2.5 Elämän perusedellytykset
Sitä maapallon osaa, jossa eläviä eliöitä esiintyy, kutsutaan biosfääriksi. Biosfääri ulottuu ilmakehästä jopa syvälle kallioon. Elämä kuitenkin keskittyy maan pinnalle ja merten pintaosiin.
Eliöitä esiintyy maapallolla pääasiassa vain niillä alueilla, joilla elämän perusedellytykset toteutuvat. Esimerkiksi lämpötilan täytyy olla elämälle suotuisa, ja ympäristössä täytyy olla nestemäisessä olomuodossa olevaa vettä.
Myös paineen, suolapitoisuuden ja happamuuden (pH) pitää olla eliöille sopivat. Nämä elottoman luonnon (abioottiset) ympäristötekijät vaikuttavat eliöiden levinneisyyteen ja eliöiden runsauteen maapallon eri osissa.
Eliöiden runsauteen ja lajiston monimuotoisuuteen vaikuttavat monet tekijät. Arvioi lajirikkautta kuvan eri ympäristöissä.
Auringon säteily ylläpitää suurinta osaa maapallon elämästä. Auringon säteilystä elämän kannalta tärkeää ovat näkyvä valo ja lämpösäteily. Näkyvää valoa hyödyntävät esimerkiksi kasvit fotosynteesissä. Auringon lämpösäteily on tärkeää, sillä sen avulla maapallon lämpötila on elämälle sopiva.
Toisenvaraiset eliöt käyttävät muita eliöitä ravintonaan, eli niiden energianlähteenä ovat tuottajien muodostamat orgaaniset yhdisteet. Toisenvaraisia eli heterotrofisia eliöitä kutsutaan ekosysteemin kuluttajiksi.
Ympäristön liian korkea tai matala lämpötila rajoittaa eliöiden esiintymistä ja levinneisyyttä maapallolla. Tämä johtuu siitä, että kaikkien solujen massasta suurin osa on vettä. Solut eivät saa jäätyä, sillä solujen jäätyessä soluihin muodostuu niiden hienorakenteen rikkovia jääkiteitä. Solujen jäätymispiste vaihtelee eri eliölajeilla solunesteen koostumuksen mukaan. Toisaalta liian korkeassa lämpötilassa vesi kiehuu, eikä tällöin solurakenteen ylläpitäminen ole mahdollista.
Liian suuret poikkeamat minimi- ja maksimilämpötilojen ulkopuolelle ovat tuhoisia soluille. Solun kemialliset reaktiot hidastuvat ja lopulta lakkaavat sekä liian alhaisissa että liian korkeissa lämpötiloissa. Liian korkea lämpötila muuttaa proteiinien rakennetta siten, että ne menettävät toimintatehonsa.
Elämä alle 0 celsiusasteen tai yli 40 celsiusasteen ympäristössä vaatii lajeilta usein erityisiä sopeutumia, kuten kiteiden rakentumista estäviä tai proteiinien rakennetta suojaavia molekyylejä. Esimerkiksi jotkin mikrobit elävät merijään suolavesitaskuissa, joissa lämpötila voi laskea muutamiin kymmeniin pakkasasteisiin. Monet eliöt voivat myös muodostaa lepomuotoja, jotka selviävät hyvinkin kylmistä lämpötiloista vahingoittumattomina. Hyvin korkeissa lämpötiloissa eläviä eliöitä ovat esimerkiksi valtamerten mustissa savuttajissa elävät mikrobit. Korkean paineen ansiosta mustien savuttajien lämpötila voi nousta jopa 120 °C:een. Tätä kuumemmissa lämpötiloissa minkään eliön ei ole havaittu selviytyvän.
Kuumissa lähteissä elää mm. eräitä arkeoneja.
Vesi on kaikkien eliöiden olemassaolon edellytys. Kaikki eliöt ja solut sisältävät runsaasti vettä, eivätkä ne toimi aktiivisesti, ellei vettä ole saatavilla. Esimerkiksi bakteerien lepoitiöiden ja kasvin siementen elintoiminnot aktivoituvat vain silloin, kun vettä on saatavilla. Veden tärkeydestä kertoo myös se, että ihminen ei pärjää ilman vettä muutamaa päivää kauempaa. Vesi koostuu vety- ja happiatomeista, joita on maailmankaikkeudessa paljon.
