Elämä

Elämä on syntymän ja kuoleman rajaama eliön biologinen tila, johon liittyy sellaisia piirteitä kuin itsenäisyys, aineenvaihdunta, moduulirakenne, kasvu, mukautuvuus ja lisääntyminen. Elämää ei ole helppoa määritellä ja kuvailla. Ainoa meidän tuntemamme esimerkki elämästä on maapallolle yhdestä alkusynnystä arviolta 3,5-4,2 miljardia vuotta sitten lähtöisin oleva elämä, mutta Maan ulkopuolinen elämä ja keinotekoinen elämä voivat poiketa siitä. On myös vaikea vetää raja elollisen ja elottoman välille.
Elämä on levinnyt maapallolla lähes kaikkialle, Etelämantereen jäätiköistä Saharan autiomaan kuivaan hiekkaan. Maapallon ulkopuolista elämää ei ole etsinnöistä huolimatta havaittu.
Elämää tutkiva tiede on biologia kaikkine osa-alueineen. Ulkoavaruuden elämää etsii ja tutkii astrobiologia.
Määrittely.
Elämän määrittely on monestakin syystä vaikeaa. Elämälle on vaikea tehdä yleistyksiä, koska ainoa tunnettu esimerkki elämästä on maapallolle yhdestä alkusynnystä lähtöisin oleva elämä. On myös vaikea vetää raja elollisen ja elottoman välille. Elottoman ja elollisen välimaastossa ovat virukset ja prionit.
Kreikkalainen filosofi Dionysios Khalkedonilainen (n. 320 eaa.) määritteli että elämä on ”ravinnon ylläpitämä olennon liike, joka on siinä synnynnäisesti”.
Fyysikko Erwin Schrödinger määritteli 1940-luvulla elämän negatiiviseksi entropiaksi. Kemisti Albert Szent-Györgyi määritteli elämän paikaksi, jossa elektroni voi levätä. Biologisissa määritelmissä elämän ominaisuudeksi mainitaan yleensä kyky tuottaa uusia kopioita itsestään. Astrobiologi André Brackin mukaan elämä on “vesiliukoinen kemiallinen systeemi, joka siirtää molekyylirakenteisiin sisältyvän informaation ja kehittyy”. Nasan versio elämän määritelmästä astrobiologian tutkimusohjelmassaan on, että elämä on “vesiliukoinen kemiallinen systeemi, joka perustuu molekyylirakenteisiin koodattuun informaatioon ja kehittyy”. Kemistien Addy Pross ja Robert Pascal mukaan elämä on toiminnallisuuteen perustuva stabiili tila, joka toimii ulkopuolelta tulevan energian varassa. Fyysikko Pekka Janhusen mukaan elämän voisi määritellä pitkäikäisenä, monimutkaisena ja kehittyvänä autokatalyyttisenä reaktiojoukkona.
Yhteiset piirteet.
Elämän yhteisiä piirteitä ovat:
Viimeisellä kaikille nykyisille eliöille yhteisellä esi-isällä esiintyneitä, ja sitä kautta kaikelle nykyiselle maapallon elämälle yhteisiä ominaisuuksia olivat:
Perusta.
Maapallon elämä perustuu veden ja hiilen ominaisuuksiin. Vedystä ja hapesta muodostuva vesi on elämälle välttämätöntä useasta syystä. Vesi on esimerkiksi monipuolinen liuotin. Vesi myös sitoo hyvin lämpöä, minkä ansiosta suuret vesimassat kuten meret pitävät maapallon lämpötilan tasaisena ja elämälle soveltuvana. Myös veden pintajännitys, koheesio ja jään kelluminen veden päällä ovat tärkeitä elämän kannalta. Hiili on osana tuhansissa elämälle tärkeissä molekyyleissä, koska hiilimolekyyleillä on monipuolinen ja elämän kannalta välttämätön kyky muodostaa lähes loputtomasti erilaisia molekyylejä.
Avaruudessa mahdollisesti olevalla elämällä voi olla erilainen kemia kuin maapallolla. On ehdotettu esimerkiksi piihin, fosforiin ja typpeen sekä rikkihappoon tai ammoniakkiin perustuvaa elämän kemiaa. Näiltä puuttuu kuitenkin veden ja hiilen hyödyllisiä ominaisuuksia, minkä vuoksi niihin perustuvaa elämää pidetään epätodennäköisempänä kuin veteen ja hiileen perustuvaa.
Rakennusaineet.
Elollinen aine rakentuu pääasiassa makromolekyyleistä: aminohapoista, rasva-aineista, nukleotideista ja hiilihydraateista.
Aminohapot muodostavat proteiineja, ja eliöillä esiintyy 20 erilaista aminohappoa, joista kaikki proteiinit rakentuvat. Proteiineja ovat muun muassa elimistön sisäiset viestinviejät hormonit. Proteiinit myös avustavat lähes kaikissa eliön kemiallisissa reaktioissa toimimalla entsyymeinä. Lisäksi proteiinit auttavat erilaisten atomien ja molekyylien kuljettamisessa elimistössä. Proteiinit ovat myös välttämättömiä liikkeen syntymiseen solussa ja eliössä.
Hiilihydraatit toimivat solun ja elimistön lyhytaikaisina energianlähteinä, energiavarastoina sekä tukirakenteina.
DNA-nukleiinihapoksi on nukleotideilla kirjoitettu elämän perinnöllinen koodi. Nukleotidit koostuvat sokerimolekyyleistä, fosforihaposta ja emäksestä. DNA:n luentaan tarvitaan myös toista nukleiinihappoa RNA:ta. Myös solun elintoimintojen energian lähde, ATP, on nukleotidi. Nukleotidit toimivat lisäksi entsyymeinä ja hormoneina.
Rasva-aineita eli lipidejä on hyvin erilaisia. Ne eivät liukene helposti veteen ja hakeutuvat yhteen muodostaen kalvomaisia tai pisaramaisia rakenteita, kuten solukalvoja. Triglyseridit toimivat eliön pitkäaikaisina energiavarastoina. Steroidit toimivat esimerkiksi solukalvon rakennetta tukemassa sekä muodostavat eliön toimintoja sääteleviä hormoneja.
Luokittelu.
Eliöt luokitellaan monitasoisella hierarkkisella järjestelmällä, joka perustuu eliöiden sukulaissuhteisiin. Luokittelu kuvastaa lajien eriytymistä toisistaan. Ylimmällä tasolla on kaikkien nykyisten eliöiden kantamuoto. Jokaisella lajilla on kaksiosainen tieteellinen nimi, joka koostuu suku- ja lajinimestä.
Omissa linjoissaan kehittyneitä eliökuntia katsotaan olevan kuusi: prokaryootit, arkkieliöt, alkueliöt, sienet, kasvit ja eläimet. Näistä monisoluisia ovat kolme viimeistä.
Elämän historia.
Elämän synty.
Varhaisella maapallolla oli jo saatavilla runsaasti energiaa sekä niitä alkuaineita, joista valtaosa elävistä solukoista rakentuu: vetyä, hiiltä, happea ja typpeä. Hapen alhainen pitoisuus ilmakehässä luultavasti edisti kemiallista evoluutiota ennen elämän syntyä.
Elämä syntyi maapallolle ehkä 3,5–4,2 miljardia vuotta sitten.
Elämän alkuperästä ja synnystä on esitetty useita teorioita. Salamateorian mukaan kipinän elämän kehittymiselle antoi salaman aiheuttama voimakas energiapurkaus, joka synnytti elämän perusaineksiin kuuluvat aminohapot. Toisen suositun teorian mukaan elämän synnytti merenpohjan kuumien lähteiden runsaasti energiaa sisältävä aineiden yhdistelmä. Kolmannen teorian mukaan ensimmäiset elämän ainekset toi mukanaan Maahan iskeytynyt komeetta.
Myös elämän syntytapahtumista molekyylitasolla on laadittu lukuisia hypoteeseja, kuten alkukopioituja, esisolu, RNA-maailma, hypersykli, rauta-rikkimaailma, lipidimaailma ja proteiinimaailma. Nämä ajatukset kilpailevat keskenään ja joskus täydentävät toisiaan.
Elämän kehitys.
Viimeinen universaali esivanhempi (LUCA), josta kaikki elämä maapallolla on polveutunut, eli ehkä noin 3,8 miljardia vuotta sitten. Sitä on kuvattu ”puoliksi eläväksi”, sillä se saattoi olla vielä riippuvainen merenpohjan purkausaukkojen elottomista reaktioista tuottaakseen tarvitsemiansa kemikaaleja. Vuonna 2024 julkaistun tutkimuksen perusteella LUCA olisikin 4,2 miljardia vuotta vanha, eli vain 300 miljoonaa vuotta maapalloa nuorempi, mutta tästä ei ole yksimielisyyttä.
