Liv: Definition, egenskaper och biologins grundläggande principer på jorden

Levande organismer kan förklaras som öppna system. De förändras alltid eftersom de utbyter material och information med sin omgivning. De genomgår ämnesomsättning, upprätthåller homeostas, har en förmåga att växa, reagera på stimuli och reproducera sig.

Genom naturligt urval anpassar de sig till sin miljö i flera generationer efter varandra. Mer komplexa levande organismer kan kommunicera på olika sätt. Det finns många livsformer på jorden. De gemensamma egenskaperna för dessa organismer - växter, djur, svampar, protister, arkeologer och bakterier - är en kol- och vattenbaserad cellform med komplex organisation och ärftlig genetisk information.

De system som utgör livet har många organisationsnivåer. Från den minsta till den största är de följande: molekyl, cell, vävnad (grupp av celler med ett gemensamt syfte), organ (del av kroppen med ett syfte), organsystem (grupp av organ som arbetar tillsammans), organism, population (grupp av organismer av samma art), samhälle (alla organismer som interagerar i ett område), ekosystem (alla organismer i ett område och den icke-levande omgivningen) och biosfär (alla delar av jorden som har liv).

För närvarande är jorden den enda planet som människan har detaljerad information om. Frågan om det finns liv någon annanstans i universum är öppen. Det har förekommit ett antal påståenden om liv på andra ställen i universum. Inget av dessa har hittills bekräftats. Det bästa beviset på liv utanför jorden är nukleinsyror som har hittats i vissa typer av meteoriter.

En förklaring till livet kallas cellteorin. Cellteorin har tre grundläggande punkter: Alla levande varelser består av celler. Cellen är den minsta levande varelse som kan göra alla de saker som behövs för livet. Alla celler måste komma från redan existerande celler.

Något sägs ofta vara levande om det:

• växer,
• tar upp mat, använder maten som energi och avlägsnar avfallsprodukter (se ämnesomsättning),
• rör sig: den måste antingen röra sig själv eller ha en rörelse inom sig själv,
• förökar sig, antingen sexuellt (med ett annat levande väsen) eller asexuellt, genom att skapa kopior av sig själv,
• reagerar på sin omgivning,
• funktioner

Alla levande varelser passar dock inte in i alla punkter på denna lista.

• Mulor kan inte föröka sig, och det kan inte heller arbetsmyror.
• Virus och sporer är inte aktivt levande (metaboliserar) förrän förhållandena är de rätta.

De motsvarar dock de biokemiska definitionerna: de består av samma slags kemikalier.

Den termodynamiska definitionen av liv är varje system som kan hålla sin entropinivå under maximalt värde (vanligtvis genom anpassning och mutationer).

Ett modernt tillvägagångssätt

En modern definition gavs av Humberto Maturana och Francisco Varela 1980, och de gav den namnet autopoiesis:

1. Tillverkning av egna komponenter
2. Korrekt montering av dessa komponenter
3. Ständig reparation och underhåll av sin egen existens.

Roth kommenterade att "kort sagt är organismer självreproducerande och självunderhållande, eller 'autopoietiska' system". Detta tillvägagångssätt bygger på molekylärbiologiska idéer och systemvetenskapliga idéer.

Kemi

Livet på jorden består av organiska föreningar - molekyler som innehåller kol. Fyra typer av långkedjiga molekyler (makromolekyler) är viktiga: kolhydrater, lipider, proteiner och nukleinsyror.

• Enkla kolhydrater (sockerarter) används som energi eller som byggstenar. Komplexa kolhydrater, som stärkelse och cellulosa, kan hålla energin kvar under lång tid. De används också för att skapa en stark struktur, som en växtstam.
• Lipider kan vara isolerande för att hålla ett levande väsen varmt, t.ex. fett på en pingvin, eller för att hindra vatten från att passera in eller ut, t.ex. vattentäta fjädrar. Alla cellmembran består av två lager av fosfolid (en typ av lipid). Vissa typer av lipider är hormoner, som skickar meddelanden från en cell till en annan.
• Proteiner, långa kedjor av aminosyror, har många syften. De viker sig till komplexa former eftersom deras aminosyror samverkar med varandra. Proteiner deltar i många kemiska reaktioner för att få dem att gå snabbare.
• Nukleinsyror, inklusive DNA och RNA, är långa kedjor av nukleotider. Det finns bara fyra typer av nukleotider i varje kedja, men de är instruktionerna för livet, som ett språk. Varje tre nukleotider talar om för cellen att den ska tillverka en aminosyra. En del av en nukleinsyra är koden för en proteinmolekyl.

