Życie

Życie na Ziemi

Życie roślinne (Waitakere Ranges)

Podwodny świat Morza Czerwonego

Życie cechuje symetria

Artystyczna wizja życia na Ziemi (Gaja)

Życie ma w biologii dwie, związane ze sobą, definicje:

1. zespół tzw. procesów życiowych – swoistych, wysoko zorganizowanych funkcjonalnie (w cykle i sieci), przemian fizycznych i reakcji chemicznych, zachodzących w swoistych, wysoko zorganizowanych morfologicznie (o hierarchicznej strukturze), otwartych termodynamicznie i względnie odosobnionych (wyodrębnionych z otoczenia) układach fizycznych (zawierających zawsze, w znanych obecnie nauce przypadkach, kwasy nukleinowe i białka), tzw. organizmach (osobnikach), składających się z jednej lub wielu komórek (tworzących funkcjonalną całość), oraz swoistych zjawisk biologicznych, zachodzących z tych organizmów udziałem, istniejący na Ziemi, a być może też na innych planetach
2. właściwość pewnych układów fizycznych (tzw. organizmów), w których zachodzą procesy życiowe

Problem definicji

Próby określenia, czym jest życie, podjęto, ponieważ definicja życia jest niezbędna w badaniach nad powstaniem życia i w rozważaniach nad ewentualnym życiem pozaziemskim (w egzobiologii).

Poglądy na istotę życia

Wśród poglądów na istotę życia można wyróżnić:

1. witalizm - istoty żywe różnią się w sposób zasadniczy od ciał nieożywionych i podlegają działaniu swoistych praw, niezależnych od praw fizyki i chemii; procesy życiowe zależą od swoistej siły życiowej (vis vitalis), rozumianej przyrodniczo lub pozaprzyrodniczo (entelechia Arystotelesa, élan vital Bergsona) - pogląd ten nie jest już obecnie otwarcie prezentowany w nauce,
2. mechanicyzm (redukcjonizm) - wszystkie zjawiska związane z życiem można sprowadzić (zredukować) do tych samych praw fizyki i chemii, które rządzą materią nieożywioną (zob. chemoton),
3. komplementaryzm (emergentyzm) - układy fizyczne mogą występować na różnych poziomach organizacji; na wyższych poziomach rządzą nimi, oprócz praw właściwych dla poziomów niższych, uzupełniające je prawa, swoiste dla danego poziomu (komplementarne); w odniesieniu do układów żywych, na wyższych poziomach organizacji życia, obowiązują, oprócz praw fizycznych i chemicznych, swoiste prawa biologiczne, a oprócz przemian fizycznych i reakcji chemicznych, zachodzą swoiste procesy (zjawiska) biologiczne.

Z redukcjonizmem związane jest tzw. podejście substratowe, wiążące zjawisko życia ze swoistymi rodzajami związków chemicznych, stanowiących podłoże (substrat) procesów życiowych:

Życie jest to sposób istnienia ciał białkowych.

Wszystkie właściwości istot żywych można bezpośrednio wiązać ze strukturą makrocząsteczek dwóch klas - białek globularnych i kwasów nukleinowych.

Życie na poziomie najniższym jest niezależne od wszelkich charakterystycznych form. Jego siedzibą jest protoplazma - substancja określona przez swój skład chemiczny, a nie przez formę.

Życie związane jest z pewną substancją, określoną przez swoją naturę chemiczną - jest nią protoplazma.

Z emergentyzmem związane jest podejście systemowe, oparte na założeniu, że właściwości układu jako całości są wynikiem nie tylko właściwości jego elementów, ale struktury układu (np. chemoton):

Problem życia jest problemem organizacji, nie istnieje żadna żywa substancja, tylko żywe organizmy.

Wyrażenie "żywa materia" powinno oznaczać nie specjalny rodzaj materii ani nawet materię specjalnie uporządkowaną, lecz materię, która utrzymuje się w określonej relacji do żywych organizmów. W tym sensie można nawet powiedzieć, że to organizm nadaje życie materii, a nie odwrotnie, że materia żywa nadaje życie organizmowi.

Życie (...) nie jest (...) właściwością jakiegoś specjalnego związku chemicznego - np. białka lub kwasu nukleinowego - ale cechą specyficznej organizacji systemów żywych. Dlatego zwrot "materia ożywiona" jest niepoprawny - powinno się mówić: żywy system materialny.

W komórce nie ma nic żywego prócz całej komórki.

Definicje życia jako zjawiska

Najważniejszą cechą życia jest ciągła wymiana materii i energii między żywym organizmem a jego otoczeniem, z utrzymywaniem homeostazy, oraz zdolność do replikacji, powielania się, czy też rozmnażania i dziedziczenia cech. Do podtrzymywania wymiany energii z otoczeniem konieczny jest stały wkład wysiłku ze strony organizmu. Zatem życie to: zespół wzajemnie się podtrzymujących procesów metabolicznych zachodzących w organizmie żywym lub jego poszczególnych częściach. Istotną cechą życia, wywodzącą się z natury procesów metabolicznych, jest zdolność organizmów żywych do utrzymania wyższego poziomu uporządkowania, a więc niższej entropii niż otoczenie, kosztem zużycia energii.

