Ζωή

Υπάρχει ποικιλία μορφών ζωής, όπως φυτά, ζώα, μύκητες, πρώτιστα, αρχαία, και βακτήρια. Τα κριτήρια ταξινόμησης δεν είναι πάντα ευδιάκριτα και ίσως αναφέρονται σε ιούς, ιοειδή, ή ενδεχόμενη συνθετική ζωή ως "ζωντανά". Η βιολογία είναι η επιστήμη που ασχολείται με τη μελέτη της ζωής.

Ο ορισμός της ζωής είναι αμφιλεγόμενος. Ο σημερινός ορισμός είναι ότι οι οργανισμοί είναι ανοικτά συστήματα που διατηρούν ομοιόσταση, αποτελούνται από κύτταρα, έχουν ένα κύκλο ζωής, μεταβολίζουν, αναπτύσσονται,  προσαρμόζονται στο περιβάλλον τους, αποκρίνονται σε ερεθίσματα, αναπαράγονται και εξελίσσονται. Επιπλέον, προτείνονται αρκετοί βιολογικοί ορισμοί για οριακές περιπτώσεις της ζωής, όπως είναι οι ιοί και τα ιοειδή. Ιστορικά, υπήρξαν πολλές προσπάθειες ορισμού της "ζωής" μέσω πεπαλαιωμένων εννοιών όπως η οδική δύναμη, ο υλομορφισμός, η αυτόματη γένεση και ο βιταλισμός, που διαψεύστηκαν από τις βιολογικές ανακαλύψεις. Η Αβιογένεση περιγράφει τη φυσική διαδικασία με την οποία προκύπτει ζωή από άβια ύλη, όπως απλές οργανικές ενώσεις. Κοινές ιδιότητες όλων των οργανισμών είναι η ανάγκη για ορισμένα βασικά χημικά στοιχεία που είναι απαραίτητα για τις βιοχημικές λειτουργίες.

Η ζωή στη Γη πρωτομφανίστηκε πριν από 4,28 δισεκατομμύρια χρόνια, λίγο μετά τον σχηματισμό των ωκεανών πριν από 4,41 δισεκατομμύρια χρόνια και μετά το σχηματισμό της Γης πρίν από 4,54 δισ. χρόνια. Η σημερινή ζωή στη Γη ίσως προήλθε από έναν κόσμο βασισμένο στο RNA, αλλά ούτε αυτός ήταν ο πρώτος. Ο μηχανισμός με τον οποίο ξεκίνησε η ζωή στη Γη είναι άγνωστος, αν και έχει διατυπωθεί πληθώρα υποθέσεων και έχουν διενεργηθεί πειράματα όπως το Πείραμα Miller–Urey. Οι αρχαιότερες γνωστές μορφές ζωής είναι μικροαπολιθώματα βακτηρίων. Σε Αυστραλικούς βράχους 3,45 δισ. ετών βρέθηκαν μικροοργανισμοί. Το 2016 οι επιστήμονες ανακοίνωσαν συνολικά 355 γονίδια που πιστεύεται ότι προήλθαν από τον τελευταίο καθολικό κοινό πρόγονο (LUCA) όλων των ζωντανών οργανισμών, και ήταν ήδη πολύπλοκος οργανισμός και όχι το πρώτο ζωντανό πλάσμα.

Από τις αρχέγονες αρχές, η ζωή στη Γη έχει αλλάξει περιβάλλον σε γεωλογική κλίμακα του χρόνου. Για να επιβιώσει στα περισσότερα οικοσυστήματα, η ζωή πρέπει να προσαρμοστεί σε ένα εύρος συνθηκών. Ορισμένοι μικροοργανισμοί, που ονομάζονται ακραιόφιλοι, ευδοκιμούν σε φυσικά ή γεωχημικά ακραία περιβάλλοντα που είναι επιβλαβή για τις άλλες ζωές στη Γη. Ο Αριστοτέλης ήταν ο πρώτος που ταξινόμησε οργανισμούς. Αργότερα, ο Κάρολος Λινναίος εισήγαγε το σύστημα της διωνυμικής ονοματολογίας για την ταξινόμηση των ειδών. Στη συνέχεια ανακαλύφθηκαν νέες ομάδες και κατηγορίες ζωής, όπως τα κύτταρα και οι μικροοργανισμοί, και αναθεωρήθηκε η δομή των σχέσεων μεταξύ των ζωντανών οργανισμών. Το κύτταρο θεωρείται η δομική και λειτουργική μονάδα της ζωής. Υπάρχουν δύο είδη κυττάρων, τα προκαρυωτικά και τα ευκαρυωτικά, εκ των οποίων και τα δύο αποτελούνται από κυτταρόπλασμα περικλεισμένο μέσα σε μεμβράνη και περιέχουν πολλά βιομόρια όπως πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα. Τα κύτταρα αναπαράγονται με διαδικασία κυτταρικής διαίρεσης, με την οποία το αρχικό κύτταρο διαιρείται σε δύο ή περισσότερα θυγατρικά κύτταρα.

