2. Mitä elämä on?

2. Johdanto

Biologiassa tutkitaan eläviä eliöitä eli organismeja. Elävät eliöt luovat ympärilleen järjestystä: ne ovat kokonaisuuksia, joissa on säännöllisiä rakenteita. Solun biomolekyylit muodostavat suurikokoisia makromolekyylejä, joita esiintyy vain elollisessa luonnossa. Biomolekyylit muodostavat edelleen soluelimiä, joista solut koostuvat. Solut muodostavat kudoksia, elimiä ja elimistöjä, joista koko eliö koostuu. Solut ja eliöt ovat siis monimutkaisia, mutta siitä huolimatta järjestelmällisiä kokonaisuuksia. Vastaavanlaisia rakenteita ei esiinny elottomassa luonnossa.

Kaikilla eliöillä on yhteisiä tunnuspiirteitä, jotka erottavat ne elottomasta luonnosta:
  • samanlainen kemiallinen rakenne
  • aineenvaihdunta 
  • energiantarve
  • solurakenne
  • yksilöllisyys
  • elämänkaari ja kasvu
  • ärtyvyys
  • itsesäätelykyky
  • sopeutumiskyky
  • lisääntyminen ja perinnöllisyys
  • evoluutio.

Eliöitä esiintyy maapallolla pääasiassa vain niillä alueilla, joilla elämän perusedellytykset toteutuvat. Esimerkiksi eliöillä täytyy olla energianlähde, lämpötilan täytyy olla suotuisia, ja ympäristössä täytyy olla nestemäisessä olomuodossa olevaa vettä. Sitä maapallon osaa, jossa eläviä eliöitä esiintyy, kutsutaan biosfääriksi. Biosfääri ulottuu ilmakehästä jopa syvälle kallioon. Elämä kuitenkin keskittyy maan pinnalle ja merten pintaosiin.

​ Elämän tunnuspiirteitä.

2.1 Eliöitä yhdistävät kemiallinen rakenne, aineenvaihdunta ja solurakenne

Kemiallinen rakenne

Kaikkia eliöitä yhdistää samankaltainen kemiallinen rakenne. Epäorgaaniset alkuaineet ja yhdisteet ovat elottoman luonnon aineita, joissa ei ole hiiltä. Epäorgaanisista aineista eliöissä on määrällisesti eniten vettä.

Kaikille elämälle yhteistä ovat orgaaniset yhdisteet, jotka ovat hiiltä sisältäviä kemiallisia yhdisteitä. Hiilen lisäksi orgaanisissa yhdisteissä on vety-, happi-, typpi-, fosfori- ja rikkiatomeja.

Eliöissä esiintyy monimutkaisia orgaanisia yhdisteitä, niin sanottuja biomolekyylejä. Tärkeimpiä biomolekyylejä ovat hiilihydraatit, lipidit, proteiinit ja nukleiinihapot (DNA ja RNA). Biomolekyylit voivat muodostaa myös monimutkaisia, suurikokoisia makromolekyylejä. Esimerkiksi proteiinit muodostuvat sadoista aminohapoista, jotka ovat liittyneet toisiinsa peptidisidoksilla.


Proteiinit muodostuvat aminohappoketjuista.

Aineenvaihdunta


Eliöille yhteisiä perustoimintoja ovat aineenvaihdunta, ympäristöön sopeutuminen, kasvu ja lisääntyminen. Aineenvaihdunnalla tarkoitetaan eliön soluissa tapahtuvaa biomolekyylien valmistamista, energian sitomista ja vapauttamista sekä jäteaineiden poistamista. 

Eliöt ottavat ympäristöstään aineenvaihdunnassa tarvitsemiaan aineita: esimerkiksi kasvi tarvitsee ympäristöstään vettä ja hiilidioksidia. Vastaavasti ne poistavat elimistöstään aineenvaihdunnan tuottamat tuotteet, joita eliö ei voi enää hyödyntää omassa käytössään. Esimerkiksi kasvit poistavat hapen, mutta niiden tuottama sokeri jää kasvien omaan käyttöön.

​
Esimerkki aineiden otosta ja aineenvaihdunnasta. Kasvit tarvitsevat muun muassa vettä ja Auringon valoa. Eläimet tarvitsevat mm. vettä ja kasveista saatavia aineita ja energiaa.


Eläimet saavat tarvitsemansa energian syömästään ravinnosta. Isopanda.

Solurakenne


 Kaikki eliöt koostuvat yhdestä tai useammasta soluista, jotka ovat eliöiden rakenteellisia ja toiminnallisia yksiköitä. Jotkin eliöt koostuvat vain yhdestä solusta – esimerkiksi bakteerit ja monet alkueläimet ovat yksisoluisia. Toiset eliöt, kuten ihminen, voivat koostua miljardeista soluista. Solujen perusrakenne ja kemiallinen koostumus ovat melko samankaltaisia, olipa kyseessä sitten bakteeri, kasvi tai ihminen.