Nästan alla levande organismer behöver de kemiska elementen kol, väte, syre, kväve, svavel och fosfor för att bygga dessa makromolekyler. Levande organismer behöver också små mängder av andra grundämnen, så kallade spårämnen. Vatten är en mycket viktig del av alla levande varelser. Människor består till exempel till ungefär två tredjedelar av vatten. Vatten är ett lösningsmedel som gör att molekyler kan blandas och reagera med andra molekyler.

Energikällor

Alla levande varelser behöver energi för att överleva, förflytta sig, växa och föröka sig. Vissa kan få energi från omgivningen utan hjälp från andra levande varelser: dessa kallas producenter eller autotrofer. Växter, alger och vissa bakterier, en grupp producenter som kallas fotoautotrofa, använder solens ljus för att få energi. När producenterna använder ljuset för att tillverka och lagra organiska föreningar kallas detta fotosyntes. Vissa andra producenter, som kallas kemoautotrofer, får energi från kemikalier som kommer upp ur havsbottnen i hydrotermiska skorstenar. Andra levande varelser får sin energi från organiska föreningar: dessa kallas konsumenter eller heterotrofer. Djur, svampar, de flesta bakterier och de flesta protister är konsumenter. Konsumenter kan äta andra levande varelser eller döda material.

Både producenter och konsumenter måste bryta ner organiska föreningar för att frigöra energi. Det bästa sättet att göra detta är aerob andning, som frigör mest energi, men levande varelser kan bara göra aerob andning om de har syre (O2). De kan också bryta ner dessa föreningar utan syre genom anaerob respiration eller fermentering.

Alla levande varelser har celler. Varje cell har ett cellmembran på utsidan och ett geléliknande material som fyller insidan, som kallas cytoplasma. Membranet är viktigt eftersom det skiljer kemikalierna på insidan och utsidan åt. Vissa molekyler kan passera genom membranet, men andra inte. Levande celler har gener, som består av DNA. Generna säger till cellen vad den ska göra, som ett språk. En DNA-molekyl med många gener kallas en kromosom. Celler kan kopiera sig själva för att skapa två nya celler.

Det finns två huvudtyper av celler: prokaryotiska och eukaryotiska. Prokaryotiska celler har bara några få delar. Deras DNA har formen av en cirkel, inuti cytoplasman, och de har inga membran inuti cellen. Eukaryota celler är mer komplexa och har en cellkärna. DNA:t finns inne i cellkärnan och ett membran finns runt cellkärnan. Eukaryota celler har också andra delar som kallas organeller. Vissa av dessa andra organeller har också membran.

Taxonomi är hur livsformer delas in i grupper. De mindre grupperna är närmare besläktade, men de större klasserna är mer avlägset besläktade. Taxonomins nivåer, eller grader, är domän, rike, fylum, klass, ordning, familj, släkte och art. Det finns många idéer om betydelsen av art. En idé, som kallas det biologiska artbegreppet, är följande. En art är en grupp av levande varelser som kan para sig med varandra och vars barn kan skapa egna barn.

Taxonomin syftar till att gruppera levande organismer med en gemensam förfader. Detta kan nu göras genom att jämföra deras DNA. Ursprungligen gjordes det genom att jämföra deras anatomi.

Livets tre områden är bakterier, arkéer och eukarya. Bakterier och arkéer är prokaryotiska och har bara en cell. Bakterier varierar i storlek från 0,15 kubikmikrometer (Mycoplasma) till 200 000 000 kubikmikrometer (Thiomargarita namibiensis). Bakterier har former som är användbara vid klassificering, t.ex. runda, långa och tunna och spiralformade. Vissa bakterier orsakar sjukdomar. Bakterier i våra tarmar är en del av vår tarmflora. De bryter ner en del av vår mat. Både bakterier och arkéer kan leva där större livsformer inte kan leva. Bakterier har en molekyl som kallas peptidoglykan i sin cellvägg, men det har inte arkéer. Archaea har en molekyl som kallas isopren i sitt cellmembran, men det har inte bakterier.

Eukarya är levande varelser med eukaryota celler, och de kan ha en cell eller många celler. De flesta eukaryoter använder sig av sexuell reproduktion för att göra nya kopior av sig själva. Vid sexuell reproduktion förenas två könsceller, en från varje förälder, för att skapa ett nytt levande väsen.