Επί του παρόντος υπάρχουν γνώσεις για τη ζωή στη Γη, αλλά η ζωή δεν περιορίζεται εδώ και πολλοί επιστήμονες πιθανολογούν την ύπαρξη εξωγήινης ζωής. Η τεχνητή ζωή είναι μια προσομοίωση σε υπολογιστή ή ανθρωπογενής ανακατασκευή μίας ζωντανής κατάστασης, που χρησιμοποιείται για να εξεταστούν τα συστήματα που διέπουν τη φυσική ζωή. Ο θάνατος είναι η οριστική παύση όλων των βιολογικών λειτουργιών που συντηρούν έναν οργανισμό, και επομένως, πρόκειται για το τέλος της ζωής του. Η Εξαφάνιση είναι η διαδικασία με την οποία μια ολόκληρη ταξινομική ομάδα ή υποομάδα είδών σταδιακά παύει να υπάρχει. Τα απολιθώματα είναι τα διατηρημένα λείψανα ή ίχνη οργανισμών.

Ο ορισμός της ζωής πάντα ήταν μια πρόκληση για τους επιστήμονες και φιλόσοφους που πρότειναν πληθώρα διατυπώσεων. Εν μέρει επειδή η ζωή είναι μια διαδικασία και όχι μια ουσία. Περιπλέκεται από την έλλειψη γνώσεων για τα χαρακτηριστικά των ζωντανών οντοτήτων που αν υπάρχουν αναπτύχθηκαν εκτός της Γης. Οι φιλοσοφικοί ορισμοί της ζωής, δυσκολεύονται εξίσου στη διάκριση των ζωντανών πλασμάτων από τα άβια. Οι νομικοί ορισμοί της ζωής περιλαμβάνουν περιγραφές και συζητήσεις, και εστιάζονται στις προϋποθέσεις που πρέπει να πληρούνται για να ανακηρυχτεί ένας άνθρωπος νεκρός, και οι νομικές επιπτώσεις αυτής της απόφασης.

Βιολογία

 

Εφόσον δεν υπάρχει αδιαμφισβήτητος ορισμός της ζωής, οι περισσότεροι σημερινοί βιολογικοί ορισμοί είναι περιγραφικοί. Η ζωή θεωρείται ως χαρακτηριστικό κάποιου που συντηρείται, συνεχίζει ή ενισχύει την ύπαρξή του στο δεδομένο περιβάλλον. Γενικά διαθέτει και παρουσιάζει τις εξής ιδιότητες:

