? Er is een gigantisch verschil tussen een zaadcel en een mens! Een virus heeft helemaal niet zoiets als een haploïde zaadcel en een miljarden-cellig diploïd lichaam!

"The confusion between the virus and the virion was first criticized by Claudiu Bandea who considered that the intracellular phase of the virus life cycle is the ontogenetically mature phase of viruses (Bandea 1983). As Bandea wrote in a landmark paper “in this phase the virus shows the major physiological properties of other organisms: metabolism, growth, and reproduction. Therefore, life is an effective presence”." [4]

'Virions' werden eerder gedefinieerd als: 'the viral particles produced during infection', dus de inerte deeltjes vergelijkbaar met sporen van bacteriën.
Welnu, als de intracellulaire fase in de cyclus van een virus de 'volwassen fase' is, en als die fase metabolisme inhoudt, waarom neem je dan 'metabolisme' niet op in je definitie van leven? Het lijkt er dus op dat Forterre wat betreft de definitie zelf slachtoffer is van de verwarring van 'virus' en 'virion' die hij aan anderen toeschrijft! Hij laat 'metabolisme' weg omdat hij kennelijk nog denkt in de oude opvatting van virusen zijn inerte deeltjes!

Je kunt 'virussen' als 'levend' opvatten op voorwaarde dat je alle fases in hun levenscyclus beschouwt en een virus dus niet gelijkstelt met het inerte virusdeeltje (virion). Een virus is dan een nog extremere parasiet als rickettsia en chlamydia. Een virus heeft zijn totale metabolisme uitbesteed aan een gastheercel. Dus een virus is een metabolisme-parasiet (vergelijk met een koekoek!) en een informatie-parasiet omdat hij ook niet alle genetische informatie bezit die nodig is voor replicatie.

Nieuwe definitie van leven:  

( herschreven 26 juli 2014 )
 
De nieuwe definitie: Levende entiteiten hebben tenminste in één fase van hun levenscyclus metabolisme. Levende organismes kunnen dus een fase hebben zonder metabolisme [13].

Dit is een gedeeltelijke definitie omdat ik me focus op metabolisme. Maar belangrijk genoeg voor dit moment. Het is een ogenschijnlijk kleine, maar belangrijke correctie op de definitie van Ganti [3] (eigenlijk de eerste correctie die ik mij permitteer op de definitie van Ganti!). In Ganti's definitie zijn virussen geen levende entiteiten. Dat komt waarschijnlijk omdat hij dacht aan de inerte virusdeeltjes (virions). In de nieuwe definitie zijn virussen levend wanneer ze opgevat worden als entiteiten met cycli, net als bacteriën die spores produceren, en als obligaat metabolisme-parasieten [9]. 

De wijziging is dus dat virussen conform moderne inzichten ('reuze virussen', 'giant viruses') niet meer worden opgevat als inerte deeltjes, en de eis van metabolisme wordt iets 'flexibeler' geformuleerd, maar zeker niet verwijderd of afgezwakt. Het voordeel van deze werkwijze is dat metabolisme niet weggelaten hoeft te worden uit de definitie van het leven, zoals Forterre doet. Metabolisme weglaten is onacceptabel omdat metabolisme onmisbaar is voor het leven [10]. Nog een voordeel is dat virussen 'dezelfde behandeling' krijgen als de gewone parasieten en geen uitzondering meer zijn. 
Ook kan de aparte categorie 'potentially living but not dead' (Ganti) vervallen, omdat sporen een fase in de levenscyclus van bacteriën zijn net zoals virions een fase in de levenscyclus van virussen zijn. Eigenlijk heb je dan de 4 categorieën van Ganti [14] niet meer nodig, maar slechts twee: levend en niet-levend. Dat is een vereenvoudiging en omdat het overbodige onderscheidingen weglaat en een minder ad hoc karakter heeft. 
Door virussen onder de definitie van 'leven' te laten vallen verdwijnt ook het probleem te verklaren hoe het kan dat virussen evolueren en überhaupt een evolutionaire stamboom hebben, die bovendien nauw verweven is met de Tree of Life [11]. 
Ook wordt hiermee de toch enigszins onbevredigende opvatting van James Griesemer en Eörs Szathmáry [12] dat virussen niet levend zijn, maar wel kunnen evolueren, overbodig. In de nieuwe opvatting van virussen zijn virussen levend en kunnen ze evolueren.