Växter är eukaryoter som använder solens ljus som energi. Till dem hör alger, som lever i vatten, och landväxter. Alla landväxter har två former under sin livscykel, vilket kallas generationsväxling. Den ena formen är diploid, där cellerna har två kopior av sina kromosomer, och den andra formen är haploid, där cellerna har en kopia av sina kromosomer. Hos landväxter har både diploida och haploida former många celler. Två typer av landväxter är kärlväxter och bryofyter. Kärlväxter har långa vävnader som sträcker sig från växtens ände till ände. Dessa vävnader transporterar vatten och mat. De flesta växter har rötter och blad.

Djur är eukaryoter med många celler som inte har några stela cellväggar. Alla djur är konsumenter: de överlever genom att äta annat organiskt material. Nästan alla djur har neuroner, ett signalsystem. De har vanligtvis muskler, som får kroppen att röra sig. Många djur har ett huvud och ben. De flesta djur är antingen hanar eller honor. De behöver en partner av motsatt kön för att få avkomma. Könsceller från hane och hona kan mötas inuti eller utanför kroppen.

Svampar är eukaryoter som kan ha en cell, som jäst, eller många celler, som svamp. De är saprofyter. Svampar bryter ner levande eller dött material, så de är nedbrytare. Endast svampar och några få bakterier kan bryta ner lignin och cellulosa, två delar av trä. Vissa svampar är mykorrhizasvampar. De lever under marken och ger näringsämnen till växter, som kväve och fosfor. Eukaryoter som inte är växter, djur eller svampar kallas protister. De flesta protister lever i vatten.

Under tusentals eller miljontals år kan levande organismer förändras genom evolutionsprocessen. En typ av evolution är när en art förändras med tiden, till exempel när giraffer får längre halsar. Oftast är arten därför bättre anpassad till sin miljö, en process som kallas anpassning. Evolutionen kan också leda till att en grupp levande varelser delar sig i två grupper. Detta kallas artbildning om det uppstår en ny art. Ett exempel är spottfåglar på Galapagosöarna - en art av spottfågel lever på varje ö, men alla arter har delat sig från en gemensam stamart. Grupper som är större än arter kan också dela sig från en gemensam förfader - till exempel reptiler och däggdjur. En grupp av levande varelser och deras gemensamma förfader kallas för en klad.

Levande varelser kan utvecklas till att bli helt annorlunda än sina förfäder. Som ett resultat av detta kan delar av kroppen också förändras. Samma benstruktur blev människans händer, hästens hovar och fåglarnas vingar. Olika kroppsdelar som utvecklats från samma sak kallas homologa.

Utrotning är när alla medlemmar av en art dör. Cirka 99,9 % av alla arter som någonsin har levt är utdöda. Utrotning kan ske när som helst, men det är vanligare under vissa tidsperioder som kallas utdöende händelser. Det senaste skedde för 65 miljoner år sedan, när dinosaurierna dog ut.

Livets ursprung

Genom att jämföra fossiler och DNA vet vi att allt liv på jorden idag har en gemensam förfader, som kallas den sista gemensamma universella förfadern (LUCA). Andra levande varelser kan ha levt samtidigt som LUCA, men de dog ut. En studie från 2018 tyder på att LUCA är cirka 4,5 miljarder (4 500 000 000 000) år gammal, nästan lika gammal som jorden. De äldsta fossila bevisen på liv är cirka 3,5 miljarder år gamla.

Hur blev icke-levande material levande? Detta är en svår fråga. Det första steget måste ha varit skapandet av organiska föreningar. I Miller-Urey-experimentet 1953 omvandlades oorganiska föreningar till organiska föreningar, t.ex. aminosyror, med hjälp av värme och energi.

Livet behöver en energikälla för kemiska reaktioner. På den tidiga jorden fanns det inget syre i atmosfären. Oxidation med hjälp av Krebscykeln, som är vanlig idag, var inte möjlig. Krebscykeln kan ha fungerat baklänges, genom att göra reduktion i stället för oxidation, och cykeln kan ha tillverkat större molekyler. För att skapa liv behövde molekylerna göra kopior av sig själva. DNA och RNA gör kopior av sig själva, men bara om det finns en katalysator - en förening som påskyndar den kemiska reaktionen. En gissning är att RNA självt fungerade som katalysator. Vid någon tidpunkt omgavs molekylerna av membran, vilket skapade celler.

• Artificiellt liv
• Biologi
• Födelse
• Död
• De tidigaste kända livsformerna
• Utveckling
• Livets träd