Elämä | biologiassa

Yhteenveto

Elävät olennot eli organismit voidaan selittää avoimina järjestelminä. Ne muuttuvat jatkuvasti, koska ne vaihtavat materiaaleja ja tietoa ympäristönsä kanssa. Ne käyvät läpi aineenvaihduntaa, ylläpitävät homeostaasia, kykenevät kasvamaan, reagoimaan ärsykkeisiin ja lisääntymään.

Luonnonvalinnan kautta ne sopeutuvat ympäristöönsä peräkkäisissä sukupolvissa. Monimutkaisemmat eliöt voivat kommunikoida eri keinoin. Maapallolta löytyy monia elämänmuotoja. Näille eliöille - kasveille, eläimille, sienille, protisteille, arkeoille ja bakteereille - yhteisiä ominaisuuksia ovat hiili- ja vesipohjainen solumuoto, jolla on monimutkainen organisaatio ja periytyvää geneettistä tietoa.

Elämän muodostavissa järjestelmissä on monia organisaatiotasoja. Pienimmästä suurimpaan ne ovat: molekyyli, solu, kudos (soluryhmä, jolla on yhteinen tarkoitus), elin (kehon osa, jolla on tarkoitus), elinjärjestelmä (ryhmä elimiä, jotka toimivat yhdessä), organismi, populaatio (ryhmä saman lajin organismeja), yhteisö (kaikki organismeja, jotka ovat vuorovaikutuksessa keskenään jollakin alueella), ekosysteemi (kaikki organismeja jollakin alueella ja eloton ympäristö) ja biosfääri (kaikki maapallon osat, joissa on elämää).

Tällä hetkellä maapallo on ainoa planeetta, josta ihmisillä on yksityiskohtaista tietoa. Kysymys siitä, onko muualla maailmankaikkeudessa elämää, on avoin. On esitetty useita väitteitä elämästä muualla maailmankaikkeudessa. Yhtäkään niistä ei ole toistaiseksi vahvistettu. Paras todiste elämästä Maan ulkopuolella ovat nukleiinihapot, joita on löydetty tietyntyyppisistä meteoriiteista.

 

Määritelmät

Yksi elämän selitys on nimeltään soluteoria. Soluteoriassa on kolme peruslähtökohtaa: kaikki elävät olennot koostuvat soluista. Solu on pienin elävä olento, joka pystyy tekemään kaikki elämälle välttämättömät asiat. Kaikkien solujen on oltava peräisin jo olemassa olevista soluista.

Jonkin asian sanotaan usein olevan elossa, jos se:

• kasvaa,
• ottaa ravintoa, käyttää sitä energiaksi ja siirtää jätteitä (ks. aineenvaihdunta),
• liikkuu: sen on joko liikuttava itse tai sen sisällä on oltava liikettä,
• lisääntyy joko seksuaalisesti (toisen elävän olennon kanssa) tai suvuttomasti luomalla itsestään kopioita,
• reagoi ympäristöönsä,
• toiminnot

Kaikki elävät olennot eivät kuitenkaan sovi tämän luettelon kaikkiin kohtiin.

• Muulit eivät voi lisääntyä, eivätkä myöskään työmuurahaiset.
• Virukset ja itiöt eivät ole aktiivisesti elossa (aineenvaihdunnassa) ennen kuin olosuhteet ovat oikeat.

Ne sopivat kuitenkin biokemiallisiin määritelmiin: ne koostuvat samantyyppisistä kemikaaleista.

Termodynaamisen määritelmän mukaan elämä on mikä tahansa järjestelmä, joka pystyy pitämään entropiatasonsa maksimitasoa alhaisempana (yleensä sopeutumisen ja mutaatioiden avulla).

Nykyaikainen lähestymistapa

Nykyaikaisen määritelmän antoivat Humberto Maturana ja Francisco Varela vuonna 1980, ja he antoivat sille nimen autopoieesi:

1. Omien komponenttien tuotanto
2. Näiden osien oikea kokoaminen
3. Oman olemassaolonsa jatkuva korjaaminen ja ylläpitäminen.

Roth totesi, että "lyhyesti sanottuna organismit ovat itseään toistavia ja ylläpitäviä eli 'autopoieettisia' järjestelmiä". Tässä lähestymistavassa hyödynnetään molekyylibiologian ja systeemitieteen ajatuksia.

 

Mitä elämä tarvitsee

Kemia

Elämä maapallolla koostuu orgaanisista yhdisteistä - hiiltä sisältävistä molekyyleistä. Neljä erilaista pitkäketjuista molekyyliä (makromolekyylejä) on tärkeitä: hiilihydraatit, lipidit, proteiinit ja nukleiinihapot.