1. Ομοιόσταση: ρύθμιση του εσωτερικού περιβάλλοντος ώστε να διατηρείται μια σταθερή κατάσταση, όπως εφίδρωση για ελάττωση της θερμοκρασίας
2. Οργάνωση: δομικά αποτελείται από ένα ή περισσότερα κύτταρα – τις βασικές μονάδες της ζωής
3. Μεταβολισμός: οι μετασχηματισμοί της ενέργειας κατά τη μετατροπή χημικών συστατικών και ενέργειας σε κυτταρικά συστατικά (αναβολισμός) και την αποσύνθεση της οργανικής ύλης (καταβολισμός). Τα ζωντανά πλάσματα χρειάζονται ενέργεια για να διατηρήσουν την εσωτερική τους οργάνωση (ομοιόσταση) και να παράγουν τα άλλα φαινόμενα που σχετίζονται με τη ζωή.
4. Ανάπτυξη: συντήρηση μεγαλύτερου ρυθμού στον αναβολισμό από ότι στον καταβολισμό. Ένας αναπτυσσόμενος οργανισμός αυξάνεται ολόκληρος σε μέγεθος, και δεν περιορίζεται σε συσσώρευση ύλης.
5. Προσαρμογή: η σταδιακή μεταβλητότητα ως απόκριση στις αλλαγές του περιβάλλοντος. Πρόκειται για θεμελιώδη διεργασία εξέλιξης και ρυθμίζεται από την κληρονομικότητα του οργανισμού, τη διατροφή και εξωτερικούς παράγοντες.
6. Απόκριση σε ερεθίσματα: μια απόκριση μπορεί να είναι, η συρρίκνωση ενός μονοκύτταρου οργανισμού λόγω χημικών ουσιών εξωτερικά, οι περίπλοκες αντιδράσεις που εμπλέκονται στην αισθαντικότητα των πολυκύτταρων οργανισμών. Η απόκριση συχνά εκδηλώνεται με κίνηση, όπως τα φύλλα ενός φυτού που στρέφεται προς τον ήλιο (φωτοτροπισμός) και ο χημειοτακτισμός.
7. Αναπαραγωγή: η ικανότητα παραγωγής νέων αυτόνομων οργανισμών, είτε αγενώς από έναν μοναδικό αρχικό οργανισμό ή φυλετικά από δύο αρχικούς οργανισμούς.

Όλες οι φυσιολογικές λειτουργίες έχουν υποκείμενες φυσικές και χημικές βάσεις, μηχανισμούς ρύθμισης και ελέγχου που είναι απαραίτητοι για τη διατήρηση της ζωής.

Εναλλακτικοί ορισμοί

Από φυσική άποψη, τα ζωντανά όντα είναι θερμοδυναμικά συστήματα με οργανωμένη μοριακή δομή που μπορεί να αναπαράγεται και να εξελίσσεται όπως απαιτείται για επιβίωση. Θερμοδυναμικά, η ζωή έχει περιγραφεί ως ένα ανοιχτό σύστημα που χρησιμοποιεί διαβαθμίσεις του περιβάλλοντός ενώ δημιουργεί ατελή αντίγραφά της. Συνεπώς η ζωή είναι ένα αυτόνομο χημικό σύστημα ικανό να διέλθει Δαρβινική εξέλιξη. Ένα μεγάλο πλεονέκτημα αυτού του ορισμού είναι ότι διακρίνει τη ζωή περισσότερο βάσει της εξελικτικής διαδικασίας παρά από τη χημική σύνθεση.

Η συστηματική άποψη δεν εξαρτάται απαραίτητα από τη μοριακή χημεία. Προσδιορίζει ότι η ζωή για τα ζωντανά πλάσματα είναι αυτο-οργάνωση και αυτοποίηση (αυτο-παραγωγή). Εναλλακτικά, ο Στιούαρτ Κάουφμαν αναφέρεται σε έναν αυτόνομο παράγοντα ή ένα πολύπαραγοντικό σύστημα ικανό να αναπαράγει τον εαυτό του, και να ολοκληρώνει τουλάχιστον ένα θερμοδυναμικό κύκλο εργασίας. Ο ορισμός επεκτάθηκε σταδιακά κατόπιν νέων εξελίξεων.

Ιοί

 

Το αν ένας ιός πρέπει να θεωρείται ζωντανός ή όχι είναι θέμα συζητήσεων . Θεωρούνται μάλλον απλά αντιγραφείς παρά ως μορφές ζωής. Έχουν περιγραφεί ως "ζωικά οριακοί οργανισμοί " , επειδή διαθέτουν γονίδια, εξελίσσονται μέσω της φυσικής επιλογής, και αναπαράγονται δημιουργώντας πολλά αντίγραφα του εαυτού τους με αυτο-συγκρότηση. Ωστόσο, οι ιοί δεν μεταβολίζουν και απαιτούν ένα κύτταρο ξενιστή για την παραγωγή μορίων. Η αυτοσυγκρότηση των ιών μέσα σε κύτταρα ξενιστές περιπλέκει τη μελέτη για την προέλευση της ζωής, εφόσον στηρίζει την υπόθεση ότι η ζωή ίσως ξεκίνησε ως αυτο-συγκροτούμενα οργανικά μόρια.

