Hvad er liv? Definition, egenskaber og biologisk betydning

Levende ting, eller organismer, kan forklares som åbne systemer. De er altid under forandring, fordi de udveksler materialer og information med deres omgivelser. De gennemgår stofskifte, opretholder homøostase, har evne til at vokse, reagere på stimuli og reproducere sig selv.

Gennem naturlig udvælgelse tilpasser de sig deres miljø i de efterfølgende generationer. Mere komplekse levende organismer kan kommunikere på forskellige måder. Der findes mange livsformer på Jorden. De fælles egenskaber for disse organismer - planter, dyr, svampe, protister, archaea og bakterier - er en kulstof- og vandbaseret celleform med kompleks organisation og arvelig genetisk information.

De systemer, der udgør livet, har mange organisationsniveauer. Fra det mindste til det største er de: molekyle, celle, væv (gruppe af celler med et fælles formål), organ (del af kroppen med et formål), organsystem (gruppe af organer, der arbejder sammen), organisme, population (gruppe af organismer af samme art), samfund (alle organismer, der interagerer i et område), økosystem (alle organismer i et område og de ikke-levende omgivelser) og biosfære (alle dele af Jorden, hvor der er liv).

Jorden er i dag den eneste planet, som mennesket har detaljerede oplysninger om. Spørgsmålet om, hvorvidt der findes liv andre steder i universet, er åbent. Der har været en række påstande om, at der findes liv andre steder i universet. Ingen af disse er indtil videre blevet bekræftet. Det bedste bevis for liv uden for Jorden er nukleinsyrer, som er fundet i visse typer meteoritter.

En af forklaringerne på livet kaldes celleteorien. Celleteorien har tre grundlæggende punkter: Alle levende ting består af celler. Cellen er den mindste levende ting, der kan gøre alle de ting, der er nødvendige for livet. Alle celler må stamme fra allerede eksisterende celler.

Noget siges ofte at være levende, hvis det:

• vokser,
• optager føde, bruger maden til energi og udskiller affaldsprodukter (se stofskifte),
• bevæger sig: den skal enten bevæge sig selv eller have bevægelse i sig selv,
• formerer sig, enten seksuelt (med en anden levende ting) eller aseksuelt ved at skabe kopier af sig selv,
• reagerer på sine omgivelser,
• funktioner

Det er dog ikke alle levende ting, der passer til alle punkterne på denne liste.

• Muldyrene kan ikke formere sig, og det kan arbejdsmyrerne heller ikke.
• Virus og sporer er ikke aktivt levende (metaboliserer), før betingelserne er til stede.

De passer dog til de biokemiske definitioner: de er lavet af den samme slags kemikalier.

Den termodynamiske definition af liv er ethvert system, der kan holde sit entropiniveau under det maksimale niveau (normalt gennem tilpasning og mutationer).

En moderne tilgang

En moderne definition blev givet af Humberto Maturana og Francisco Varela i 1980, og de gav den navnet autopoiesis:

1. Produktion af deres egne komponenter
2. Korrekt samling af disse komponenter
3. Løbende reparation og vedligeholdelse af deres egen eksistens.

Roth kommenterede, at "kort sagt er organismer selvreproducerende og selvvedligeholdende, eller 'autopoietiske' systemer". Denne tilgang gør brug af molekylærbiologiske idéer og systemvidenskabelige idéer.

Kemi

Livet på Jorden er lavet af organiske forbindelser - molekyler, der indeholder kulstof. Fire typer af langkædede molekyler (makromolekyler) er vigtige: kulhydrater, lipider, proteiner og nukleinsyrer.

• Simple kulhydrater (sukkerarter) bruges til energi eller som byggesten. Komplekse kulhydrater, som stivelse og cellulose, kan holde på energien i lang tid. De bruges også til at skabe en stærk struktur, som f.eks. en plantestamme.
• Lipider kan være isolerende for at holde et levende væsen varmt, som f.eks. fedt på en pingvin, eller for at forhindre vand i at trænge ind eller ud, som f.eks. vandtætte fjer. Alle cellemembraner består af to lag phospholid (en slags lipid). Nogle former for lipider er hormoner, som sender beskeder fra en celle til en anden.
• Proteiner, lange kæder af aminosyrer, har mange formål. De foldes i komplekse former, fordi deres aminosyrer interagerer. Proteiner er involveret i mange kemiske reaktioner for at få dem til at gå hurtigere.
• Nukleinsyrer, herunder DNA og RNA, er lange kæder af nukleotider. Der er kun fire slags nukleotider i hver kæde, men de er instruktionerne for livet, ligesom et sprog. Hver tre nukleotider fortæller cellen, at den skal lave en aminosyre. En del af en nukleinsyre er koden for et proteinmolekyle.

