Живот — определение в биологията: характеристики и основи на Земята

Живите същества или организмите могат да бъдат обяснени като отворени системи. Те винаги се променят, тъй като обменят материали и информация с околната среда. Те се подлагат на метаболизъм, поддържат хомеостаза, притежават способността да растат, да реагират на стимули и да се възпроизвеждат.

Чрез естествения подбор те се адаптират към околната среда в следващите поколения. По-сложните живи организми могат да комуникират чрез различни средства. На Земята се срещат много форми на живот. Общите свойства на тези организми - растения, животни, гъби, протисти, археи и бактерии - са клетъчна форма на основата на въглерод и вода със сложна организация и наследствена генетична информация.

Системите, които изграждат живота, имат много нива на организация. От най-малката до най-голямата те са: молекула, клетка, тъкан (група клетки с общо предназначение), орган (част от тялото с определено предназначение), органна система (група органи, които работят заедно), организъм, популация (група организми от един и същи вид), общност (всички организми, които си взаимодействат в дадена област), екосистема (всички организми в дадена област и неживата околна среда) и биосфера (всички части на Земята, в които има живот).

Понастоящем Земята е единствената планета, за която хората имат подробна информация. Въпросът дали съществува живот на други места във Вселената е отворен. Съществуват редица твърдения за съществуването на живот на други места във Вселената. Нито едно от тях не е потвърдено досега. Най-доброто доказателство за живот извън Земята са нуклеиновите киселини, които са открити в някои видове метеорити.

Едно от обясненията на живота се нарича клетъчна теория. Клетъчната теория има три основни точки: всички живи същества са изградени от клетки. Клетката е най-малкото живо същество, което може да прави всички необходими за живота неща. Всички клетки трябва да произлизат от вече съществуващи клетки.

Често се казва, че нещо е живо, ако то:

• расте,
• приема храна, използва я за енергия и отделя отпадъчни продукти (вж. метаболизъм),
• се движи: трябва или да се движи сам, или да има движение в себе си,
• размножава се по полов път (с друго живо същество) или безполово, като създава свои копия,
• реагира на заобикалящата го среда,
• функции

Не всички живи същества обаче отговарят на всички точки от този списък.

• Мулетата не могат да се размножават, както и мравките-работнички.
• Вирусите и спорите не са активно живи (метаболизират се), докато не настъпят подходящите условия.

Те обаче отговарят на биохимичните определения: съставени са от един и същи вид химикали.

Термодинамичното определение за живот е всяка система, която може да поддържа нивата на ентропия под максималните (обикновено чрез адаптация и мутации).

Модерен подход

Съвременното определение е дадено от Умберто Матурана и Франсиско Варела през 1980 г., на което те дават името автопоезия:

1. Производство на собствени компоненти
2. Правилното сглобяване на тези компоненти
3. Непрекъснат ремонт и поддръжка на собственото си съществуване.

Рот коментира, че "накратко, организмите са самовъзпроизвеждащи се и самоподдържащи се, или "автопоетични", системи". При този подход се използват идеите на молекулярната биология и на системната наука.

Химия

Животът на Земята се състои от органични съединения - молекули, които съдържат въглерод. Четири вида молекули с дълга верига (макромолекули) са важни: въглехидрати, липиди, протеини и нуклеинови киселини.

• Простите въглехидрати (захари) се използват за енергия или като градивен елемент. Сложните въглехидрати, като нишестето и целулозата, могат да запазят енергията за дълго време. Те се използват и за изграждане на здрава структура, като например растителното стъбло.
• Липидите могат да бъдат изолация, за да запазят топлината на живото същество, като например мазнините на пингвина, или за да спрат водата да влиза или излиза, като например водоустойчивите пера. Всички клетъчни мембрани се състоят от два слоя фосфолид (вид липид). Някои видове липиди са хормони, които изпращат съобщения от една клетка към друга.
• Протеините - дълги вериги от аминокиселини - имат много предназначения. Те се сгъват в сложни форми, тъй като аминокиселините им си взаимодействат. Протеините участват в много химични реакции, за да протичат по-бързо.
• Нуклеиновите киселини, включително ДНК и РНК, са дълги вериги от нуклеотиди. Във всяка верига има само четири вида нуклеотиди, но те са инструкциите за живот, подобно на езика. Всеки три нуклеотида казват на клетката да произведе една аминокиселина. Една част от нуклеиновата киселина е кодът за една белтъчна молекула.