Βιοφυσική

Ο ορισμός της ζωής μπορεί να βασίζεται σε χημικά συστήματα και επιδιώκεται να περιλαμβάνει τον ελάχιστο απαιτούμενο αριθμό φαινομένων. Για τους Βιοφυσικούς τα ζωντανά πλάσματα λειτουργούν ως αρνητική εντροπία. Συνοπτικά οι ζωϊκές διεργασίες μπορούν να θεωρηθούν ως μια καθυστέρηση στην αυθόρμητη διάχυση ή διασπορά της εσωτερικής ενέργειας των βιολογικών μορίων προς πιο δυναμικά μικροκράτη. Αναλυτικά, σύμφωνα με φυσικούς όπως οι Τζον Μπέρναλ, Έρβιν Σρέντιγκερ, Γιουτζίν Γουίγκνερ και Τζον Άβερυ, η ζωή περιλαμβάνεται σε μία κατηγορία φαινομένων που αποτελούν ανοιχτά ή συνεχή συστήματα και μπορούν να ελαττώσουν την εσωτερική εντροπία καταναλώνοντας ουσίες ή ελεύθερη ενέργεια που προσλαμβάνεται από το περιβάλλον και στη συνέχεια απορρίπτεται σε υποβαθμισμένη μορφή.

Θεωρίες των έμβιων συστημάτων

Τα έμβια συστήματα είναι ανοικτά αυτο-οργανωμένα ζωντανά πλάσματα που αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους. Τα συστήματα συντηρούνται με ροές πληροφοριών, ενέργειας και ύλης.

Για αρκετούς επιστήμονες η θεωρία των έμβιων συστημάτων χρειάζεται για να εξηγηθεί η φύση της ζωής. Τόσο γενική θεωρία θα προκύψει από τις οικολογικές και βιολογικές επιστήμες και θα επιδιώκει να χαρτογραφήσει τις γενικές αρχές που διέπουν τις λειτουργίες των έμβιων συστημάτων. Αντί να εξετάζει τα φαινόμενα κατόπιν ανάλυσης στα συστατικά τους, διερευνά τα φαινόμενα από την άποψη των δυναμικών πρότυπων σχέσεων που έχουν οι οργανισμοί με τα περιβάλλοντά τους.

Η υπόθεση της Γαίας

Η ιδέα ότι η Γη είναι ζωντανή συναντάται στη φιλοσοφία και τη θρησκεία, αλλά η πρώτη επιστημονική συζήτηση περί του θέματος ήταν του Σκοτσέζου επιστήμονα Τζέιμς Χάτον. Το 1785 υποστήριξε ότι η Γη ήταν ένας υπερ-οργανισμός και πρέπει να εξετάζεται από τη φυσιολογία. Ο Χάτον θεωρείται ο πατέρας της γεωλογίας, αλλά η ιδέα της ζωντανής Γης ξεχάστηκε κατόπιν αναγωγισμού τον 19ο αιώνα.^:10 Περί το 1960, η υπόθεση της Γαίας του επιστήμονα Τζέιμς Λάβλοκ, θεωρεί ότι η ζωή στη Γη λειτουργεί ως ένας ενιαίος οργανισμός που επιλέγει και συντηρεί τις περιβαλλοντικές συνθήκες όπως απαιτείται για την επιβίωσή του. Η υπόθεση θεμελίωσε τις σύγχρονες επιστήμες Γήινων συστημάτων.

Αδυναμία κλασματοποίησης

To 1978 ο Αμερικάνος βιολόγος Τζέημς Γκριερ Μιλερ παρουσίασε μία γενική θεωρία ζωντανών συστημάτων που εξηγούσε τη φύση της ζωής. Ο Ρόμπερτ Ρόσεν (1991) επί αυτής βασισμένος όρισε ένα στοιχείο του συστήματος ως "οργανωτική μονάδα: ένα λειτουργικό μέρος, με ορισμένη σχέση μεταξύ του όλου και μέρους." Με συνδυασμό από αρχικές έννοιες, ανέπτυξε τη "σχετική θεωρία των συστημάτων" που επιδιώκει να εξηγήσει τις ιδιαίτερες ιδιότητες της ζωής. Συγκεκριμένα, αναγνώρισε την "αδυναμία κλασματοποίησης των στοιχείων ενός οργανισμού", ως βασική διαφορά μεταξύ των ζωντανών συστημάτων και των "βιολογικών μηχανών."

