Berlin gets under your skin

Image from wikipedia / CC BY-SA 3.0 DE / Christian Wolf (www.c-w-design.de)

A sweeping vista over a big city like Berlin is one of the highlights of any trip, one of those deep-breath-wow moments. The hectic buzz, hum and action, can leave us with goose bumps. The view is a great reminder that we owe this very experience, like any other, to a vast network of buzzing mini-metropolises hidden under our skin. When it comes to pondering the haphazard dose of good luck that is our existence, there’s no better place to start than our body cells – the miniature building blocks we’re made of. Odd as it may sound, a cell and Berlin have much in common.

The entire whopping diversity of life on this planet is made from cells – from elephant to beetle, from oak tree to moss, from whale to bacterium. We’re no exception. It is your cells that marvel at the Berlin cityscape. They are also behind all your thinking, walking, giggling, itching, yawning, singing – the whole shebang. To understand cells is to understand life. And any city – and I’ll take Berlin because it’s home turf – helps shine a light on what’s going on at the cellular level.

So let’s take a deep dive into the life teeming and vibrating inside you right now. But watch out, you might never look in the mirror the same way again.

A living-room cell

So on to the basics. First: Size. Obviously, cells are tiny – we can’t even see one if it turns up alone. We can only spot cells if we meet a vast cell cooperative, which come in a baffling array of forms, from the rose on your windowsill to the grumpy shopkeeper down the road. To get an idea of their tinyness, just consider that hundreds would be needed to hide the full stop at the end of this sentence. Or, have a close look at your fingertip: The tiny ridges of skin that make up your fingerprint are about 20 cells wide. If you were as tall as the Berlin TV tower, your fingertip would be the size of a room, but a cell would still be no larger than a grain of rice. But don’t dismiss the humble cell on account of its size: You’ll be surprised about the frenzied activity within its smallness.

To get a view of what’s going on inside, it helps to start by enlarging a single cell to the size of a living room. Boyce Rensberger’s “Life Itself: Exploring the Realm of the Living Cell” provides a memorable description of what we would see:

“Like all cells, the living-room cell is jammed full of (constituent parts) from wall to wall, floor to ceiling. In the living room cell the force of gravity is negligible, as it is in real cells, and many objects float as if they were weightless in space; others are stuck to various surfaces and move with them. Along with the huge VW-sized nucleus there are half a dozen floppy stacks of beanbag chairs undulating softly in the air. The ‘air’, of course, is the water inside a cell, which is thick with all the molecules and other structures in it, so thick that it is viscous, or jellylike.”

For a rough idea, consider this illustration, even if it brings back painful memories of school book biology. (Thankfully, the parts aren’t even labelled, so nothing to memorise this time.)

By Zaldua I., Equisoain J.J., Zabalza A., Gonzalez E.M., Marzo A., Public University of Navarre – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=46386894

The illustration is useful, but also deceptive: All the little bits are left out so you can actually see those big bits. And, back to the living-room cell, a snapshot doesn’t do reality justice, as there is lots of movement afoot:

“From time to time, a little bit of beanbag pinches off to form a bubble about the size of a golf ball. It drifts slowly, like a soap bubble, bumps into a long rope that reaches off to the wall, and suddenly begins gliding along the rope, headed for the far wall…there is a dense web of ropes and strings running every which way throughout the room…Scores of long sausages slither about…There are vast areas of great floppy sheets, like a deflated hot air ballon…and there are hundreds of grapefruits and some basketballs hovering all through the room.”

But even if the living-room cell is a good analogy to get a grip on the dimensions, it doesn’t even hint at its complexity. So let’s go deeper still and look at the small bits omitted from the illustration above. Consider this highly accurate watercolour illustration to visualise a tiny corner of the above cell. It’s jam-packed with the machinery that keeps you alive. Again, no movement shown here – which is a good thing in this case, because at this level, things are moving so fast you couldn’t see a thing.

