Yleinen biologia/Elämän kirjo

» Marsissa voi olla elämää. Ja jos siellä on, niin olen hiiskatin varma, että sinne pitäisi mennä tutkimaan sitä. »
(Buzz Aldrin, astronautti)

Elämä, biologian tutkimuskohde, on erittäin monimuotoinen asia. Kaikki tuntemamme elämä perustuu kuitenkin samalle periaatteelle, samalle perintötekijöiden DNA-koodille, minkä vuoksi ajatellaankin maapallon kaiken elämän olevan lähtöisin yhdestä, miljardeja vuosia sitten kehittyneestä alkumuodosta.

Omne vivum ex vivo

Ennen ajateltiin, että eläviä olentoja voisi syntyä elottomasta: olihan se looginen selitys sille, miksi tunkiolle heitetty lihanpala kuhisee pian kärpäsistä. Biologi Louis Pasteur tutki asiaa 1800-luvulla, kumosi vanhan käsityksen ja päätyi periaatteeseen Omne vivum ex vivo (latinaa, ’Kaikki elävä elävästä’) – se tarkoittaa, että eliöitä syntyy vain jo olemassa olevien eliöiden lisääntyessä, ei elottomasta aineesta.

Mitä elämä on?

Muulit, aasin ja hevosen risteymät, ovat lisääntymiskyvyttömiä eli hedelmättömiä eläimiä.

Elämälle ei ole onnistuttu kehittämään kattavaa määritelmää. On esimerkiksi ehdotettu kriteeriä, että kaikki elävät olennot lisääntyvät, niin että niiden perintötekijät periytyvät jälkeläisille. Mutta onhan selvää, että muulit ovat eläviä olentoja, vaikka kaikki muulit ovatkin lisääntymiskyvyttömiä.

Nukleiinihapot

Kaavakuva DNA-molekyylistä, huomaa kierteinen muoto.

Kuten mainittu, kaikki elämä perustuu samalle periaatteelle. Nukleiinihapot, ribonukleiinihappo (RNA) ja deoksiribonukleiinihappo (DNA), ovat aineita, jotka ohjaavat kaikkea elämää. Jos solusta poistettaisiin sen DNA, sen toiminta ei voisi jatkua kauaa.

DNA säilyttää tiedon siitä, miten solun tulee toimia. Se sisältää kokoamisohjeet solun tarvitsemien valkuaisaineiden muodostamiseksi. Eri eliölajien DNA:ssa on erilaisia ohjeita sekä eri tavoin ohjelmoidut aikataulut valkuaisaineiden rakentamiseksi. Siksi eri eliölajit poikkeavat toisistaan.

RNA on välikäsi, joka hoitaa solussa rakennustyöt DNA:n antaman mallin mukaisesti.

DNA:n merkitystä eliön ominaisuuksien kannalta käsitellään luvussa Perinnöllisyys. DNA:n ja RNA:n rakenne esitellään luvussa Aineenvaihdunta ja toimintamekanismi alaluvussa Proteiinisynteesi.

Virukset ovat RNA:n tai DNA:n pätkiä, jotka voivat mennä joidenkin solujen sisään ja sairastuttaa solut. Sairastuminen johtuu siitä, että solun omat rakennustyöt menevät sekaisin, kun viruksen RNA tai DNA tekee solun rakennusaineista omia rakennelmiaan. Meille ihmisille tuttu flunssa eli nuhakuume on viruksen aiheuttama tauti, jossa virus sairastuttaa nenän soluja niin että nenä tulehtuu ja alkaa vuotaa räkää.

Viruksia ei pidetä elävinä olentoina (eliöinä), vaikka ne perustuvatkin nukleiinihappojen toimintaan. Virukset ovat pelkkiä nukleiinihappojen pätkiä ilman soluja, ja elämän perusyksikköhän on solu (selitetty johdannossa). Virukset eivät pysty lisääntymäänkään itsekseen, ne voivat vain mennä jonkin solun sisään ja rakentaa itsestään kopioita solussa olevista rakennusaineista solun työkalujen avulla.