Vesi on melko yksinkertainen ja pienikokoinen molekyyli. Se on erittäin hyvä liuotin, joten monet elämälle tärkeät aineet liukenevat siihen. Eliöille tärkeät kemialliset reaktiot tapahtuvat vesiliuoksessa, ja vesi pystyy myös kuljettamaan helposti aineita paikasta toiseen. Vesi on mukana myös monissa eliöiden kemiallisissa reaktioissa. Esimerkiksi fotosynteesissä vedestä ja hiilidioksidista muodostuu glukoosia.
Vedellä on suuri ominaislämpökapasiteetti. Mitä suurempi aineen ominaislämpökapasiteetti on, sitä enemmän energiaa tarvitaan muuttamaan sen lämpötilaa. Vesi siis lämpenee ja jäähtyy hitaammin kuin muut aineet. Tämä mahdollistaa suhteellisen tasaisen ilmaston ja hitaat muutokset ekosysteemeissä. Hitaat lämpötilamuutokset mahdollistavat elämän tasaisen kehityksen.
Vedellä on myös suuri sulamis- ja höyrystymislämpö, joten jään sulattamiseen ja veden haihtumiseen vaaditaan paljon energiaa. Toisaalta myös veden jäätyminen ja tiivistyminen vapauttavat paljon energiaa. Myös tämä tasaa lämpötilanvaihteluita maapallolla. Hikoilussa hyödynnetään veden suurta höyrystymislämpöä, sillä hien haihtuminen iholta sitoo lämpöenergiaa, ja näin elimistö jäähtyy.
Vesi käyttäytyy fysikaalisesti toisin kuin monet muut aineet. Esimerkiksi paineen nostaminen saa jään sulamaan, kun yleensä aineet kiinteytyvät painetta nostettaessa. Lisäksi nestemäinen vesi on tiheintä +4 °C:ssa. Tästä syystä järvet ja meret eivät jäädy pohjasta, vaikka niiden pinnalla olisi paksukin jääkerros. Tämä helpottaa eläinten ja kasvien selviytymistä talven yli pohjoisilla ja eteläisillä vesialueilla.
Merenpinnan tasolla ilmanpaine on noin 1 bar eli 100 000 pascalia. Siirryttäessä merenpinnan tason alapuolelle paine kasvaa, ja toisaalta siirryttäessä merenpinnan tason yläpuolelle se laskee. Poikkeava paine rajoittaa eliöiden levinneisyyttä sekä valtamerten syvyyksissä että vuoristossa. Korkealla vuoristossa ilmanpaine on pienempi, jolloin myös happea on vähemmän kuin merenpinnan tasolla. Vaikka olosuhteet ovat osissa maapalloa normaaleista selvästi poikkeavia, esiintyy näissäkin elinympäristöissä elämää eliöiden sopeutumiskyvyn ansiosta. Valtamerten syvyyksissä on monia eliölajeja, vaikka siellä on pimeää, kylmää ja korkea paine.
Syvänmeren lajien elinympäristö on erilainen kuin pintavesissä elävien eläinten, sillä syvemmälle mentäessä veden aiheuttama paine kasvaa. Syvällä elävien lajien haasteena on valtavan paineen lisäksi pimeys ja kylmyys. Syvänmeren kalojen kudoksien vesipitoisuus on suuri, jopa 90 prosenttia. Vetinen kudoskoostumus takaa sen, että kudosten tiheys on sama kuin ympäröivän veden. Syvänmeren eliöillä on myös muita sopeumia kovaan paineeseen: esimerkiksi niiden luut ovat joustavia, joten ne eivät litisty kovassa paineessa.
Syvänmeren kalat ovat sopeutuneet pimeyteen ja korkeaan paineeseen.
Eliöitä esiintyy maapallolla pääasiassa vain niillä alueilla, joilla elämän perusedellytykset toteutuvat. Esimerkiksi lämpötilan täytyy olla elämälle suotuisa, ja ympäristössä täytyy olla nestemäisessä olomuodossa olevaa vettä.
Myös paineen, suolapitoisuuden ja happamuuden (pH) pitää olla eliöille sopivat. Nämä elottoman luonnon (abioottiset) ympäristötekijät vaikuttavat eliöiden levinneisyyteen ja eliöiden runsauteen maapallon eri osissa.
Eliöiden runsauteen ja lajiston monimuotoisuuteen vaikuttavat monet tekijät. Arvioi lajirikkautta kuvan eri ympäristöissä.