The long structures are part of the cell’s “skeleton”; many of the smaller structures are machines assembling cell components. Illustration by David S. Goodsell, the Scripps Research Institute

A teeming metropolis

Even simple bacteria are so complicated they have often been compared to a Boeing 747 (though it would have to be an advanced model that can repair and copy itself in mid-operation, which bacteria do constantly). A human cell is around 1,000 times larger, and vastly more complicated than a humble bacterium.

So to get a better idea of the buzzing inside, we have to blow up the cell to the size of Berlin’s city centre. This isn’t as zany as it sounds. The cellular biochemist Guy Brown suggests that a cell should be visualised as a “a vast, teeming metropolis.” In “The Energy of Life: The Science of what Makes Our Minds and Bodies Work,” he writes:

“Some things, such as cars, or cups, appear less and less interesting as you look at them in more detail or a smaller scale. But the opposite has happened with biology…On the surface, a human looks quite a simple kind of thing: a few limbs for manipulating the world and a few orifices for getting things in and out of the body. But go down to a million-fold smaller scale, to the realm of a single cell and its machinery, and we enter a different world of almost unimaginable complexity. Hundreds of thousands of different entities are doing tens of thousands of different sorts of things, at an invisibly frantic pace.”

Our Berlin City Centre Cell, which has been enlarged 100 million times, is now two kilometres across. Atoms are the size of a pea, a single sugar molecule the size of an orange. Most single proteins, which do the heavy lifting in the form of tiny robots, or serve as construction material, range in size from a building brick to a washing machine. They are made by complicated contraptions as big as a van. The cell’s skeleton is made up of innumerable filaments one meter across, like steel girders or pylons. The cell’s power supply is secured by about one thousand sausage-shaped power stations, each 100 metres long. Let’s follow Brown’s description:

This building site in the heart of Berlin will turn into a castle. In our cell, the dimensions correspond more to a single one of the thousand power stations busily responsible for the energy supply.

“Imagine then that vastly expanded cell to be a metropolis floating in space, peopled by billions of small, specialised robots, doing thousands of different tasks, making, breaking and moving trillions of other molecules in order to feed, power, inform and maintain the cell.”

Similar to what’s going on in a city, within the cell an automated delivery service transports machines and raw materials to their destinations via a complex road network that is permanently rebuilt; waste is transported to the outside and fresh raw materials brought in. The recipes for making the cell’s parts, and coordinating the whole operation, contained in our DNA, are constantly copied and checked for errors.

The following animations by Drew Berry are a fantastic and scientifically highly accurate visualisation of some of the things that go on in a cell. But keep in mind that he had to leave out most of the cell’s activity so you can actually see something!

You can watch Berry explain his work in a great TED talk here.
Another great cell animation is this video from Harvard University.

Just like the centre of Berlin, the cell is also a permanent building site. But in contrast to Berlin, which has some serious trouble getting building projects finished on time, the work progresses at lightning speed within a cell. Take a communication port. Cells talk to each other all the time, and their conversations are essential to your heartbeat and your ability to hear. Many of these ports consist of more than 100,000 parts, and are rebuilt every day. Similarly, the complex scaffolding upholding the cell’s structure is continuously forming and dissolving.

It’s almost beyond imaging how hectic and frenetically busy things are at that level. Simply propelled by the random jiggly motion of atoms, small particles only take one second to cross the entire cell. In our city centre cell, they whizz about like cannonballs – billions of them, all at the same time. Here is Brown again:

“All the small molecules vibrate, rotating and colliding with their neighbours about a billion times per second. The incessant shaking is powered by the heat energy of the body – that is, the random motion of the molecules. And it is this random shaking that causes all of the smaller molecules to wander incessantly around the cell…It is a bit like an out-of-control (three dimensional) pinball machine, with trillions of balls and speeded up a billion times.”