Næsten alle levende væsener har brug for de kemiske grundstoffer kulstof, brint, ilt, kvælstof, svovl og fosfor til at opbygge disse makromolekyler. Levende ting har også brug for små mængder af andre grundstoffer, såkaldte sporstoffer. Vand er en meget vigtig del af alle levende væsener. Mennesker består f.eks. af ca. to tredjedele vand. Vand er et opløsningsmiddel, som gør det muligt for molekyler at blande sig og reagere med andre molekyler.

Energikilder

Alle levende væsener har brug for energi for at overleve, bevæge sig, vokse og formere sig. Nogle kan få energi fra omgivelserne uden hjælp fra andre levende væsener: disse kaldes producenter eller autotrofer. Planter, alger og nogle bakterier, som er en gruppe producenter, der kaldes fotoautotrofer, bruger solens lys til at skaffe energi. Når producenterne bruger lyset til at fremstille og lagre organiske forbindelser, kaldes det fotosyntese. Nogle andre producenter, kaldet kemoautotrofer, får energi fra kemikalier, der kommer op fra havbunden i hydrotermiske slamslukke. Andre levende væsener får deres energi fra organiske forbindelser: disse kaldes forbrugere eller heterotrofer. Dyr, svampe, de fleste bakterier og de fleste protister er forbrugere. Forbrugerne kan spise andre levende væsener eller dødt materiale.

Både producenter og forbrugere har brug for at nedbryde organiske forbindelser for at frigøre energi. Den bedste måde at gøre dette på er aerob respiration, som frigiver mest energi, men levende væsener kan kun foretage aerob respiration, hvis de har ilt (O2). De kan også nedbryde disse forbindelser uden ilt ved hjælp af anaerob respiration eller fermentering.

Alle levende væsener har celler. Alle celler har en cellemembran på ydersiden og et geléagtigt materiale, der fylder indersiden, kaldet cytoplasma. Membranen er vigtig, fordi den adskiller kemikalierne indeni og udenfor. Nogle molekyler kan passere gennem membranen, men andre kan ikke. Levende celler har gener, som består af DNA. Generne siger til cellen, hvad den skal gøre, ligesom et sprog. Et DNA-molekyle med mange gener kaldes et kromosom. Celler kan kopiere sig selv og lave to nye celler.

Der findes to hovedtyper af celler: prokaryote og eukaryote celler. Prokaryote celler har kun få dele. Deres DNA har form som en cirkel inde i cytoplasmaet, og de har ingen membraner inde i cellen. Eukaryote celler er mere komplekse, og de har en cellekerne. DNA'et befinder sig inde i kernen, og der er en membran omkring kernen. Eukaryote celler har også andre dele, der kaldes organeller. Nogle af disse andre organeller har også membraner.

Taxonomi er den måde, hvorpå man inddeler livsformer i grupper. De mindre grupper er mere nært beslægtede, men de større klasser er mere fjernt beslægtede. Taxonomiens niveauer, eller rækker, er domæne, kongerige, stamme, klasse, orden, familie, slægt og art. Der er mange idéer om betydningen af art. En idé, kaldet det biologiske artsbegreb, er som følger. En art er en gruppe af levende væsener, der kan parre sig med hinanden, og hvis børn kan lave deres egne børn.

Taxonomien har til formål at gruppere levende væsener med en fælles forfader. Dette kan nu gøres ved at sammenligne deres DNA. Oprindeligt blev det gjort ved at sammenligne deres anatomi.

De tre livsdomæner er bakterier, arkæer og eukarya. Bakterier og archaea er prokaryoter og har kun én celle. Bakterier varierer i størrelse fra 0,15 kubikmikrometer (Mycoplasma) til 200.000.000 kubikmikrometer (Thiomargarita namibiensis). Bakterier har former, som er nyttige til klassificering, f.eks. runde, lange og tynde og spiralformede. Nogle bakterier forårsager sygdomme. Bakterier i vores tarme er en del af vores tarmflora. De nedbryder noget af vores mad. Både bakterier og arkæer kan leve, hvor større livsformer ikke kan leve. Bakterier har et molekyle kaldet peptidoglykan i deres cellevæg, men det har arkæer ikke. Arkæer har et molekyle kaldet isopren i deres cellemembran, men det har bakterier ikke.

Eukarya er levende væsener med eukaryote celler, og de kan have én celle eller mange celler. De fleste eukaryoter bruger seksuel formering til at lave nye kopier af sig selv. Ved seksuel reproduktion bliver to kønsceller, en fra hver forælder, forenet for at skabe et nyt levende væsen.