Solussa on myös pienempiä toimivia yksiköitä, soluelimiä, joilla on kullakin oma tehtävänsä. Esimerkiksi kasvisolun viherhiukkanen on erikoistunut auringon säteilyenergian sitomiseen.


Kuvassa kasvisolun rakenteita ja solun osia.

2.2 Yksilöt kasvavat ja kehittyvät elämänkaarensa aikana

​Yksilöllisyys


Saman lajin yksilöt muodostavat populaatioita, ja niistä muodostuu eliöyhteisöjä, mutta tästä huolimatta jokainen eliö on yksilöllinen. Jokaisella eliöllä on yksilöllinen perimä, joka tuottaa yhdessä ympäristöolosuhteiden kanssa yksilölle tietynlaisen ilmiasun.

Monet eliöt elävät yhdessä, mutta ovat silti yksilöitä. Koralliriutasta, sammaleläinten runkokunnista ja yhdyskunnista voi kuitenkin olla vaikea erottaa yksilöitä toisistaan. Maavarsien avulla lisääntyvät kasvit voivat säilyttää fysiologisen yhteyden, jolloin yksilön määrittely on vaikeaa. Muurahaiset puolestaan järjestäytyvät yhteiskunniksi, joissa kaikki eliöt toimivat yhdessä ikään kuin yksi, iso toiminnallinen yksikkö.



Vaikka valkovuokkojen kasvusto näyttää kaukaa katsottuna yhdeltä kokonaisuudelta, se koostuu lukuisista erillisistä yksilöistä.

Elämänkaari ja kasvu


Eliöiden kasvu perustuu solujen jakautumiseen ja solujen suurenemiseen. Vanhenemisen ajatellaan johtuvan siitä, että solujen ja perimän korjaaminen on sitä vaikeampaa, mitä kauemmin eliö kasvaa. Eliöiden resurssit ovat rajallisia, joten ne eivät voi panostaa samanaikaisesti kasvuun, lisääntymiseen ja ylläpitoon. Eliöt kasvavat ja lisääntyvät ja lopulta eliöt kuolevat.

Elämänkaarella tarkoitetaan eliön elämään kuuluvia kehitysvaiheita. Eliö syntyy saman lajin yksilöistä, kasvaa, lisääntyy, vanhenee ja kuolee. Eliöiden elinikä vaihtelee suuresti lajin mukaan. Joidenkin päivänkorentolajien aikuisvaihe kestää vain muutamia tunteja. Tässä ajassa sen on pariteltava ja munittava. Toisaalta jättiläiskilpikonna voi saavuttaa reilusti yli sadan vuoden iän.


Elämälle tyypillisiin piirteisiin kuuluu elämänkaari. Jotkut päiväkorennot elävät aikuisena muutamista tunneista joihinkin vuorokausiin.

2.3 Eliöt reagoivat ympäristöönsä ja säätelevät toimintaansa

Ärtyvyys


Eliöt keräävät ja tarvitsevat tietoa ympäristöstään ja reagoivat ympäristönsä ärsykkeisiin tarkoituksenmukaisella tavalla. Tällaisia ärsykkeitä ovat muun muassa valo, ääni ja kosteus. Esimerkiksi kasvit pystyvät aistimaan valoa, jolloin ne kääntävät lehtensä valoa kohden. Näin ne saavat mahdollisimman paljon säteilyenergiaa fotosynteesiin. Myös yksinkertaiset eliöt reagoivat ärsykkeisiin: esimerkiksi bakteeri pystyy aistimaan ravinnonlähteitä ja myrkyllisiä aineita. 

Itsesäätelykyky


Eliö pystyy säätelemään elintoimintojaan olosuhteiden muuttuessa. Tätä kutsutaan itsesäätelykyvyksi. Esimerkiksi kylmällä säällä eläimet hakeutuvat suojaan ja auringonkukat kääntyvät valoa kohden. Toisaalta myös yksinkertaiset eliöt, kuten bakteerit, voivat suunnata kulkunsa kohti ravinnonlähdettä ja poispäin myrkyllisistä aineista. Nämä ovat esimerkkejä eliön itsesäätelykyvystä.

Kehittyvät auringonkukat kääntävät kukkansa kohti Aurinkoa.