Berlin on speed

On close inspection, it is little wonder we can barely imagine the fantastic speed of the proceedings within a single cell. Even a single thought requires billions of actions by billions of cells. It is even fair to say that a single thought is billions of interactions within and between cells. Our mind can never catch up with that buzz, because it runs on it – Thoughts are necessarily slower than the actions producing them.

Even if it is impossible to really picture the activity within a single cell, remember there are more cells in one of your fingertips than humans on this planet. In total, your are made up of around 37,000,000,000,000 (37 trillion) cells, according to a recent estimate. Let’s translate that silly number: To count your cells, one per second, would take you more than a million years! And each one of these cells is as busy as the next.

But this astonishing thought should not deter us from appreciating the life of a single cell once in while. For a rough approximation of what goes on under your skin, there is nothing better than to look at Berlin’s buzz, and mentally speed it up – a bit like in the timelapse video below.

And when picturing a cell, keep in mind why this activity fest is happening. For the answer, just look in the mirror again, and consider the words of environmentalist and author Paul Hawken:

“Stop for a moment. Feel your body. One septillion activities going on simultaneously, and your body does this so well you are free to ignore it, and wonder instead when this speech will end. You can feel it. It is called life. This is who you are.”

Sources:

Stephan Berry 2007: “Was treibt das Leben an? Eine Reise in den Mikrokosmos der Zelle”

Eva Bianconi et al 2013: “An estimation of the number of cells in the human body”, Annals of Human Biology Vol 40, Issue 6

Guy Brown 2000: “The Energy of Life: The Science of what Makes Our Minds and Bodies Work”

David S. Goodsell 2009: “The Machinery of Life”

Franklin M Harold 2001: “The way of the Cell: Molecules, Organisms and the Order of Life”

Paul Hawken 2009: Commencement Address to the Class of 2009, University of Portland

Dale W. Laird, Paul D. Lampe & Ross G. Johnson 2015: “Cellular Small Talk“, Scientific American 312, 70 – 77

Boyce Rensberger 1996: “Life Itself: Exploring the Realm of the Living Cell”

Image from wikipedia / CC BY-SA 3.0 DE / Christian Wolf (www.c-w-design.de)

Berlin geht unter die Haut

Ein Großstadt-Panorama gehört zu den Höhepunkten vieler Reisen – die Hektik, das bunte Treiben und die schwirrende Energie gehen einfach unter die Haut. Der fantastische Anblick ist jedoch auch eine erstaunlich passende Erinnerung daran, dass wir diese Gänsehaut-Erfahrung ganz ähnlich pulsierenden Metropolen verdanken, die sich unter unserer Haut verstecken: Unseren Körperzellen, die überraschende Gemeinsamkeiten mit Berlin haben.

Die gesamte atemberaubende Vielfalt des Lebens auf diesem Planeten besteht aus Zellen – Elefanten und Käfer, Eiche und Moos, Wal und Bakterie. Wir sind da keine Ausnahme. Es sind unsere Zellen, die über das Berlin-Panorama staunen und nachdenken, die für uns gehen, kichern, gähnen und singen – einfach alles. Zellen begreifen bedeutet, das Leben selbst zu begreifen. Tauchen wir also ein in das ständige Gewimmel, Gewusel und Vibrieren unter unserer Haut. Die Reise könnte deinen Blick in den Spiegel für immer verändern.

Die Wohnzimmer-Zelle

Los geht’s mit dem Wesentlichen: Größe. Zellen sind natürlich winzig. Und zwar so winzig, das wir sie überhaupt nicht sehen können, wenn sie alleine auftauchen. Wir können Zellen nur in gigantischen Kolonien wahrnehmen – beispielsweise in Form einer Rose oder eines nervigen Busfahrers. Hunderte Zellen wären nötig, um den Punkt am Ende dieses Satzes zu verdecken. Oder schau dir deine Fingerkuppe genauer an: Die winzigen Hautkanten, aus denen dein Fingerabdruck besteht, sind etwa 20 Zellen breit. Wärst du so groß wie der Berliner Fernsehturm, hätte deine Fingerkuppe die Größe eines Zimmers, und eine Zelle wäre so groß wie ein Reiskorn. Aber lass dich nicht von der winzigen Größe täuschen: Du wirst überrascht sein, was alles auf so kleinem Raum vor sich gehen kann.