Aluksi elämää oli vain veden alla. Ensimmäiset eliöt olivat bakteereita; syanobakteerit olivat todennäköisesti Maan pääasiallisia elämänmuotoja ensimmäiset kaksi miljardia vuotta. Niiden tuottama happi edisti monimutkaisempien solujen kehitystä, ja 1,5 miljardia vuotta sitten tumallisten solujen kehittyminen mahdollisti suvullisen lisääntymisen ja siten myös uusien eliölajien kehittymisen. Näitä olivat akritarkit, kelluvat, yksisoluiset eliöt. Jotkut akritarkeista on liitetty viherleviin, mutta suurinta osaa ei ole kyetty ryhmittelemään.
1,3 miljardia vuotta sitten syntyi ilmakehän otsonikerros, jonka suojissa elämän kehitys jatkui. 800 miljoonaa vuotta sitten kehittyivät ensimmäiset alkueläimet, jotka käyttivät ravintonaan muita eliöitä. Ne kehittyivät 120 miljoonan vuoden kuluessa monimutkaisiksi ja monisoluisiksi eläimiksi, jotka muistuttivat koralleja tai matoja.
Selkärangattomien eläinten perusryhmät ilmestyivät proterotsooisen kauden lopulla ja paleotsooisen kauden alussa noin 540 miljoonaa vuotta sitten. Merien valtamuotoja kambrikaudella 542–490 miljoonaa vuotta sitten olivat luultavasti trilobiitit. Merissä eli myös selkäjänteisiä, joista ihminen polveutuu. Kambrikauden lopulla suurin osa eliöistä tuhoutui, mutta 500–435 miljoonaa vuotta sitten ordovikikaudella elämän monimuotoisuus lisääntyi jälleen. Selkärangattomat olivat yhä vallitsevia, mutta myös selkärankaisia esiintyi. Alkeelliset leuattomat kalat kehittyivät 485 miljoonaa vuotta sitten; ne toimivat kantamuotoina myöhemmille kaloille, sammakkoeläimille, matelijoille, linnuille ja nisäkkäille. Siluurikaudella 435–395 miljoonaa vuotta sitten levät erilaistuivat ja kalojen pääryhmät kehittyivät.
Ensimmäiset maakasvit kehittyivät noin 450 miljoonaa vuotta sitten. Ne muistuttivat luultavasti nykyisiä maksasammalia, karvalehtikasveja ja sammalia. Vanhimpien putkilokasvien fossiilit ovat 430 miljoonaa vuotta vanhoja. Koko maapallon kasvillisuus oli siluurikaudella hyvin samankaltaista, koska Pangean supermanner kattoi kaiken maa-alueen. Maan kivihiili on muodostunut maakerroksiin muinoin hautautuneista kuolleista kasveista.
Kasvit alkoivat erilaistua devonikaudella 395–345 miljoonaa vuotta sitten. Syntyi metsiä, joissa oli jättiläisliekoja ja kortekasveja. Myös saniaisia ja paljassiemenisiä kasveja alkoi esiintyä. Sammakkoeläimiä alkoi nousta maalle.
Kivihiilikaudella 345–280 miljoonaa vuotta sitten liekometsissä oli hämähäkkejä, skorpioneja ja tuhatjalkaisia. Matelijat kehittyivät sammakkoeläimistä 300 miljoonaa vuotta sitten. Kauden lopun kylmä vaihe johti harventuneeseen kasvilajistoon, jonka valtalajeina olivat alkeelliset siemensaniaiset. Permikaudella 280–245 miljoonaa vuotta sitten vallitsevia olivat havupuut. Matelijoiden luurangoissa oli jo samantapaisia piirteitä kuin nisäkkäillä. Permikauden päätti maailmanhistorian suurin joukkotuho.
Triaskaudella 245–200 miljoonaa vuotta sitten ilmestyivät nisäkkäät, sisiliskot, dinosaurukset, kilpikonnat ja krokotiilit. Dinosaurusten valtakausi kesti 160 miljoonaa vuotta. Nisäkkäät kehittyivät dinosauruksia muistuttaneista matelijoista, ja ne olivat aluksi pieniä yöeläimiä.