Energianlähteet
Auringon säteily ylläpitää suurinta osaa maapallon elämästä. Auringon säteilystä elämän kannalta tärkeää ovat näkyvä valo ja lämpösäteily. Näkyvää valoa hyödyntävät esimerkiksi kasvit fotosynteesissä. Auringon lämpösäteily on tärkeää, sillä sen avulla maapallon lämpötila on elämälle sopiva.
Auringon säteily on metsän kasveille välttämätön energianlähde.
Kasvit tarvitsevat auringon valoenergiaa fotosynteesiä varten. Fotosynteesissä kasvit tuottavat happea ja valmistavat glukoosia (rypälesokeri), jota kasvi käyttää omaan kasvuun ja lisääntymiseen. Fotosynteesissä muutetaan auringon valoenergiaa kemialliseksi energiaksi.
Yksisoluisilla arkeilla ja bakteereilla yhteyttämisen muotona on kemosynteesi, joka ei vaadi auringon säteilyenergiaa. Kemosynteesiä hyödyntävät eliöt käyttävät energianlähteenään epäorgaanisia kemiallisia yhdisteitä, joita hapettamalla ne tuottavat itselleen energiaa.
Foto- ja kemosynteesiä hyödyntäviä omavaraisia eliöitä sanotaan ravintoketjussa tuottajiksi siksi, että kaikki muut eliöt elävät niiden valmistamien yhteyttämistuotteiden varassa.Toisenvaraiset eliöt käyttävät muita eliöitä ravintonaan, eli niiden energianlähteenä ovat tuottajien muodostamat orgaaniset yhdisteet. Toisenvaraisia eli heterotrofisia eliöitä kutsutaan ekosysteemin kuluttajiksi.
| Ekosysteemissä | Energian lähteenä | Orgaaniset yhdisteet | |
|---|---|---|---|
| Omavaraiset eliöt (fotosynteesi): eräät bakteerit, levät ja kasvit | Tuottajia | Auringon valo | Tuotetaan itse |
| Omavaraiset eliöt (kemosynteesi): eräät arkeonit ja bakteerit | Tuottajia | Epäorgaaniset yhdisteet | Tuotetaan itse |
| Toisenvaraiset eliöt | Kuluttajia / hajottajia | Orgaaniset yhdisteet | Saadaan ravinnosta |
Lämpötila
Ympäristön liian korkea tai matala lämpötila rajoittaa eliöiden esiintymistä ja levinneisyyttä maapallolla. Tämä johtuu siitä, että kaikkien solujen massasta suurin osa on vettä. Solut eivät saa jäätyä, sillä solujen jäätyessä soluihin muodostuu niiden hienorakenteen rikkovia jääkiteitä. Solujen jäätymispiste vaihtelee eri eliölajeilla solunesteen koostumuksen mukaan. Toisaalta liian korkeassa lämpötilassa vesi kiehuu, eikä tällöin solurakenteen ylläpitäminen ole mahdollista.
Liian suuret poikkeamat minimi- ja maksimilämpötilojen ulkopuolelle ovat tuhoisia soluille. Solun kemialliset reaktiot hidastuvat ja lopulta lakkaavat sekä liian alhaisissa että liian korkeissa lämpötiloissa. Liian korkea lämpötila muuttaa proteiinien rakennetta siten, että ne menettävät toimintatehonsa.
Elämä alle 0 celsiusasteen tai yli 40 celsiusasteen ympäristössä vaatii lajeilta usein erityisiä sopeutumia, kuten kiteiden rakentumista estäviä tai proteiinien rakennetta suojaavia molekyylejä. Esimerkiksi jotkin mikrobit elävät merijään suolavesitaskuissa, joissa lämpötila voi laskea muutamiin kymmeniin pakkasasteisiin. Monet eliöt voivat myös muodostaa lepomuotoja, jotka selviävät hyvinkin kylmistä lämpötiloista vahingoittumattomina. Hyvin korkeissa lämpötiloissa eläviä eliöitä ovat esimerkiksi valtamerten mustissa savuttajissa elävät mikrobit. Korkean paineen ansiosta mustien savuttajien lämpötila voi nousta jopa 120 °C:een. Tätä kuumemmissa lämpötiloissa minkään eliön ei ole havaittu selviytyvän.