Um uns einen ersten Eindruck davon zu verschaffen, was in einer Zelle so los ist, vergrößern wir sie zunächst einmal auf die Dimensionen eines Wohnzimmers. Der Wissenschafts-Journalist Boyce Rensberger liefert eine unvergessliche Beschreibung dieses Anblicks:

“Wie alle Zellen ist die Wohnzimmer-Zelle vom Fußboden bis zur Decke und von Wand zu Wand vollgestopft mit Einzelteilen. In der Wohnzimmerzelle ist die Schwerkraft vernachlässigbar, so wie in echten Zellen auch, und viele Objekte hängen im Raum als wären sie schwerelos. Andere wiederum kleben an verschiedenen Oberflächen und bewegen sich mit ihnen. Der riesige Zellkern von der Größe eines VW Käfers und ein halbes Dutzend Sitzsäcke bewegen sich gemächlich in der Luft. Die “Luft” ist natürlich das Wasser innerhalb der Zelle. Darin befinden sich so viele Moleküle (verbundene Atome) und andere Strukturen, dass es so dickflüssig wie Wackelpudding ist.”

Schau dir die folgende Illustration als Gedankenstütze an, auch wenn sie schmerzhafte Erinnerungen an den Biologie-Unterricht wachrufen könnte. (Zum Glück sind die einzelnen Bestandteile nicht beschriftet – diesmal muss nichts auswendig gelernt werden.)

By Zaldua I., Equisoain J.J., Zabalza A., Gonzalez E.M., Marzo A., Public University of Navarre – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=46386894

Die Grafik ist nützlich, aber zugleich irreführend. Alle kleinen Bestandteile wurden weggelassen, damit man die großen überhaupt sehen kann. Außerdem zeigt das Geschehen in der Wohnzimmer-Zelle, dass dies nur ein Schnappschuss ist, denn alles befindet sich in Bewegung:

“Ab und zu trennt sich ein kleiner Teil eines Sitzkissens und formt eine Blase von der Größe eines Golfballs. Sie schwebt davon wie eine Luftblase, trifft dann auf ein langes Seil, das bis zur Wand reicht, und bewegt sich plötzlich daran entlang Richtung Wand … das ganze Zimmer ist durchzogen von einem dichten Netz aus Seilen und Schnüren, die alle kreuz und quer durchs Zimmer reichen … Zahllose lange Würste schlingern umher … Es gibt riesige Oberflächen aus locker gefaltetem Material, ähnlich einem Heißluftballon, aus dem die Luft entwichen ist … hunderte von Grapefruits und ein paar Basketbälle schweben im Raum.”

Die Wohnzimmer-Zelle vermittelt einen guten Eindruck von den Dimensionen. Aber sie kratzt nur an der Oberfläche der zugrundeliegenden Komplexität. Tauchen wir also noch tiefer ein und werfen einen Blick auf die ganzen kleinen Bestandteile, die die obige Illustration unterschlagen hat. Das folgende Aquarell stellt äußerst naturtreu eine beliebige winzige Ecke der obigen Zelle dar. Wie du siehst, ist sie wirklich vollgestopft mit einem ganzen Maschinenpark, der dich in dieser Sekunde am Leben hält. Wieder fehlt die Bewegung. Aber in diesem Fall ist das auch ganz gut, weil auf diesem Niveau alles so schnell abläuft, dass wir vor lauter frenetischem Gezappel gar nichts mehr sehen könnten.

Die langen Strukturen sind Teil des Zellgerüstes; viele der kleineren Gebilde sind Maschinen, die gerade neue Zellbausteine produzieren. Illustration von David S. Goodsell, the Scripps Research Institute.