 

Dankwoord
Ik heb veel te danken aan Marleen Roelofs omdat ze blogde over Lag de oorsprong van leven bij virussen?, ze mij op kundige wijze tegensprak en mij een artikel van Patrick Forterre toezond. Waarvoor allemaal hartelijk dank!

26 juli: wijzigingen doorgevoerd naar aanleiding van de discussie.

Noten

1. Marleen citeert Forterre in bold: "Belangrijk: The question, “are viruses alive?” is typically a philosophical question, meaning that it is our choice to decide if viruses are living entities or not" waarschijnlijk om te benadrukken dat het een subjectieve en geen empirische kwestie is. Maar zo onschuldig is die keuze niet!
2. "The equilibrium sytems are dominated by small molecules such as CO2, H2O, N2, NH3, and so on." H.J. Morowitz  ‎(1999) A theory of biochemical organization, metabolic pathways, and evolution. (pdf is gratis)
3. Zie mijn review van The Principles of Life van Tibor Ganti waarin dit systematisch maar kort wordt beschreven.
4. Patrick Forterre (2010) Defining Life: The Virus Viewpoint, Orig Life Evol Biosph. Apr 2010; 40(2): 151–160. See: § What is Life?
5. "Viruses do not have their own metabolism, and require a host cell to make new products. They therefore cannot naturally reproduce outside a host cell – although bacterial species such as rickettsia and chlamydia are considered living organisms despite the same limitation. " (wikipedia).
6. Marleen: "Er zijn heel wat parasieten die hun levenscyclus niet kunnen voltooien zonder hun gastheer. En die worden wel degelijk als levende organismen beschouwd."
7. "in 1983 by Claudiu Bandea who wrote that ‘the living phase of the virus is the intracellular phase of its life cycle’ in: Patrick Forterre (2010) Giant Viruses: Conflicts in Revisiting the Virus Concept. (met dank aan Marleen voor de pdf). Die visie dat virussen een 'life cycle' hebben was een eye-opener voor mij! Mijn voorkeur is: 'virussen veroorzaken metabolisme' in plaats van 'virussen hebben een metabolisme'.
8. De definitie is slecht o.a. omdat hij te vaag is, te weinig specifiek, er geen metabolisme in voorkomt, en omdat er evolutie in voorkomt. Het gedeelte "a collection of integrated organs (molecular machines/structures)" klinkt als: een verzameling dingetjes die iets met elkaar doen. Zie voor details van de kritiek: 'Comparison with other definitions of life'-paragraaf in: [3].
9. Het is dus conceptueel fout om te stellen: "De virions zijn wat mij betreft net zo levend als zaden en sporen." (hier) omdat virions en zaden geen organismes zijn maar fases in de cyclus van organismen. Daarna volgt: "In zaden zit een embryo dat wel degelijk een wellicht slapend metabolisme heeft." NB of het nu waar is of niet van dat slapend metabolisme, dit wijst er op dat metabolisme kennelijk belangrijk is!!
10. Citaat Marleen: "As Bandea wrote in a landmark paper “in this phase the virus shows the major physiological properties of other organisms: metabolism, growth, and reproduction." (mijn bold). NB: metabolisme wordt hier belangrijk gevonden. Welnu, dan moet het ook in de definitie!
11. Citaat Marleen: "Viruses have co-evolved with members of these three domains according to the scheme of Darwinian evolution".
12. Zie figuur 'Overlapping but non-identical sets of units of evolution and units of life', afkomstig van de editors James Griesemer en Eörs Szathmáry, in: [3]. Ik doe hier geen uitspraak over andere aspecten van de figuur.
13. Dit was mijn oorspronkelijke definitie: "Levende entiteiten hebben óf een eigen metabolisme óf zijn geheel of gedeeltelijk afhankelijk van het metabolisme van een andere levende entiteit."
14. De vier categorieën zijn: (1) living; (2) potentially living but not dead (resting seeds, dried-out or frozen micro-organisms); (3) dead (irreversible change from a living to a non-living state); (4) non-living (physical and chemical systems). De categorie 'dood' is identiek aan 'niet-levend' dus die is niet noodzakelijk.