• Yksinkertaisia hiilihydraatteja (sokereita) käytetään energiaksi tai rakennusaineena. Monimutkaiset hiilihydraatit, kuten tärkkelys ja selluloosa, voivat säilyttää energiaa pitkään. Niitä käytetään myös vahvan rakenteen, kuten kasvin varren, rakentamiseen.
• Lipidit voivat olla eristeitä, jotka pitävät elävän olennon lämpimänä, kuten pingviinin rasva, tai estävät veden pääsyn sisään tai ulos, kuten vedenpitävät höyhenet. Kaikki solukalvot koostuvat kahdesta fosfoliidikerroksesta (eräänlainen lipidilaji). Jotkin lipidit ovat hormoneja, jotka lähettävät viestejä solulta toiselle.
• Proteiineilla, pitkillä aminohappoketjuilla, on monia käyttötarkoituksia. Ne taittuvat monimutkaisiin muotoihin, koska niiden aminohapot ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Proteiinit osallistuvat moniin kemiallisiin reaktioihin, jotta ne etenisivät nopeammin.
• Nukleiinihapot, kuten DNA ja RNA, ovat pitkiä nukleotidiketjuja. Kussakin ketjussa on vain neljä erilaista nukleotidia, mutta ne ovat elämän ohjeita, kuten kieli. Kukin kolme nukleotidia käskee solua valmistamaan yhden aminohapon. Yksi nukleiinihapon osa on koodi yhdelle proteiinimolekyylille.

Lähes kaikki elävät olennot tarvitsevat kemiallisia alkuaineita hiiltä, vetyä, happea, typpeä, rikkiä ja fosforia rakentaakseen näitä makromolekyylejä. Elävät olennot tarvitsevat myös pieniä määriä muita alkuaineita, joita kutsutaan hivenaineiksi. Vesi on erittäin tärkeä osa kaikkia eläviä olentoja. Esimerkiksi ihminen koostuu noin kahdesta kolmasosasta vettä. Vesi on liuotin, jonka avulla molekyylit voivat sekoittua ja reagoida muiden molekyylien kanssa.

Energialähteet

Kaikki elävät olennot tarvitsevat energiaa selviytyäkseen, liikkuakseen, kasvaakseen ja lisääntyäkseen. Jotkut voivat saada energiaa ympäristöstä ilman muiden elävien olentojen apua: näitä kutsutaan tuottajiksi eli autotrofeiksi. Kasvit, levät ja jotkin bakteerit, joita kutsutaan fotoautotrofeiksi, käyttävät energiaa auringon valosta. Kun tuottajat käyttävät valoa orgaanisten yhdisteiden valmistamiseen ja varastointiin, tätä kutsutaan fotosynteesiksi. Jotkut muut tuottajat, joita kutsutaan kemoautotrofeiksi, saavat energiaa kemikaaleista, jotka tulevat merenpohjasta hydrotermisissä aukkoissa. Muut eliöt saavat energiansa orgaanisista yhdisteistä: näitä kutsutaan kuluttajiksi eli heterotrofeiksi. Eläimet, sienet, useimmat bakteerit ja useimmat alkueläimet ovat kuluttajia. Kuluttajat voivat syödä muita eläviä olentoja tai kuollutta materiaalia.

Sekä tuottajien että kuluttajien on hajotettava orgaanisia yhdisteitä energian vapauttamiseksi. Paras tapa tehdä tämä on aerobinen hengitys, joka vapauttaa eniten energiaa, mutta elävät olennot voivat tehdä aerobista hengitystä vain, jos niillä on happea (O2). Ne voivat hajottaa näitä yhdisteitä myös ilman happea käyttämällä anaerobista hengitystä tai käymistä.

 

Solut

Kaikilla elävillä olennoilla on soluja. Jokaisessa solussa on solukalvo ulkopuolella ja solun sisällä hyytelömäistä materiaalia, jota kutsutaan sytoplasmaksi. Kalvo on tärkeä, koska se erottaa sisällä ja ulkona olevat kemikaalit toisistaan. Jotkin molekyylit voivat kulkea kalvon läpi, mutta toiset eivät. Elävillä soluilla on geenejä, jotka koostuvat DNA:sta. Geenit kertovat solulle, mitä sen pitää tehdä, kuten kieli. Yhtä DNA-molekyyliä, jossa on monia geenejä, kutsutaan kromosomiksi. Solut voivat kopioida itseään ja muodostaa kaksi uutta solua.