Eine vibrierende Metropole

Sogar simple Bakterien sind so kompliziert, dass sie schon oft mit einem Boeing 747 Jumbo Jet verglichen wurden (allerdings müsste es ein ziemlich fortgeschrittenes Modell sein, dass sich mitten im Betrieb selbst reparieren und kopieren kann, was Bakterien am laufenden Band machen.) Eine menschliche Zelle jedoch übersteigt das bei weitem: Sie ist ein vielfaches größer und vielschichtiger.

Um uns wirklich eine Vorstellung von dem Treiben darin verschaffen zu können, vergrößern wir die Zelle auf die Größe von Berlins Stadtzentrum. Das ist gar nicht so übertrieben wie es zunächst klingen mag. Der auf Zellen spezialisierte Biochemiker Guy Brown besteht darauf, dass man sich eine Zelle am besten als “riesige, vibrierende Metropole” vorstellt:

“Viele Dinge wie zum Beispiel Autos und Tassen werden immer weniger interessant, wenn man sie sich im Detail oder in größerem Maßstab anschaut. Aber in der Biologie ist das Gegenteil passiert … Oberflächlich gesehen sieht ein Mensch wie ein ziemlich simples Ding aus: Ein paar Gliedmaßen, um die Welt zu beeinflussen, und ein paar Löcher, um Dinge in den Körper hinein zu befördern und wieder hinaus. Aber wenn wir uns auf ein millionenfach kleineres Level begeben, in das Gefilde einer einzelnen Zelle und ihres Maschinenparks, betreten wir eine andere Welt von fast unvorstellbarer Komplexität. Hunderttausende von verschiedenen Gebilden machen zehntausend verschiedene Dinge, in einem frenetischen Tempo, das man nicht verfolgen kann.”

Unsere Stadtzentrum-Zelle ist jetzt 100 millionenfach vergrößert und zwei Kilometer breit. Atome sind hier so groß wie Erbsen, einzelne Zucker-Moleküle so groß wie eine Orange. Die meisten Proteine, die als kleine Roboter Akkordarbeit leisten oder als Baustoffe dienen, haben die Ausmaße von Ziegelsteinen oder Waschmaschinen. Sie werden von komplizierten Apparaturen in der Größe eines Lieferwagens produziert. Das Gerüst der Zelle besteht aus zahllosen Fasern mit einem Durchmesser von einem Meter, wie Träger oder Masten. Die Energieversorgung erfolgt durch rund tausend wurstförmige Kraftwerke von je 100 Metern Länge. Folgen wir Browns Beschreibung:

“Stell dir diese gigantisch vergrößerte Zelle als eine Metropole vor, die im Raum schwebt und von Milliarden winzigen und spezialisierten Robotern bevölkert wird, die tausende von verschiedenen Aufgaben erledigen und dabei Billionen von anderen Molekülen erschaffen, zerlegen und bewegen, um die Zelle zu ernähren, mit Energie zu versorgen, und instand zu halten.”

Wie in einer Stadt transportiert ein automatisierter Lieferdienst auf einem komplexen und ständig erneuerten Wegenetz Maschinen und Rohmaterial zu ihren Bestimmungsorten; Abfall wird nach außen verfrachtet und Rohstoffe hineinbefördert. Die Rezepte für die Herstellung der einzelnen Zellbestandteile und die Koordination der gesamten Operation, enthalten in unserer Erbsubstanz DNA, werden ständig kopiert und auf Fehler überprüft.

Die folgenden Animationen von Drew Berry bieten eine fantastische und naturgetreue Visualisierung von einigen Prozessen, die laufend in jeder Zelle vor sich gehen. Aber hier gilt das gleiche wie schon oben: Er musste die allermeisten Aktivitäten weglassen, damit man überhaupt etwas sehen kann!

In diesem großartigen TED talk erklärt Berry seine Arbeit (auf English). Eine weitere faszinierende Visualisierung einer Zelle ist dieses Video von der Universität Harvard.