Lisääntyminen

Uusi yksilö syntyy vain jo olemassa olevasta yksilöstä. Lisääntymistapoja on eliökunnassa monenlaisia. Lisääntymisessä olennaista on, että uusi yksilö eli jälkeläinen saa soluunsa sen toimintaa ohjaavan DNA:n. DNA on peräisin siltä yksilöltä tai niiltä kahdelta yksilöltä, joiden lisääntyessä jälkeläinen syntyy. DNA tulee siis jälkeläiselle ikään kuin perintönä, joten sitä kutsutaan perintöainekseksi ja sen sisältämää tietoa perintötekijöiksi eli perimäksi.

Suvuton lisääntyminen oli olemassa ensiksi. Alkeellisimmat elämänmuodot, bakteerit, lisääntyvät siten, että bakteeriyksilö (bakteerisolu) kopioi nukleoidinsa, jossa perintötekijät ovat, ja jakautuu kahtia, niin että kumpikin jälkeläinen saa yhden nukleoidin. Niinpä kummankin jälkeläisen perintötekijät ovat täsmälleen samanlaiset kuin alkuperäisen bakteerin, joten kumpikin jälkeläinen on aivan samanlainen kuin alkuperäinen bakteeri.

Mutta hetkinen! Jos kaikki eliöt ovat lähtöisin yhdestä alkumuodosta ja se lisääntyi suvuttomasti, miten on mahdollista, että kaikki maailman solut eivät ole samanlaisia vaan on kehittynyt erilaisia eliöitä? Ratkaisua tähän arvoitukseen pohditaan myöhemmin luvuissa Perinnöllisyys ja Evoluutio.

Petrimaljalla kasvaa Bacillus cereus -bakteeriklooneja.

Mielenkiintoisesti myös jotkin korkeampina pidetyt elämänmuodot voivat lisääntyä suvuttomasti. Partenogeneesi eli neitseellinen lisääntyminen on vaihtoehtoinen lisääntymistapa muun muassa joillekin kummitussirkoille. Niinkin tavallinen kasvilaji kuin voikukka lisääntyy suvuttomasti mekanismilla, josta käytetään tieteellistä nimitystä apomixis – vaikka voikukalla on sukupuolielimet (emiö ja hetiö, selitetään tarkemmin luvussa Kasvikunta), sen siemenissä on kaikissa samat perintötekijät kuin siinä itsessään.

Kaikki solut, joiden perintötekijät ovat samat, muodostavat kloonin; ja toisaalta yksilöä, jonka perintötekijät ovat täsmälleen samat kuin toisella yksilöllä, sanotaan tuon toisen eliön klooniksi. Jos petrimaljalla kasvatetaan bakteerikasvustoa, saadaan siis aikaiseksi kasvava bakteeriklooni, kun yksi solu jakautuu ja sen jälkeläisetkin jakautuvat. Voikukkayksilö on puolestaan klooni siitä voikukasta, jonka tekemästä siemenestä yksilö iti.

Suvuton lisääntyminen on tehokasta, koska se ei riipu sukusolujen yhteen saattamisesta. Partenogeneesin ajatellaankin olevan keino varmistaa lajin säilyminen, elämän jatkuminen silloinkin, kun koiraspuolisia yksilöitä ei ole mailla halmeilla. Huonona puolena samana pysyvät perintötekijät tarkoittavat, ettei kanta (selitetty luvussa Vuorovaikutussuhteet eliömaailmassa) kehity ja sopeudu ympäristössä tapahtuvaan muutokseen.

Suvullinen lisääntyminen on monille korkeammille eliöille ainoa mahdollinen lisääntymistapa.

Suvullisessa lisääntymisessä jälkeläiset saavat perintötekijöitä kahdelta yksilöltä. Perintötekijät ikään kuin arvotaan, niin että niistä syntyy erilaisia yhdistelmiä. Koska perintötekijät määräävät eliön ominaisuudet, seurauksena arvonnasta on erilaisia jälkeläisiä.