Soluja on kahta päätyyppiä: prokaryoottisia ja eukaryoottisia. Prokaryoottisissa soluissa on vain muutamia osia. Niiden DNA on ympyrän muotoinen sytoplasman sisällä, eikä niillä ole kalvoja solun sisällä. Eukaryoottisolut ovat monimutkaisempia, ja niissä on solutydin. DNA on ytimen sisällä, ja ytimen ympärillä on kalvo. Eukaryoottisoluissa on myös muita osia, joita kutsutaan organelleiksi. Joillakin näistä muista organelleista on myös kalvoja.

 

Elämäntyypit

Taksonomia tarkoittaa sitä, miten elämänmuodot luokitellaan ryhmiin. Pienemmät ryhmät ovat läheisempiä sukulaisia, mutta suuremmat luokat ovat kaukaisempia sukulaisia. Taksonomian tasoja eli luokkia ovat alue, valtakunta, suku, luokka, järjestys, suku, suku ja laji. Lajin merkityksestä on monia käsityksiä. Yksi ajatus, jota kutsutaan biologiseksi lajikäsitykseksi, on seuraava. Laji on joukko eläviä olentoja, jotka voivat paritella keskenään ja joiden lapset voivat tehdä omia lapsiaan.

Taksonomian tavoitteena on ryhmitellä eläviä olentoja, joilla on yhteinen esi-isä. Tämä voidaan nyt tehdä vertailemalla niiden DNA:ta. Alun perin se tehtiin vertailemalla niiden anatomiaa.

Elämän kolme osa-aluetta ovat bakteerit, arkeologit ja eukarya. Bakteerit ja arkaaiset ovat prokaryoottisia, ja niissä on vain yksi solu. Bakteerien koko vaihtelee 0,15 kuutiomikrometristä (Mycoplasma) 200 000 000 kuutiomikrometriin (Thiomargarita namibiensis). Bakteereilla on luokittelussa hyödyllisiä muotoja, kuten pyöreä, pitkä ja ohut sekä spiraalimainen. Jotkut bakteerit aiheuttavat sairauksia. Suolistossamme olevat bakteerit ovat osa suolistoflooraa. Ne hajottavat osan ruoastamme. Sekä bakteerit että arkeologiset eliöt voivat elää siellä, missä suuremmat elämänmuodot eivät voi elää. Bakteereilla on soluseinässään molekyyli nimeltä peptidoglykaani, mutta arkeilla ei. Arkkeilla on solukalvossaan molekyyli nimeltä isopreeni, mutta bakteereilla ei.

Eukaryat ovat eläviä olentoja, joilla on eukaryoottisia soluja, ja niillä voi olla yksi solu tai monta solua. Useimmat eukaryootit käyttävät seksuaalista lisääntymistä tehdäkseen itsestään uusia kopioita. Sukupuolisessa lisääntymisessä kaksi sukupuolisolua, yksi kummastakin vanhemmasta, yhdistyy ja muodostaa uuden elävän olennon.

Kasvit ovat eukaryootteja, jotka käyttävät auringon valoa energiantuotantoon. Niihin kuuluvat vedessä elävät levät ja maakasvit. Kaikilla maakasveilla on elinkaarensa aikana kaksi muotoa, joita kutsutaan sukupolvien vuorotteluksi. Toinen muoto on diploidi, jolloin soluilla on kaksi kromosomikopiota, ja toinen muoto on haploidi, jolloin soluilla on yksi kromosomikopio. Maakasveilla sekä diploidisessa että haploidisessa muodossa on paljon soluja. Kahdenlaisia maakasveja ovat verisuonikasvit ja bryofyytit. Verisuonikasveilla on pitkät kudokset, jotka ulottuvat kasvin päästä päähän. Nämä kudokset kuljettavat vettä ja ravintoa. Useimmilla kasveilla on juuret ja lehdet.

Eläimet ovat eukaryootteja, joilla on monia soluja, joilla ei ole jäykkiä soluseinämiä. Kaikki eläimet ovat kuluttajia: ne selviytyvät syömällä muuta orgaanista ainesta. Lähes kaikilla eläimillä on hermosoluja, jotka muodostavat signaalijärjestelmän. Niillä on yleensä lihaksia, jotka saavat kehon liikkumaan. Monilla eläimillä on pää ja jalat. Useimmat eläimet ovat joko uroksia tai naaraita. Ne tarvitsevat vastakkaista sukupuolta olevan kumppanin jälkeläisten saamiseksi. Uroksen ja naaraan sukusolut voivat kohdata kehon sisällä tai ulkopuolella.