Genau wie das Zentrum von Berlin ist auch die Zelle eine ständige Baustelle. Aber im Gegensatz zu Berlin, wo Bauarbeiten selten im Zeitplan bleiben, läuft die Arbeit in einer Zelle blitzartig schnell ab. Ein Beispiel: Ein Verbindung zwischen zwei Zellen, die aus rund 100.000 Teilen besteht, wird jeden Tag komplett erneuert. Auch das komplizierte Gerüst der Zelle wird laufend an einigen Stellen aufgelöst und woanders wieder aufgebaut.

Die Hektik und Geschäftigkeit auf diesem Niveau entzieht sich jeder Vorstellungskraft. Angetrieben von dem wilden Gezappel der Atome benötigen kleine Partikel im Schnitt nur eine Sekunde, um von einem Ende der Zelle zum anderen zu gelangen. In unserer Stadtzentrum-Zelle rasen sie umher wie Kanonenkugeln – Milliarden gleichzeitig. Hier noch einmal Brown:

“Die ganzen kleinen Moleküle vibrieren und rotieren und kollidieren dabei etwa eine Milliarde mal pro Sekunde. Das unaufhörliche Zittern wird angetrieben von der Wärmeenergie des Körpers, also der zufälligen Bewegung der Moleküle. Und dieses zufällige Zittern treibt die ganzen kleineren Moleküle dazu, unaufhörlich in der Zelle umherzuwandern … in etwa wie ein außer Kontrolle geratener (drei-dimensionaler) Flipper, mit Billionen von Bällen, milliardenfach beschleunigt.”

Berlin auf Speed

Bei näherer Betrachtung ist es kein Wunder, dass wir uns die fantastische Geschwindigkeit der Prozesse in einer Zelle kaum vorstellen können. Denn sogar ein einzelner unserer Gedanken erfordert Milliarden von Aktionen in Milliarden von Zellen. Man kann sogar sagen, dass Milliarden von Aktionen in und zwischen Milliarden von Zellen ein einzelner Gedanke sind. Unsere Vorstellung kann das Gezappel niemals einholen, weil sie daraus besteht. Gedanken sind notwendigerweise langsamer als die Prozesse, die sie produzieren.

Aber selbst wenn es nahezu unmöglich ist, sich die Aktivität in einer einzelnen Zelle vorzustellen, sollten wir uns vergegenwärtigen, dass allein in deiner Fingerkuppe mehr Zellen hausen als es Menschen auf der Erde gibt. Insgesamt bestehst du einer aktuellen Schätzung zufolge aus rund 37.000.000.000.000 (37 Billionen) Zellen. Übersetzen wir diese verrückte Zahl: Wenn du deine Zellen zählen wolltest, eine pro Sekunde, wärst du damit rund eine Million Jahre beschäftigt. Und in jeder einzelnen dieser Zellen geht es genauso hektisch zu wie in der nächsten.

Dieser Gedanke ist etwas überwältigend, deshalb sollten wir am besten nach Berlin zurückkehren, um uns das Leben einer einzelnen Zelle zu vergegenwärtigen. Nichts ist dafür besser geeignet, als das Treiben einer Großstadt zu betrachten und es im Geiste zu beschleunigen – in etwa so wie in dem folgenden Video:

Dabei sollten wir nie aus den Augen verlieren, wozu dieses verrückte Gewusel gut ist. Schau einfach in den Spiegel und denke an die folgenden Worte des Umweltschützers und Autors Paul Hawken:

“Halte einen Augenblick inne. Fühle deinen Körper. Eine Quadrillion Aktivitäten laufen dort gleichzeitig ab, und dein Körper macht es so gut, dass du es einfach ignorieren und dich stattdessen fragen kannst, wann diese Rede zu Ende sein wird. Du kannst es fühlen. Es nennt sich Leben. Das bist du.”

Literatur: