4. Elämän edellytykset
Luvun sisältö
- 4. Johdanto
- 4.1 Eliöt ja eloton ympäristö
- 4.2 Säteily ja energian lähteet
- 4.3 Lämpötila
- 4.4 Vesi
- 4.5 Paine
4. Johdanto
Eliöt ovat joutuneet sopeutumaan maapallolla monenlaisiin olosuhteisiin, muun muassa kuivuuteen ja kuumuuteen. Pohjoisilla alueilla selviävät vain lajit, jotka ovat sopeutuneet vuodenaikojen vaihteluun.
Päiväntasaajan tropiikissa on parhaat olosuhteet elämälle: runsaasti valoa, lämpöä ja kosteutta ympäri vuoden. Toisaalta näistä resursseista on kilpailemassa suuri joukko erilaisia eliöitä.
Päiväntasaajan tropiikissa on parhaat olosuhteet elämälle: runsaasti valoa, lämpöä ja kosteutta ympäri vuoden. Toisaalta näistä resursseista on kilpailemassa suuri joukko erilaisia eliöitä.
4.1 Eliöt ja eloton ympäristö
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.
Vuorten huipuilla elämää on vähemmän kuin laaksossa.
Antarktiksen kaltaisiin ankariin oloihin on sopeutunut vain vähän lajeja. Antarktiksen maisema voi vaikuttaa elottomalta, mutta vedenpinnan alla elämä voi olla hyvin runsasta.
Abioottiset ympäristötekijät vaikuttavat eliöiden levinneisyyteen. Silti elämää on mm. Antarktiksen kaltaisissa ankarissa oloissa.
4.2 Säteily ja energian lähteet
Auringosta lähtee sähkömagneettista säteilyä, joista osa siis elämän kannalta välttämätöntä, mutta lyhytaaltoisimmat aallonpituudet pystyvät muuttamaan solun DNA:n rakennetta ja aiheuttamaan solun toimintaa häiritseviä mutaatioita.
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 |
4.3 Lämpötila
Ympäristön liian korkea tai matala lämpötila rajoittaa eliöiden esiintymistä ja levinneisyyttä maapallolla. Kaikkien solujen massasta suurin osa on vettä. Solut eivät kuitenkaan saisi jäätyä, sillä solujen jäätyessä soluihin muodostuu niiden hienorakenteen rikkovia jääkiteitä. Solujen jäätymispiste vaihtelee eri eliölajeilla solunesteen koostumuksen mukaan. 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.
Alhaisimmissa lämpötiloissa toimeen tulevat eliöt elävät merijään suolavesitaskuissa, joissa lämpötila voi laskea muutamiin kymmeniin pakkasasteisiin. Monet eliöt voivat tosin muodostaa lepomuotoja, jotka selviävät hyvinkin kylmistä lämpötiloista vahingoittumattomina.
Korkeimmissa lämpötiloissa elävät eliöt ovat 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.
Kuva: Jopa kuumissa lähteissä elää mm. eräitä arkeoneja.
4.4 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 maailmankaikkeuden yleisimmästä (vety) ja kolmanneksi yleisimmästä alkuaineesta (happi). Vesimolekyyli on melko yksinkertainen, pienikokoinen ja kestävä molekyyli. Veden ainesosista ei ole puutetta, ja vettä esiintyy runsaasti myös maapallon ulkopuolella.
Vesi on erittäin hyvä liuotin, sillä se pystyy liuottamaan hyvin monenlaisia aineita. Elämälle tärkeät kemialliset reaktiot tapahtuvat vesiliuoksessa, ja vesi pystyy myös kuljettamaan helposti aineita paikasta toiseen. Toisaalta myös vesimolekyylit osallistuvat itse monenlaisiin reaktioihin. Esimerkiksi fotosynteesissä vedestä ja hiilidioksidista muodostuu glukoosia.
Vedellä on suuri ominaislämpökapasiteetti. Mitä suurempi ominaislämpökapasiteetti on, sitä enemmän energiaa tarvitaan muuttamaan vettä sisältävän kappaleen 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 vapauttaa 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.
Kuvagalleria: Veden merkitys elämälle
Maapallon kasvillisuusalueet esimerkkinä elämän edellytyksistä
Sinisissä palloissa kerrotaan kunkin kasvillisuusalueen nimi.
4.5 Paine
Merenpinnan tasolla ilmanpaine on noin 1 bar eli 100 000 Pa (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 ilma on ohutta eli paineen laskun takia hapen osapaine on pienempi 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 suuri 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.
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.
Kuvagalleria: Selviytyminen ääriolosuhteissa
Tiesitkö: Karhukaiset – esimerkki äärimmäisissä oloissa selviytyvistä eläimistä
Karhukaiset ovat millimetrin kokoisia sammalissa ja maaperässä eläviä selkärangattomia eläimiä. Ne kestävät alle 200 asteen pakkasta ja niitä elää myös kuumissa lähteissä. Ne pystyvät menettämään 99 prosenttia vedestään kuolematta. Ne ovat myös ainoita eläimiä, jotka ovat selvinneet hengissä ilman suojaa avaruuden tyhjiöstä. Ruotsalaistutkijat ovat lähettäneet karhukaisia satelliitin mukana avaruuteen, jonka ääriolosuhteille eliöt olivat alttiina useiden päivien ajan. Osa karhukaisista säilyi hengissä huolimatta avaruuden moninkertaisesti maan olosuhteita voimakkaammasta ultraviolettisäteilystä.Karhukaisten selviytyminen perustuu niiden lepovaiheeseen. Joutuessaan äärimmäisiin olosuhteisiin, niiden elintoiminnot lähes pysähtyvät, ja ne heräävät vasta olosuhteiden palautuessa siedettäviksi. Myös bakteerit ja arkit ovat karhukaisten ja torakoiden kaltaisia sisukkaita selviytyjiä, jotka pärjäävät epäedullisissa olosuhteissa. Ne sietävät kiehuvaa kuumuutta, kylmyyttä ja hapettomia olosuhteita.
Elämää esiintyy maapallolla melkein kaikkialla. Täysin elottomia alueita on niukasti. Vain napa-alueilla, aavikoilla, vuoristoissa ja suola-aavikoilla elämän monimuotoisuus on vähäistä.