Почти всички живи същества се нуждаят от химичните елементи въглерод, водород, кислород, азот, сяра и фосфор, за да изградят тези макромолекули. Живите същества се нуждаят и от малки количества други елементи, наречени микроелементи. Водата е много важна част от всички живи същества. Например хората са съставени от около две трети вода. Водата е разтворител, който позволява на молекулите да се смесват и да реагират с други молекули.

Енергийни източници

Всички живи същества се нуждаят от енергия, за да оцеляват, да се движат, да растат и да се възпроизвеждат. Някои от тях могат да получават енергия от околната среда без помощта на други живи същества: те се наричат производители или автотрофи. Растенията, водораслите и някои бактерии, които са група производители, наречени фотоавтотрофи, използват слънчевата светлина за получаване на енергия. Когато продуцентите използват светлината, за да произвеждат и съхраняват органични съединения, това се нарича фотосинтеза. Някои други продуценти, наречени хемоавтотрофи, получават енергия от химични вещества, които излизат от океанското дъно в хидротермалните извори. Други живи същества получават енергия от органични съединения: те се наричат консуматори или хетеротрофи. Животните, гъбите, повечето бактерии и повечето протисти са консуматори. Консуматорите могат да се хранят с други живи същества или с мъртви вещества.

И производителите, и потребителите трябва да разграждат органични съединения, за да освободят енергия. Най-добрият начин за това е аеробното дишане, при което се освобождава най-много енергия, но живите същества могат да извършват аеробно дишане само ако имат кислород (О2). Те могат да разграждат тези съединения и без кислород, като използват анаеробно дишане или ферментация.

Всички живи същества имат клетки. Всяка клетка има клетъчна мембрана отвън и подобен на желе материал, който изпълва вътрешността, наречен цитоплазма. Мембраната е важна, защото разделя химичните вещества вътре и вън. Някои молекули могат да преминат през мембраната, но други не могат. Живите клетки имат гени, изградени от ДНК. Гените казват на клетката какво да прави, подобно на език. Една молекула ДНК с много гени се нарича хромозома. Клетките могат да се копират, за да създадат две нови клетки.

Съществуват два основни вида клетки: прокариотни и еукариотни. Прокариотните клетки имат само няколко части. Тяхната ДНК е с формата на кръг, вътре в цитоплазмата, и нямат мембрани вътре в клетката. Еукариотните клетки са по-сложни и имат клетъчно ядро. ДНК е вътре в ядрото, а около него има мембрана. Еукариотните клетки имат и други части, наречени органели. Някои от тези органели също имат мембрани.

Таксономията е начинът, по който формите на живот се разделят на групи. По-малките групи са по-тясно свързани, а по-големите класове са по-далечно свързани. Нивата или ранговете на таксономията са: област, царство, филум, клас, разред, семейство, род и вид. Съществуват много идеи за значението на понятието вид. Една от идеите, наречена концепция за биологичните видове, е следната. Видът е група живи същества, които могат да се чифтосват помежду си и чиито деца могат да създават свои собствени деца.

Целта на таксономията е да се обединят живите същества с общ предшественик. Това вече може да се направи чрез сравняване на тяхната ДНК. Първоначално това е ставало чрез сравняване на анатомията им.

Трите области на живота са бактерии, археи и еукарии. Бактериите и археите са прокариотни и имат само една клетка. Бактериите варират по размер от 0,15 кубични микрометра (Mycoplasma) до 200 000 000 кубични микрометра (Thiomargarita namibiensis). Бактериите имат полезни за класификацията форми, като кръгла, дълга и тънка и спирална. Някои бактерии причиняват заболявания. Бактериите в червата ни са част от чревната ни флора. Те разграждат част от храната ни. И бактериите, и археите могат да живеят там, където по-големите форми на живот не могат. Бактериите имат молекула, наречена пептидогликан, в клетъчната си стена, но археите нямат такава. Археите имат молекула, наречена изопрен, в клетъчната си мембрана, но бактериите нямат такава.

Еукариите са живи организми с еукариотни клетки, които могат да имат една или много клетки. Повечето еукариоти използват полово размножаване, за да създават нови свои копия. При половото размножаване две полови клетки, по една от всеки родител, се съединяват, за да създадат ново живо същество.