Redukcjonistyczna

Życie to system albo zbiór elementów zdolnych do ewolucji w sensie biologicznym.

Definicja ta faworyzowana jest przez niektórych badaczy sztucznego życia i niektórych redukcjonistów (np. Richard Dawkins). Zarzuca się jej jednak, że jest zbyt szeroka. Obejmuje np. replikujące się programy komputerowe (patrz system Tierra).

Próbą zawężenia jest definicja w postaci: życie to zbiór autonomicznych replikatorów zdolnych do ewolucji.

W przypadku życia na Ziemi rolę autonomicznych replikatorów spełniają organizmy żywe, zaś podlegają ewolucji dzięki niedoskonałej replikacji.

Definicja ta jednak w rzeczywistości nie rozwiązuje problemu ortodoksyjnych biologów, ponieważ programy z systemu Tierra są autonomicznymi replikatorami (zasiedlającymi system Tierra, podobnie jak organizmy żywe sensu stricto zasiedlają naszą planetę). Aby ich usatysfakcjonować, należałoby wprowadzić do definicji warunek materialności replikatorów. W dalszym ciągu jednak problemem pozostanie wówczas uznanie za żywą maszyny zdolnej do wykonania swojej względnie dokładnej kopii.

Z kolei niektórzy badacze sztucznego życia używają odrobinę precyzyjniejszej definicji: Życie to dynamiczne, samoorganizujące się struktury, zdolne do samopowielania się i ewolucji. Różnica polega na wprowadzeniu wymogu dynamicznego samopowielania się struktury - odbiera to większości z obiektów zainteresowań badaczy sztucznego życia (jak algorytmy ewolucyjne czy różne odmiany Game of Life) status żywych.

Cybernetyczna

Życie to system sprzężeń zwrotnych ujemnych podporządkowanych nadrzędnemu sprzężeniu zwrotnemu dodatniemu. Taka cybernetyczna definicja życia została zaproponowana przez Polaka, Bernarda Korzeniewskiego.

Termodynamiczna

Życie to złożona struktura dyssypatywna, mająca zdolność miejscowego odwracania wzrostu entropii.

Z punktu widzenia teorii informacji

Życie to czasowa zdolność (cecha) swoistego systemu, sterowanego przez informację i przetwarzającego informację, wykorzystywania i przekazywania zawartej w nim informacji semantycznej.

Poziomy organizacji układów związanych z życiem

Biologia tradycyjnie wyróżnia kilka poziomów organizacji układów związanych ze zjawiskiem życia. Wiążą się z nimi poszczególne nauki biologiczne, różniące się przedmiotem badań i metodologią. Zwykle wyróżnia się następujące poziomy organizacji i odpowiadające im nauki biologiczne:

1. Subkomórkowy ("części składowych komórki", "zorganizowanej materii organicznej"), przedmiot badań biologii molekularnej; obejmuje poziom molekularny (związków chemicznych, w tym szczególnie białek i kwasów nukleinowych, badany także przez biofizykę i biochemię) i poziom struktur subkomórkowych oraz wirusów. Chociaż na poziomie molekularnym opis zjawisk można sprowadzić do praw fizyki i chemii (tak bada ten poziom biofizyka i biochemia), to molekuły białek i kwasów nukleinowych mają szczególnie duże rozmiary i różnorodność. Wchodzą one w skład struktur wyższego rzędu, które są z kolei elementami struktur bardziej złożonych. Istnieje hierarchia struktur o rosnącej organizacji (np. cząsteczka DNA - chromosom - jądro komórkowe). Hierarchii struktur odpowiada hierarchia funkcji - wzajemna kontrola i zależność procesów fizycznych i chemicznych. Integracja funkcji nie jest jednak całkowita i nie możemy nazwać struktur (układów) tego poziomu żywymi. Struktury subkomórkowe nie funkcjonują poza strukturą komórki. Pewnym wyjątkiem są tu mitochondria, które funkcjonują po wyizolowaniu z komórki i umieszczeniu w odpowiednich warunkach oraz chloroplasty, które nie tylko funkcjonują w takich warunkach, ale nawet udało się przeprowadzić ich jednorazowy podział.
2. Komórkowy (organizmu jednokomórkowego), przedmiot badań biologii komórki - cytologii. Na tym poziomie zachodzi pełna integracja funkcji i pojawiają się typowe właściwości organizmu żywego (kryteria życia). Komórka jest więc najprostszą jednostką życia, najprostszym żywym integronem. Mogą więc istnieć i istnieją organizmy jednokomórkowe.
3. Organizmu wielokomórkowego - układu złożonego z wielu (nieraz miliardów) komórek, tworzących morfologiczną i funkcjonalną całość (integron), uporządkowanych w takie podukłady jak tkanki (podpoziom tkankowy, przedmiot badań histologii), narządy i układy narządów (przedmiot badań anatomii i fizjologii).
4. Ponadorganizmalny (ponadosobniczy) - obejmujący takie układy (integrony), jak stado, populacja, biocenoza i planetarny system żywy, czyli biosfera (geobiocenoza), przedmiot badań ekologii, genetyki populacji, socjobiologii, ewolucjonizmu.