Η ζωή ως ιδιότητα των οικοσυστημάτων

Η συστηματική άποψη της ζωής θεωρεί τις περιβαλλοντικές και βιολογικές ροές ως "αμοιβαία επηρεαζόμενες" και η αλληλεπίδραση με το περιβάλλον είναι εξίσου σημαντική για την κατανόηση της ζωής και των οικοσυστημάτων. Όπως εξηγεί ο Χάρολντ Τζ. Μόροβιτζ (1992), η ζωή είναι ιδιότητα ενός οικολογικού σύστηματος και όχι απλά ένας μόνος οργανισμός ή είδος. Υποστηρίζει ότι ο οικοσυστηματικός ορισμός της ζωής είναι προτιμότερος από έναν αυστηρά βιοχημικό ή φυσικό. Ο Ρόμπερτ Ουλάνοβιτζ (2009) τόνισε την αμοιβαιότητα ως το κλειδί για την κατανόηση της συστηματικής, τακτικής συμπεριφοράς της ζωής και των οικοσυστημάτων.

Βιολογία περίπλοκων συστημάτων

Η βιολογία περίπλοκων συστημάτων είναι ένα πεδίο της επιστήμης που μελετά την εμφάνιση περιπλοκότητας στους λειτουργικούς οργανισμούς από την άποψη της θεωρίας δυναμικών συστημάτων, που ονομάζεται και βιολογία συστημάτων και επιδιώκει να κατανοήσει τις θεμελιώδεις πτυχές της ζωής. Ο συγγενής κλάδος που ονομάζεται σχετική βιολογία ασχολείται κύρια με την κατανόηση των ζωικών διεργασιών με όρους σημαντικότητας, και την κατηγοριοποίηση των σχέσεων για τους πολυκύτταρους οργανισμούς ορίζεται ως "κατηγορηματική βιολογία", ή ένα μοντέλο που απεικονίζει τους οργανισμούς ως θεωρία κατηγοριών των βιολογικών σχέσεων, καθώς και μια αλγεβραική τοπολογία της λειτουργικής οργάνωσης των ζωντανών οργανισμών από άποψη δυναμικής, περιπλοκότητας δίκτυων μεταβολικών, γενετικών και επιγενετικών διεργασιών και σηματοδοτικών μονοπατιών. Εναλλακτικές αλλά συγγενικές προσεγγίσεις εστιάζουν στους περιορισμούς της αμοιβαίας εξάρτησης, όπου οι περιορισμοί είναι είτε μοριακοί, όπως ένζυμα, ή μακροσκοπικο, όπως η γεωμετρία του οστού ή το αγγειακό σύστημα.

Δαρβίνεια δυναμική

Έχει υποστηριχθεί ότι η εξέλιξη της τάξης των ζωντανών και ορισμένων φυσικών συστημάτων ακολουθεί μία κοινή βασική αρχή που ονομάστηκε Δαρβίνεια δυναμική. Διατυπώθηκε έχοντας υπόψη του τρόπου διαμόρφωσης της μακροσκοπικής τάξης ενός απλού μη-βιολογικού συστήματος όταν απομακρύνεται από τη θερμοδυναμική ισορροπία του, και στη συνέχεια επέκτεινε τη θεωρία στο σύντομο τρόπο αντιγραφής των RNA μορίων. Οι βασικές αρχές για τις διεργασίες ήταν παρόμοιες για τους δύο τύπους συστημάτων.

Λειτουργική Θεωρία

Η συστηματική λειτουργική θεωρία προτείνει ότι "η ζωή είναι ένας γενικός όρος για την παρουσία των διαμερισμάτων που βρίσκονται στους οργανισμούς το τυπικό διαμέρισμα είναι μια μεμβράνη και ένα αυτοκαταλυτικό σύνολο που βρίσκεται στο κύτταρο" και ότι οργανισμός είναι οποιοδήποτε σύστημα με οργάνωση που τυπικά λειτουργεί όπως το πρότυπο της θεωρίας. Η ζωή μπορεί να παρουσιαστεί ως ένα δίκτυο κατώτερων αρνητικών ανατροφοδοτήσεων των ρυθμιστικών μηχανισμών που υπακούν σε μια ανώτερη θετική ανατροφοδότηση όπως διαμορφώθηκε από της δυνατότητες επέκτασης και αναπαραγωγής.