Sienet ovat eukaryootteja, joilla voi olla yksi solu, kuten hiivat, tai monta solua, kuten sienet. Ne ovat saprofiitteja. Sienet hajottavat elävää tai kuollutta materiaalia, joten ne ovat hajottajia. Ainoastaan sienet ja muutamat bakteerit pystyvät hajottamaan puun kahta osaa, ligniiniä ja selluloosaa. Jotkut sienet ovat mykorritsoja. Ne elävät maan alla ja antavat kasveille ravinteita, kuten typpeä ja fosforia. Eukaryootteja, jotka eivät ole kasveja, eläimiä tai sieniä, kutsutaan protisteiksi. Useimmat protistit elävät vedessä.

 

Evoluutio

Tuhansien tai miljoonien vuosien aikana elävät olennot voivat muuttua evoluutioprosessin kautta. Yksi evoluution muoto on se, että laji muuttuu ajan myötä, esimerkiksi kirahvien kaulat pitenevät. Useimmiten laji sopeutuu paremmin ympäristöönsä, ja tätä prosessia kutsutaan sopeutumiseksi. Evoluutio voi myös aiheuttaa sen, että yksi eliöryhmä jakautuu kahdeksi ryhmäksi. Tätä kutsutaan lajinmuodostukseksi, jos siitä syntyy uusi laji. Esimerkkinä ovat Galapagos-saarten pilkkulinnut - yksi pilkkulintulaji elää kullakin saarella, mutta kaikki lajit ovat jakautuneet yhteisestä esi-isästä. Myös lajeja suuremmat ryhmät voivat jakautua yhteisestä esi-isästä - esimerkiksi matelijat ja nisäkkäät. Elävien olentojen ryhmää ja niiden yhteistä esi-isää kutsutaan kladiksi.

Elävät olennot voivat kehittyä aivan erilaisiksi kuin esi-isänsä. Tämän seurauksena myös kehon osat voivat muuttua. Samasta luurakenteesta tuli ihmisen kädet, hevosen kaviot ja lintujen siivet. Samasta kehittyneitä erilaisia ruumiinosia kutsutaan homologisiksi.

Laji kuolee sukupuuttoon, kun kaikki lajin jäsenet kuolevat. Noin 99,9 prosenttia kaikista koskaan eläneistä lajeista on kuollut sukupuuttoon. Lajit voivat kuolla sukupuuttoon milloin tahansa, mutta yleisemmin se tapahtuu tietyissä ajanjaksoissa, joita kutsutaan sukupuuttotapahtumiksi. Viimeisin oli 65 miljoonaa vuotta sitten, jolloin dinosaurukset kuolivat sukupuuttoon.

Elämän alkuperä

Vertailemalla fossiileja ja DNA:ta tiedämme, että kaikella nykyisellä maapallon elollisella olennolla oli yhteinen esi-isä, jota kutsutaan viimeiseksi universaaliksi yhteiseksi esi-isäksi (LUCA). Muita eläviä olentoja on saattanut olla elossa samaan aikaan kuin LUCA, mutta ne ovat kuolleet sukupuuttoon. Vuonna 2018 tehdyn tutkimuksen mukaan LUCA on noin 4,5 miljardia (4 500 000 000) vuotta vanha, eli lähes yhtä vanha kuin maapallo. Vanhimmat fossiiliset todisteet elämästä ovat noin 3,5 miljardia vuotta vanhoja.

Miten elottomasta aineesta tuli elävää? Tämä on vaikea kysymys. Ensimmäisenä vaiheena on täytynyt olla orgaanisten yhdisteiden syntyminen. Vuonna 1953 Miller-Ureyn kokeessa epäorgaanisista yhdisteistä tehtiin lämmön ja energian avulla orgaanisia yhdisteitä, kuten aminohappoja.

Elämä tarvitsee energianlähteen kemiallisia reaktioita varten. Varhaisessa maapallossa ilmakehässä ei ollut happea. Hapettuminen Krebsin syklin avulla, joka on nykyään yleistä, ei ollut mahdollista. Krebsin sykli on saattanut toimia päinvastoin, eli se on saattanut hapettumisen sijasta tehdä pelkistymistä, ja sykli on saattanut tuottaa suurempia molekyylejä. Elämän luomiseksi molekyylien oli tehtävä itsestään kopioita. DNA ja RNA tekevät kopioita itsestään, mutta vain jos mukana on katalyytti - yhdiste, joka nopeuttaa kemiallista reaktiota. Yksi arvaus on, että RNA itse toimi katalysaattorina. Jossain vaiheessa molekyylejä ympäröivät kalvot, jotka muodostivat soluja.

 

Galleria kuvia elämästä

 

 

Aiheeseen liittyvät sivut

• Keinotekoinen elämä
• Biologia
• Syntymä
• Kuolema
• Varhaisimmat tunnetut elämänmuodot
• Evoluutio
• Elämän puu