Jurakaudella 200–145 miljoonaa vuotta sitten syntyivät kärpäset, sääsket, ampiaiset, mehiläiset ja muurahaiset. Linnut kehittyivät dinosaurusten alalahkosta, kahdella jalalla kulkevista teropodeista.
Liitukaudella 145–65 miljoonaa vuotta sitten ilmestyivät lepakot, nokkaeläimet, pussieläimet, istukalliset nisäkkäät ja nisäkäspedot. 80 miljoonaa vuotta sitten paljas- ja koppisiemeniset kasvit alkoivat syrjäyttää käpypalmuja ja saniaisia. Myös nisäkkäät alkoivat yleistyä. Dinosaurukset hävisivät liitukauden lopussa 65 miljoonaa vuotta sitten yhdessä maapallon monista sukupuuttoaalloista.
Kädelliset kehittyivät viimeistään 75 miljoonaa vuotta sitten. Varhaisin ihmisten kehityshaaraan kuulunut kädellisten muoto tunnetaan noin viiden miljoonan vuoden takaa. Nykyihminen kehittyi Afrikassa yli 100 000 vuotta sitten.
Elämän loppu.
Elämä loppuu maapallolla viimeistään viiden miljardin vuoden kuluttua, kun Aurinko on laajentunut punaiseksi jättiläiseksi ja kuumentanut maapallon elämälle sopimattomaksi. Jo miljardin vuoden kuluttua maapallo on niin kuuma, että elämä on mahdollista enää ehkä vain kaikkein sopeutuvimmille yksisoluisille eliöille.
Elämän äärirajat.
Elämä on maapallolla sopeutunut hyvin erilaisiin olosuhteisiin. Äärimmäisissä olosuhteissa viihtyviä eliöitä kutsutaan ekstremofiileiksi. Ne ovat sopeutuneet erilaisin keinoin muun muassa äärimmäiseen kuivuuteen, kylmyyteen, kuumuuteen, korkeisiin suolapitoisuuksiin, happamiin ja emäksisiin olosuhteisiin, korkeaan paineeseen sekä syvällä maan alla oleviin elinolosuhteisiin. Elämää on tavattu maapallon ilmakehässä jopa 40 kilometrin korkeudella merenpinnasta. Elämää esiintyy myös metaanihydraattijäässä merenpohjassa sekä neljän kilometrin paksuisen jääpeitteen alla Vostokjärvessä Etelämantereella. Maan sisällä kallioperässä lämpötila pysyy elämälle soveliaana aina viiteen tai kuuteen kilometriin asti. Maan alla elävän mikrobiston painon on arveltu olevan yhtä suuri kuin maan päällä olevan eliökunnan paino.
Maapallon maaperässä toistaiseksi ainoat paikat, joista minkäänlaisia merkkejä elämästä ei ole löydetty, sijaitsevat Etelämantereen sisäosien korkeilla vuorilla.
Maapallon ulkopuolinen elämä.
Elämän rakennusaineita esiintyy myös maapallon ulkopuolella, ja eksoplaneettoja on hyvin suuri määrä. Elämälle suotuisat olosuhteet galakseissa esiintyvät niin sanotulla galaktisella elinkelpoisella vyöhykkeellä. Parhaiten kiinteän planeetan syntyyn tarvittavia raskaita alkuaineita esiintyy tähdissä lähellä galaksien keskustaa. Liian lähellä galaksin keskustaa on elämälle vaarallista säteilyä. Elämää voi lisäksi olla vain planeetalla, joka sijaitsee sopivalla etäisyydellä tähdestään niin sanotulla tähteä ympäröivällä elinkelpoisella vyöhykkeellä. Tähden täytyy olla melko paljon Auringon kaltainen, jotta elinkelpoinen vyöhyke olisi riittävän leveä ja tähden elinikä riittävän pitkä elämän kehittymiselle. Samassa planeettakunnassa sijaitseva jättiläisplaneetta on elämän kannalta hyödyllinen, sillä se vähentää elämälle tuhoisien asteroidien esiintymistä. Planeetan elinkelpoisuutta edistää ratkaisevasti myös esimerkiksi sen akselin kaltevuus ja sen kiertolainen, kuten Maalla Kuu.