Jälkeläinen saa alkunsa kahdesta sukusolusta, joista yksi tulee kummaltakin vanhemmalta ja sisältää arvottuja perintötekijöitä. Sukusolut ovat naaraspuolisesta eliöstä peräisin oleva munasolu ja koiraspuolisesta eliöstä peräisin oleva siittiö. Kun ne yhtyvät yhdeksi soluksi, niin että solussa on perintötekijöitä molemmista sukusoluista, sanotaan että siittiö hedelmöittää munasolun. Hedelmöittyneestä munasolusta kasvaa uusi yksilö, vanhempiensa jälkeläinen, joka ei ole identtinen kummankaan vanhempansa kanssa mutta jolla on piirteitä molemmista.

Joillekin eliölajeille on tyypillistä, että kukin yksilö on joko naaras (merkitään ♀) tai koiras (merkitään ♂). Toisilla eliölajeilla, esimerkiksi monilla kasveilla, kullakin yksilöllä on sekä naaraan että koiraan sukusoluja tuottavat sukuelimet – tällöin sanotaan, että eliö on kaksineuvoinen. Kaksineuvoinen yksilö voi hedelmöittää itse itsensä tai kaksi kaksineuvoista yksilöä voi tehdä yhteisiä jälkeläisiä.

Kasvu ja kehitys

Animaatio kärpäsloukun kasvusta.

Monisoluiset eliöt ovat aluksi yhden solun kokoisia: uusi yksilö on munasolu, joka on hedelmöittynyt eli johon on tullut perintöainesta siittiöstä. Yhden solun kokoinen yksilö alkaa kasvaa jakautumalla. Niin siitä tulee monisoluinen, yhdestä solusta tulee monta. Monisoluisen eliön solunjakautuminen on kuin yksisoluisten eliöiden suvutonta lisääntymistä: ensin perintöaines kahdentuu, sitten yksi solu jakautuu kahdeksi ja kumpikin saa samat perintötekijät.

Jotta solu voisi jakautua, sen täytyy itse ensin kasvaa ja kehittyä. Se ottaa ulkomaailmasta ravintoaineita, joista se rakentaa perintöainesta, solukalvoa ja soluelimiä. Niin se kasvaa tarpeeksi suureksi jakautuakseen kahtia. Yksisoluisten eliölajien (bakteeri-)yksilöiden katsotaan kasvavan ainoastaan solun koossa eikä solujen lukumäärässä, sillä kun bakteerisolu jakautuu, syntyykin kaksi yksisoluista yksilöä.

Järjestys

Jos kaadat sokeria lasilliseen vettä, sokeri vähitellen liukenee ja jakaantuu kaikkialle veden sekaan. Elottomille järjestelmille on tyypillistä, että epäjärjestys lisääntyy ajan mittaan eli esimerkiksi eri aineet sekoittuvat toisiinsa.

Elävissä järjestelmissä asia on toisin. Solut pystyvät esimerkiksi ottamaan sisäänsä sokeria, niin että sokeria on niiden sisällä paljon enemmän kuin ulkoisessa ympäristössä. Ne siis lisäävät järjestystä. Oikeastaan järjestyksen lisäämistä on jo sekin, kun solut pystyvät rakentamaan monimutkaisia aineita ja kappaleita DNA- ja RNA-koneistojensa avulla.

Eläville soluille on ominaista monimutkaiset järjestelmät, joiden avulla ne kykenevät käyttämään energiaa järjestyksen lisäämiseen. Vaikka erilaisia aineita voi syntyä myös elottomassa luonnossa sattuman tuloksena, elävien solujen kaltaista järjestäytyneisyyden astetta ei elottomasta luonnosta löydy.

Kuolema

Kuolema on elämän loppu. Monisoluisten eliöiden soluja kuolee kaiken aikaa: joillain eläimillä näin tapahtuu, kun suolen pinta tai iho uusiutuu; kesävihannat lehtipuut taas pudottavat lehtensä talven lähestyessä. Tällainen kuolema on tarkoituksenmukaista ja säädeltyä, ja sitä nimitetään ohjelmoiduksi solukuolemaksi tai apoptoosiksi.