Termin "życie" może odnosić się do zespołu procesów czy właściwości na poziomie komórki, organizmu (osobnika) - "życie zwierzęcia, rośliny", jak i na poziomie ponadosobniczym, aż do biosfery włącznie - "życie na Ziemi".

Przerwanie procesów życiowych jednostki morfologiczno-funkcjonalnej (integronu) danego poziomu, nie przerywa bezpośrednio procesów życiowych na innych poziomach. Np. śmierć organizmu wielokomórkowego (rozpad integronu) nie oznacza natychmiastowej śmierci narządów (możliwy jest przeszczep), a następujący po pewnym czasie rozpad funkcjonalny (śmierć) narządu nie oznacza śmierci komórek wchodzących w jego skład (możliwa jest hodowla tkanek). Śmierć poszczególnych komórek, wchodzących w skład organizmu wielokomórkowego nie musi oznaczać jego śmierci, śmierć poszczególnych organizmów nie musi oznaczać śmierci populacji.

Trzy systemy

Organizmy żywe są bez wyjątku złożone z trzech wzajemnie powiązanych podsystemów:

1. systemu metabolicznego – zapewniającego autonomię energetyczną
2. systemu informacyjnego – zapewniającego regulację i sterowanie
3. systemu kompartmentalizacyjnego – zapewniającego wyodrębnienie ze świata zewnętrznego.

Trzy poziomy organizacji

Podsystemy te możemy wyróżnić na trzech poziomach organizacyjnych związanych z życiem:

1. komórkowym:
   1. system metaboliczny: autokatalityczne procesy biochemiczne komórki
   2. system informacyjny: DNA i mechanizm ekspresji genów
   3. system kompartmentalizacyjny: błona komórkowa, ściana komórkowa, cytoszkielet
2. organizmalnym:
   1. system metaboliczny: układ pokarmowy, układ oddechowy, układ krążenia
   2. system informacyjny: układ nerwowy i układ hormonalny
   3. system kompartmentalizacyjny: skóra, układ odpornościowy, układ mięśniowo-kostny
3. ponadorganizmalnym:
   1. system metaboliczny: systemy wymiany żywności, polowanie grupą
   2. system informacyjny: systemy sygnałów międzyosobniczych, hierarchia społeczna, systemy feromonalne
   3. system kompartmentalizacyjny: terytoria i granice.

Niektóre formy życia występują tylko na poziomie pierwszym (organizmy jednokomórkowe), niektóre na pierwszym i drugim poziomie (organizmy wielokomórkowe), a niektóre na wszystkich trzech poziomach (wielokomórkowe organizmy społeczne).

Podstawowym poziomem organizacji życia jest poziom komórkowy.

Definicja życia jako własności obiektu

Podręcznikowa definicja życia opiera się na wymienieniu czynności życiowych organizmów, tak więc organizm żywy to system, który charakteryzuje:

• odżywianie
• oddychanie
• wzrost i rozwój
• samoistny ruch
• reagowanie na bodźce (pobudliwość)
• replikacja
• wydalanie

Dla wielu przyrodników, zwłaszcza badających problem powstania życia, ta definicja nie jest satysfakcjonująca, stąd próby uściślenia definicji, opisane poniżej.

Osiem cech życia

Tibor Gánti zaproponował następujący zbiór warunków, które powinien spełniać system, by uznać go za organizm żywy:

Cechy konieczne

Cechy konieczne by dany obiekt uznać za żywy

1. jest wyodrębniony ze świata zewnętrznego
2. posiada metabolizm
3. jest wewnętrznie stabilny, innymi słowy cechuje go homeostaza
4. posiada podsystem przechowywania i przetwarzania informacji, użyteczny dla reszty systemu
5. procesy wewnątrz systemu żywego są regulowane

Cechy potencjalne

Cechy które nie są konieczne by system uznać za żywy, ale konieczne by zachodził proces życia na większą skalę

1. obiekt żywy musi mieć zdolność do wzrostu i rozmnażania
2. w replikacji musi zachodzić zmienność (warunek ewolucji)
3. obiekt musi być śmiertelny.

Cechy konieczne definiują organizm żywy jako autonomiczną strukturę, cechy potencjalne zaś odpowiadają redukcjonistycznej definicji życia, dotyczą więc procesu życia.

Wirusy

Odpowiedź na pytanie czy wirusy są żywe? zależy od przyjętej definicji życia. W świetle powyższych definicji wirusy jako indywidualne osobniki, nie są ożywione. Wirusy podlegają jednak procesowi ewolucji, mają zdolność do namnażania się i zmienności, dlatego stanowią część procesu życia na Ziemi.

Zobacz też

• ewolucja
• historia życia na Ziemi
• pochodzenie życia
• życie pozaziemskie