Elämän tarvitsema energia voi planeetasta riippuen tulla monesta lähteestä, kuten tähden säteilystä, kemosynteesistä, vuorovesivaikutuksesta, radioaktiivisten aineiden hajoamisesta, planeetan jäähtymisestä vapautuvasta lämpöenergiasta tai kosmisesta säteilystä.
Elämän rakennusaineet voivat matkata ympäri avaruutta meteoroidien tai komeettojen sisällä. Osuessaan planeettaan ne voivat synnyttää sinne elämää. Niin sanotun panspermia-teorian mukaan myös maapallon elämä on voinut saada alkunsa meteoroidin tai komeetan sisällä. Jotkin harvat maapallolla esiintyvät eliöt, kuten "Deinococcus radiodurans" -bakteeri, kestävät avaruuden äärimmäisen ankaria olosuhteita ja voisivat selviytyä avaruusmatkasta. Eri tähtien väliset etäisyydet ovat kuitenkin niin pitkät, että elämän ei uskota voivan siirtyä planeettakunnasta toiseen.
Aurinkokunnassa on Maan ohella muutama muu kappale, jossa elämän on arveltu mahdollisesti pystyneen syntymään. Näitä ovat Mars-planeetta, Jupiterin kuu Europa sekä Saturnuksen kuut Titan ja Enceladus. Myös Venuksen arvioidaan olleen Aurinkokunnan alkuaikoina olosuhteiltaan elämän synnylle sopiva. Kun planeetan pinnasta myöhemmin tuli elinkelvoton, mahdollinen elämä saattoi siirtyä pilvikerrokseen.
Elämää etsitään avaruudesta koko ajan kehittyneemmillä teleskoopeilla ja luotaimilla. Elämää yritetään löytää tutkimalla kaukaisten planeettojen säteilyn spektrejä. Eräs osoitus eliötoiminnasta olisivat spektrissä näkyvät hapen, otsonin ja metaanin spektriviivat, sillä näitä kaasuja esiintyy yhdessä vain jos jokin prosessi tuottaa niitä. Elämää etsitään myös yrittämällä poimia vieraiden sivilisaatioiden lähettämiä viestejä radioteleskooppien avulla.
Elämän muokkaus.
Ihminen pystyy nykyisin muokkaamaan elämän perusosia geenitekniikan avulla. Se on tehnyt mahdolliseksi esimerkiksi kloonaamisen eli eläinyksilöiden kopioinnin. Yksittäisten geenien siirrolla voidaan siirtää ominaisuuksia lajista toiseen, kuten muuntogeenisille viljelykasveille parempaa vastustuskykyä tai ravintopitoisuutta. Ihmisen genomin tekninen muokkaaminen on tällä hetkellä kiellettyä. Sallittua on vain geeniseulonta sekä luonnollisten mutaatioiden ja olemassa olevien geenien hyödyntäminen.
Keinotekoinen elämä.
Ihminen ei ole toistaiseksi pystynyt valmistamaan konetta, joka voitaisiin määritellä eläväksi. Mikään kone ei vielä pysty kopioimaan ja ylläpitämään itseään, ja tekoelämä tarvitsisikin paljon ihmisen myötävaikuttamista. Spontaanisti lisääntyvä kone ei voi syntyä itsestään, sillä luonnollisessa ympäristössä ei esiinny sen tarvitsemia valmiita komponentteja kuten piirilevyjä, puolijohteita, magneettisiruja ja lukulaitteita. Ihmisenkin rakentaman koneen pitäisi oppia rakentamaan kokoamislinjat sekä purkulinjat tai purkurobotit. Koneiden rakentumista rajoittaa myös se, että niiden mineraalisten raaka-aineiden saatavuus voi tyrehtyä siihen, että niillä ei ole samanlaista raaka-aineiden kierrätystä kuin elävillä olioilla. Elottomat materiaalit eivät myöskään ole yhtä kestäviä kuin elolliset, vaan ne esimerkiksi hapettuvat ja haurastuvat eivätkä parane.
Koneiden elämä olisi monella tavalla erilaista kuin elollinen elämä. Koneiden ominaisuudet eivät esimerkiksi periytyisi niiden jälkeläisille, vaan kehitys tapahtuisi niiden ohjelmistojen päivittymisen kautta. On myös yritetty pohtia muun muassa sitä, mikä motivoisi koneita pysymään "elossa", olisivatko koneet tietoisia, ja miten ne suhtautuisivat toisiinsa ja ihmiseen.