2.4 Lisääntyminen ja perinnöllisyys ovat evoluution pohjana

Lisääntyminen ja perinnöllisyys


Kaikki eliöt pystyvät lisääntymään. Osa eliöistä lisääntyy suvullisesti, osa suvuttomasti. Yhteistä lisääntymisessä on kuitenkin se, että vanhemmat siirtävät jälkeläisilleen perimäänsä.

Suvuton lisääntyminen tapahtuu ilman sukusoluja. Tällöin jälkeläisen perimä on peräisin kokonaisuudessaan yhdeltä vanhemmalta. Esimerkiksi jotkin kasvit lisääntyvät kasvullisesti rönsyjen avulla. Lisäksi eliössä uusia soluja syntyy emosoluista jakautumalla.

Suvullinen lisääntyminen tapahtuu sukusolujen avulla. Siinä koiraspuolinen sukusolu, siittiö tai siitepölyhiukkanen, hedelmöittää naaraspuolisen sukusolun, munasolun.

Hedelmöittyneestä munasolusta kehittyneellä yksilöllä on ainutkertainen yhdistelmä vanhemmilta saatuja perintötekijöitä. Suvullisessa lisääntymisessä jälkeläiset muistuttavat molempia vanhempiaan, mutta ovat silti perimältään ainutlaatuisia yksilöitä.

Saman lajin yksilöt kykenevät lisääntymään keskenään ja tuottamaan lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä. Lisääntymällä eliöt varmistavat lajin jatkuvuuden siirtäen samalla geeninsä jälkeläisilleen.


Koira lisääntyy suvullisesti, minkä seurauksena kaikki poikaset ovat perimältään ainutlaatuisia.

Evoluutio

​Eliöt ovat sopeutuneet ympäristössä tapahtuneisiin muutoksiin. Saman lajin yksilöiden välillä on perinnöllisiä eroja (perinnöllinen muuntelu). Parhaiten ympäristöön sopeutuneet eliöt lisääntyvät tehokkaimmin ja saavat eniten jälkeläisiä. Näiden yksilöiden kelpoisuutta lisäävät geenimuodot eli alleelit ja niiden aiheuttamat ominaisuudet yleistyvät populaation yksilöissä. Näin lajit muuttuvat ajan kuluessa.

Evoluutiota tapahtuu kaikilla lajeilla jatkuvasti, mutta se on yleensä hyvin hidas prosessi. Evoluutiosta on kuitenkin saatu tietoa esimerkiksi fossiilien avulla. Esimerkiksi hevosen evoluutiosta on voitu tehdä melko tarkka kuvaus.

Kaikki tuntemamme elämä on syntynyt evoluution avulla, ja tietääksemme kaikki eliöt ovat sukua toisilleen. Eliöt ovat siis kehittyneet yhdestä tai useammasta samasta alkumuodosta.

Fossiilien perusteella oletettu kehityslinja hevosen evoluutiosta.

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. 


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. 

Omavaraisuus ja toisenvaraisuus
  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.

Tiivistelmä

  • Elävillä eliöillä on piirteitä, jotka erottavat ne elottomista asioista.
    • Eliöillä on aineenvaihduntaa, johon kuuluvat mm. eliössä tapahtuvat kemialliset reaktiot.
    • Eliöt koostuvat soluista.
    • Eliöillä on samankaltainen kemiallinen rakenne.
    • Eliöt ovat yksilöitä.
    • Eliö syntyy, kasvaa, kehittyy ja kuolee elämänkaarensa aikana.
    • Eliöt pystyvät havainnoimaan ympäristöään ja reagoimaan siinä tapahtuviin muutoksiin.
    • Eliöt lisääntyvät ja siirtävät ominaisuutensa jälkeläisilleen.
    • Eliölajit kehittyvät evoluution seurauksena.
  • Elämää on vaikeaa määritellä yksiselitteisesti. Esimerkiksi virukset ovat elävien ja elottomien asioiden rajatapauksia.
  • Eliöiden esiintymistä rajoittaa eloton luonto.
  • Eliöt tarvitsevat energianlähteen.
    • Omavaraiset eliöt tuottavat tarvitsemansa energian itse yhteyttämällä foto- tai kemosynteesin avulla.
    • Toisenvaraiset eliöt hyödyntävät ravintonaan omavaraisten eliöiden tuottamia eloperäisiä yhdisteitä.
  • Useimmat eliöt elävät noin 0–40 °C:ssa. Kuumissa ja kylmissä olosuhteissa elävillä eliöillä on erityisiä sopeumia.
  • Suuri osa eliöistä on vettä. Lisäksi vesi mahdollistaa elämän maapallolla muiden ominaisuuksiensa vuoksi.
  • Eliöt voivat elää monenlaisissa paineolosuhteissa. Korkeassa paineessa elävillä eliöillä on erityisiä sopeumia.