Растенията са еукариоти, които използват слънчевата светлина за получаване на енергия. Те включват водорасли, които живеят във водата, и сухоземни растения. Всички сухоземни растения имат две форми по време на жизнения си цикъл, което се нарича редуване на поколенията. Едната форма е диплоидна, при която клетките имат две копия на хромозомите си, а другата форма е хаплоидна, при която клетките имат едно копие на хромозомите си. При сухоземните растения и диплоидната, и хаплоидната форма имат много клетки. Двата вида сухоземни растения са съдови растения и мъхове. Съдовите растения имат дълги тъкани, които се простират от край до край на растението. Тези тъкани пренасят вода и храна. Повечето растения имат корени и листа.

Животните са еукариоти с много клетки, които нямат твърди клетъчни стени. Всички животни са консуматори: те оцеляват, като се хранят с други органични материали. Почти всички животни имат неврони - сигнална система. Обикновено те имат мускули, които движат тялото. Много животни имат глава и крака. Повечето животни са или мъжки, или женски. Те се нуждаят от партньор от противоположния пол, за да създадат потомство. Половите клетки на мъжкия и женския индивид могат да се срещат в тялото или извън него.

Гъбите са еукариоти, които могат да имат една клетка, като дрождите, или много клетки, като гъбите. Те са сапрофити. Гъбите разграждат жив или мъртъв материал, затова са разлагащи. Само гъбичките и няколко бактерии могат да разграждат лигнина и целулозата - две части на дървесината. Някои гъби са микориза. Те живеят под земята и дават на растенията хранителни вещества, като азот и фосфор. Еукариотите, които не са растения, животни или гъби, се наричат протисти. Повечето протисти живеят във вода.

В продължение на хиляди или милиони години живите организми могат да се променят чрез процеса на еволюция. Един от видовете еволюция е, когато даден вид се променя с течение на времето, като например жирафите с по-дълги шии. В повечето случаи видът е по-добре приспособен към околната среда - процес, наречен адаптация. Еволюцията може също така да доведе до разделянето на една група живи същества на две групи. Това се нарича видообразуване, ако при него се създава нов вид. Пример за това са дроздовете на островите Галапагос - на всеки остров живее по един вид дрозд, но всички видове са се разделили от общ вид прародител. Групи, които са по-големи от видове, също могат да се разделят от общ прародител - например влечуги и бозайници. Група живи същества и техният общ предшественик се наричат клад.

Живите организми могат да еволюират, за да се различават от своите предци. В резултат на това частите на тялото също могат да се променят. От една и съща костна структура са се образували ръцете на хората, копитата на конете и крилата на птиците. Различните части на тялото, които са еволюирали от едно и също нещо, се наричат хомоложни.

Измирането е, когато всички представители на даден вид загинат. Около 99,9 % от всички видове, които някога са живели, са изчезнали. Измирането може да се случи по всяко време, но е по-често срещано през определени периоди от време, наречени събития на измиране. Най-скорошното е било преди 65 милиона години, когато са изчезнали динозаврите.

Произход на живота

Чрез сравняване на вкаменелости и ДНК знаем, че всички живи организми на Земята днес са имали общ предшественик, наречен последен универсален общ предшественик (LUCA). Възможно е други живи същества да са били живи по същото време като LUCA, но да са изчезнали. Проучване от 2018 г. показва, че LUCA е на около 4,5 милиарда (4 500 000 000) години, почти толкова стара, колкото е Земята. Най-старите фосилни доказателства за живот са на около 3,5 милиарда години.

Как неживата материя е станала жива? Това е труден въпрос. Първата стъпка трябва да е била създаването на органични съединения. През 1953 г. експериментът на Милър-Ури превръща неорганични съединения в органични, като например аминокиселини, като използва топлина и енергия.

Животът се нуждае от източник на енергия за химичните реакции. На ранната Земя атмосферата не е съдържала кислород. Окислението чрез цикъла на Кребс, което е обичайно днес, не е било възможно. Възможно е цикълът на Кребс да е действал обратно, като е извършвал редукция вместо окисление, и цикълът да е създавал по-големи молекули. За да се създаде живот, молекулите е трябвало да направят свои копия. ДНК и РНК правят копия на себе си, но само ако има катализатор - съединение, което ускорява химичната реакция. Едно от предположенията е, че самата РНК е служила като катализатор. По някое време молекулите са били заобиколени от мембрани, което е създало клетките.

• Изкуствен живот
• Биология
• Раждане
• Смърт
• Най-ранните известни форми на живот
• Еволюция
• Дървото на живота