Planter er eukaryoter, der bruger solens lys til at skaffe energi. De omfatter alger, som lever i vand, og landplanter. Alle landplanter har to former i løbet af deres livscyklus, kaldet generationsskifte. Den ene form er diploid, hvor cellerne har to kopier af deres kromosomer, og den anden form er haploid, hvor cellerne har én kopi af deres kromosomer. Hos landplanter har både den diploide og den haploide form mange celler. To former for landplanter er karplanter og bryofytter. Karplanter har lange væv, der strækker sig fra ende til ende af planten. Disse væv transporterer vand og føde. De fleste planter har rødder og blade.

Dyr er eukaryoter med mange celler, som ikke har nogen stive cellevægge. Alle dyr er forbrugere: De overlever ved at spise andet organisk materiale. Næsten alle dyr har neuroner, som er et signalsystem. De har normalt muskler, som får kroppen til at bevæge sig. Mange dyr har et hoved og ben. De fleste dyr er enten hanner eller hunner. De har brug for en partner af det modsatte køn for at få afkom. Kønsceller fra hannen og hunnen kan mødes inde i eller uden for kroppen.

Svampe er eukaryoter, der kan have én celle, som f.eks. gær, eller mange celler, som f.eks. svampe. De er saprofytter. Svampe nedbryder levende eller dødt materiale, så de er nedbrydere. Kun svampe og nogle få bakterier kan nedbryde lignin og cellulose, som er to dele af træ. Nogle svampe er mykorrhiza. De lever under jorden og giver næringsstoffer til planter, f.eks. kvælstof og fosfor. Eukaryoter, som ikke er planter, dyr eller svampe, kaldes protister. De fleste protister lever i vand.

I løbet af tusinder eller millioner af år kan levende væsener ændre sig gennem evolutionsprocessen. En form for evolution er, når en art ændrer sig over tid, f.eks. når giraffer får længere halse. Det meste af tiden, fordi arten passer bedre til sit miljø, en proces, der kaldes tilpasning. Evolutionen kan også få en gruppe af levende væsener til at dele sig i to grupper. Dette kaldes artsdannelse, hvis der opstår en ny art. Et eksempel er spottefuglene på Galapagosøerne - der lever en art spottefugl på hver ø, men alle arterne har delt sig fra en fælles forfaderart. Grupper, der er større end arter, kan også dele sig fra en fælles forfader - f.eks. krybdyr og pattedyr. En gruppe af levende væsener og deres fælles forfader kaldes en klade.

Levende væsener kan udvikle sig til at være helt anderledes end deres forfædre. Som følge heraf kan dele af kroppen også ændre sig. Den samme knoglestruktur blev til menneskets hænder, hestens hove og fuglenes vinger. Forskellige kropsdele, der har udviklet sig fra det samme, kaldes homologe.

Udryddelse er, når alle medlemmer af en art dør. Omkring 99,9 % af alle arter, der nogensinde har levet, er uddøde. Udryddelse kan ske når som helst, men det er mere almindeligt i visse perioder, der kaldes udryddelsesbegivenheder. Den seneste var for 65 millioner år siden, da dinosaurerne uddøde.

Livets oprindelse

Ved at sammenligne fossiler og DNA ved vi, at alt liv på Jorden i dag har en fælles forfader, kaldet den sidste universelle fælles forfader (LUCA). Andre levende væsener kan have været i live på samme tid som LUCA, men de er uddøde. En undersøgelse fra 2018 tyder på, at LUCA er ca. 4,5 milliarder (4.500.000.000) år gammel, næsten lige så gammel som Jorden. De ældste fossile beviser på liv er omkring 3,5 milliarder år gamle.

Hvordan blev ikke-levende materiale levende? Det er et vanskeligt spørgsmål. Det første skridt må have været skabelsen af organiske forbindelser. I 1953 blev uorganiske forbindelser ved Miller-Urey-forsøget omdannet til organiske forbindelser, f.eks. aminosyrer, ved hjælp af varme og energi.

Livet har brug for en energikilde til kemiske reaktioner. På den tidlige Jord var der ikke ilt i atmosfæren. Oxidation ved hjælp af Krebs-cyklussen, som er almindelig i dag, var ikke mulig. Krebs-cyklusen kan have fungeret baglæns, idet den har foretaget reduktion i stedet for oxidation, og cyklusen kan have dannet større molekyler. For at skabe liv skulle molekylerne lave kopier af sig selv. DNA og RNA laver kopier af sig selv, men kun hvis der er en katalysator - et stof, som fremskynder den kemiske reaktion. Et gæt er, at RNA selv fungerede som katalysator. På et tidspunkt blev molekylerne omgivet af membraner, som dannede celler.

• Kunstigt liv
• Biologi
• Fødsel
• Død
• De tidligste kendte livsformer
• Udvikling
• Livets træ