Kuumissa lähteissä elää mm. eräitä arkeoneja.
Vesi
Vesi on kaikkien eliöiden olemassaolon edellytys. Kaikki eliöt ja solut sisältävät runsaasti vettä, eivätkä ne toimi aktiivisesti, ellei vettä ole saatavilla. Esimerkiksi bakteerien lepoitiöiden ja kasvin siementen elintoiminnot aktivoituvat vain silloin, kun vettä on saatavilla. Veden tärkeydestä kertoo myös se, että ihminen ei pärjää ilman vettä muutamaa päivää kauempaa. Vesi koostuu vety- ja happiatomeista, joita on maailmankaikkeudessa paljon.
Vesi on melko yksinkertainen ja pienikokoinen molekyyli. Se on erittäin hyvä liuotin, joten monet elämälle tärkeät aineet liukenevat siihen. Eliöille tärkeät kemialliset reaktiot tapahtuvat vesiliuoksessa, ja vesi pystyy myös kuljettamaan helposti aineita paikasta toiseen. Vesi on mukana myös monissa eliöiden kemiallisissa reaktioissa. Esimerkiksi fotosynteesissä vedestä ja hiilidioksidista muodostuu glukoosia.
Vedellä on suuri ominaislämpökapasiteetti. Mitä suurempi aineen ominaislämpökapasiteetti on, sitä enemmän energiaa tarvitaan muuttamaan sen lämpötilaa. Vesi siis lämpenee ja jäähtyy hitaammin kuin muut aineet. Tämä mahdollistaa suhteellisen tasaisen ilmaston ja hitaat muutokset ekosysteemeissä. Hitaat lämpötilamuutokset mahdollistavat elämän tasaisen kehityksen.
Vedellä on myös suuri sulamis- ja höyrystymislämpö, joten jään sulattamiseen ja veden haihtumiseen vaaditaan paljon energiaa. Toisaalta myös veden jäätyminen ja tiivistyminen vapauttavat paljon energiaa. Myös tämä tasaa lämpötilanvaihteluita maapallolla. Hikoilussa hyödynnetään veden suurta höyrystymislämpöä, sillä hien haihtuminen iholta sitoo lämpöenergiaa, ja näin elimistö jäähtyy.
Vesi käyttäytyy fysikaalisesti toisin kuin monet muut aineet. Esimerkiksi paineen nostaminen saa jään sulamaan, kun yleensä aineet kiinteytyvät painetta nostettaessa. Lisäksi nestemäinen vesi on tiheintä +4 °C:ssa. Tästä syystä järvet ja meret eivät jäädy pohjasta, vaikka niiden pinnalla olisi paksukin jääkerros. Tämä helpottaa eläinten ja kasvien selviytymistä talven yli pohjoisilla ja eteläisillä vesialueilla.
Paine
Merenpinnan tasolla ilmanpaine on noin 1 bar eli 100 000 pascalia. Siirryttäessä merenpinnan tason alapuolelle paine kasvaa, ja toisaalta siirryttäessä merenpinnan tason yläpuolelle se laskee. Poikkeava paine rajoittaa eliöiden levinneisyyttä sekä valtamerten syvyyksissä että vuoristossa. Korkealla vuoristossa ilmanpaine on pienempi, jolloin myös happea on vähemmän kuin merenpinnan tasolla. Vaikka olosuhteet ovat osissa maapalloa normaaleista selvästi poikkeavia, esiintyy näissäkin elinympäristöissä elämää eliöiden sopeutumiskyvyn ansiosta. Valtamerten syvyyksissä on monia eliölajeja, vaikka siellä on pimeää, kylmää ja korkea paine.
Syvänmeren lajien elinympäristö on erilainen kuin pintavesissä elävien eläinten, sillä syvemmälle mentäessä veden aiheuttama paine kasvaa. Syvällä elävien lajien haasteena on valtavan paineen lisäksi pimeys ja kylmyys. Syvänmeren kalojen kudoksien vesipitoisuus on suuri, jopa 90 prosenttia. Vetinen kudoskoostumus takaa sen, että kudosten tiheys on sama kuin ympäröivän veden. Syvänmeren eliöillä on myös muita sopeumia kovaan paineeseen: esimerkiksi niiden luut ovat joustavia, joten ne eivät litisty kovassa paineessa.
Syvänmeren kalat ovat sopeutuneet pimeyteen ja korkeaan paineeseen.