Joseph Bonaparten jäännökset on sijoitettu näyttävään hautamonumenttiin Invalidikirkkoon.

Monisoluisen eliön kuollessa se menettää kykynsä jatkaa aineenvaihduntaansa, kasvuansa ja kehitystänsä. Kuolema on eläinyksilölle vääjäämätöntä, sillä vaikka se voisikin välttää kaikki tappavat onnettomuudet, sen elimistö ei pysy ikuisesti nuorena. Vanha elimistö menee helpommin epäkuntoon kuin nuori, niinpä kuoleman riski eli kuolleisuus kasvaa vanhalla yksilöllä iän karttuessa. Monilla kasveilla on sitävastoin kyky kasvattaa uusia osia vanhojen ja kuolleiden tilalle ja levittää juurakkoaankin, niin ettei vanhuus vie niitä kuoleman kitaan.

Tiede tuntee mielenkiintoisia poikkeuksia sääntöön, jonka mukaan eläinyksilön elimistö vanhenee, niin että sen kuolleisuus kasvaa iän myötä. Turritopsis nutricula -polttiaiseläin voi muuntua ”aikuisvaiheestaan” eli meduusasta takaisin varhaisempaan yksilönkehityksensä vaiheeseen polyypiksi (termit on selitetty Wikipedia-artikkelissa Polyyppi (eläintiede)). Niinpä se ei kuole vanhuuteen.

Yksisoluiset eliöt eivät kuole vanhuuteen: lisääntyessäänhän solu jakautuu kahtia, jolloin sen voidaan ajatella jatkavan elämäänsä kahtena kappaleena. Mikrobisolussa ei ole mitään ohjelmoitua mekanismia, jonka kautta se kuolisi vanhuuteen. Mikrobisoluja kuitenkin kuolee esimerkiksi ympäristöstä johtuvista syistä: ravinto loppuu, ympäristö muuttuu liian kuumaksi tai bakteeriin pääsee jotain myrkkyä (esimerkiksi antibioottia). Bakteeri voi kuolla myös, jos jokin haitallinen mutaatio (selitetty luvussa Perinnöllisyys) tekee siitä elinkelvottoman.

Vanhuuteen kuoleminen on edellytys suvullisesti lisääntyvien monisoluisten eliölajien elinkelpoisuudelle. Suvullisen lisääntymisen ansiosta eliölajin kilpailuvalttina on kehittyminen, sopeutuminen muuttuvaan ympäristöön. Eliölajin jatkuvuuden vuoksi vanhojen yksilöiden on kuitenkin kuoltava ja tehtävä tilaa nuorille.

Millaista elämää on?

Elämän monimuotoisuus on huikeaa. Mielikuvituskin kalpenee sen rinnalla, mitä biologian tutkijat ovat elonkehältämme löytäneet. Johdannossa alustettiin jo elämän monimuotoisuutta, mutta seuraavissa alaluvuissa eliömaailmaa käydään järjestelmällisesti läpi.

Mikrobit

Mikrobit eli pieneliöt on nimitys hyvin erilaisille eliöille, ja onkin tavallaan sääli, että niiden käsittely aloitetaan vain yhdellä luvulla. Yksityiskohtia olisi valtavasti, mutta niiden läpi kahlaaminen ei ole tässä vaiheessa tarkoituksenmukaista.

Mikrobeja ovat bakteerit ja arkit mutta lisäksi myös jotkin sienet, kasvit ja eläimet. Tämä luku käsittelee kuitenkin vain bakteereja ja arkkeja.

Sienikunta

Sienillä on suuri merkitys hajottajina. Lisäksi jotkin sienet ovat symbioottisessa suhteessa kasveihin. Ihmiset ovat oppineet hyödyntämään sieniä monin tavoin.

Kasvikunta

Kasvit muodostavat yhteyttämällä happea, joka on tärkeää useimpien eliöiden aineenvaihdunnalle.

Eläinkunta

Jotkin eläimet ovat eliökunnassa ainutlaatuisia kyvyssään havainnoida ympäristöään, liikkua ja suorittaa monimutkaisia toimintoja.