Leben -
Life

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Ruwenpflanzen.jpg , Uganda Domänen und Supergruppen

Leben auf der Erde:

Das Leben ist ein Merkmal, das physische Einheiten mit biologischen Prozessen wie Signalgebung und selbsterhaltenden Prozessen von solchen unterscheidet, die dies nicht tun, entweder weil diese Funktionen aufgehört haben (sie sind gestorben ) oder weil sie nie solche Funktionen hatten und klassifiziert werden als unbelebt. Es gibt verschiedene Lebensformen, wie Pflanzen , Tiere , Pilze , Protisten , Archaeen und Bakterien . Biologie ist die Wissenschaft, die das Leben untersucht.

Über die Definition von Leben besteht derzeit kein Konsens. Eine beliebte Definition ist , dass Organismen sind offene Systeme , die Aufrechterhaltung der Homöostase , bestehen aus Zellen , haben einen Lebenszyklus , durchlaufen den Stoffwechsel , können wachsen , passen sich ihrer Umgebung, reagieren auf Reize , reproduce und evolve . Andere Definitionen umfassen manchmal nicht-zelluläre Lebensformen wie Viren und Viroide .

Abiogenese ist der natürliche Prozess des Lebens, der aus unbelebter Materie, wie einfachen organischen Verbindungen, entsteht . Die vorherrschende wissenschaftliche Hypothese ist, dass der Übergang von unbelebten zu lebenden Wesen kein einzelnes Ereignis war, sondern ein allmählicher Prozess zunehmender Komplexität. Das Leben auf der Erde erschien erstmals vor 4,28 Milliarden Jahren, kurz nach der Ozeanbildung vor 4,41 Milliarden Jahren und nicht lange nach der Entstehung der Erde vor 4,54 Milliarden Jahren. Die frühesten bekannten Lebensformen sind Mikrofossilien von Bakterien. Das Leben auf der Erde stammt wahrscheinlich von einer RNA-Welt ab , obwohl RNA- basiertes Leben möglicherweise nicht das erste Leben war, das existierte. Das klassische Miller-Urey-Experiment von 1952 und ähnliche Forschungen zeigten, dass die meisten Aminosäuren, die chemischen Bestandteile der Proteine, die in allen lebenden Organismen verwendet werden, aus anorganischen Verbindungen unter Bedingungen synthetisiert werden können, die denen der frühen Erde nachempfunden sind . Komplexe organische Moleküle kommen im Sonnensystem und im interstellaren Raum vor , und diese Moleküle könnten Ausgangsmaterial für die Entwicklung des Lebens auf der Erde gewesen sein.

, bei dem sich die Elternzelle in zwei oder mehr Tochterzellen teilt.

ist eine Computersimulation oder von Menschenhand erstellte Rekonstruktion eines beliebigen Aspekts des Lebens, die häufig verwendet wird, um Systeme im Zusammenhang mit natürlichem Leben zu untersuchen.

Der Tod ist die endgültige Beendigung aller biologischen Prozesse, die einen Organismus erhalten, und als solcher das Ende seines Lebens. Aussterben ist der Begriff, der das Aussterben einer Gruppe oder eines Taxons , normalerweise einer Art, beschreibt . Fossilien sind die erhaltenen Überreste oder Spuren von Organismen.

Definitionen

Die Definition des Lebens ist seit langem eine Herausforderung für Wissenschaftler und Philosophen. Dies liegt zum Teil daran, dass das Leben ein Prozess ist, keine Substanz. Dies wird durch mangelndes Wissen über die Eigenschaften von Lebewesen, die sich möglicherweise außerhalb der Erde entwickelt haben, erschwert. Es wurden auch philosophische Definitionen des Lebens vorgelegt, mit ähnlichen Schwierigkeiten, Lebewesen von Nichtlebenden zu unterscheiden. Auch rechtliche Definitionen des Lebens wurden beschrieben und diskutiert, wobei diese sich im Allgemeinen auf die Entscheidung, einen Menschen für tot zu erklären, und die rechtlichen Konsequenzen dieser Entscheidung konzentrieren. Es wurden bis zu 123 Definitionen des Lebens zusammengestellt. Eine Definition scheint von der NASA bevorzugt zu werden : "ein sich selbst erhaltendes chemisches System, das zur darwinistischen Evolution fähig ist". Einfacher gesagt ist Leben "Materie, die sich reproduzieren und sich entwickeln kann, wie es das Überleben diktiert".

Biologie

Die Eigenschaften des Lebens

Da es keine eindeutige Definition von Leben gibt, sind die meisten aktuellen Definitionen in der Biologie beschreibend. Leben wird als Merkmal von etwas angesehen, das seine Existenz in der gegebenen Umgebung erhält, fördert oder verstärkt. Dieses Merkmal weist alle oder die meisten der folgenden Merkmale auf:

  1. Homöostase : Regulierung der inneren Umgebung, um einen konstanten Zustand aufrechtzuerhalten; zum Beispiel Schwitzen, um die Temperatur zu senken
  2. Organisation : strukturell aus einer oder mehreren Zellen zusammengesetzt sein  – den Grundeinheiten des Lebens
  3. Stoffwechsel : Umwandlung von Energie durch Umwandlung von Chemikalien und Energie in zelluläre Bestandteile ( Anabolismus ) und Abbau organischer Stoffe ( Katabolismus ). Lebewesen benötigen Energie , um ihre innere Organisation (Homöostase) aufrechtzuerhalten und die anderen mit dem Leben verbundenen Phänomene hervorzubringen.
  4. Wachstum : Aufrechterhaltung einer höheren Anabolismusrate als Katabolismus. Ein wachsender Organismus nimmt in allen seinen Teilen an Größe zu, anstatt einfach nur Materie anzuhäufen.
  5. Anpassung : die Fähigkeit, sich im Laufe der Zeit als Reaktion auf die Umgebung zu verändern. Diese Fähigkeit ist grundlegend für den Evolutionsprozess und wird durch die Vererbung des Organismus , die Ernährung und äußere Faktoren bestimmt.
  6. Fortpflanzung : die Fähigkeit, neue individuelle Organismen zu produzieren, entweder ungeschlechtlich von einem einzigen Elternorganismus oder sexuell von zwei Elternorganismen.

Diese komplexen Prozesse, die als physiologische Funktionen bezeichnet werden , haben zugrunde liegende physikalische und chemische Grundlagen sowie Signal- und Kontrollmechanismen, die für die Aufrechterhaltung des Lebens unerlässlich sind.

Alternative Definitionen

Aus physikalischer Sicht sind Lebewesen thermodynamische Systeme mit einer organisierten molekularen Struktur, die sich selbst reproduzieren und entwickeln kann, wenn es das Überleben diktiert. Thermodynamisch wurde das Leben als ein offenes System beschrieben, das Gradienten in seiner Umgebung nutzt, um unvollkommene Kopien seiner selbst zu erstellen. Eine andere Möglichkeit, dies auszudrücken, ist die Definition des Lebens als "ein sich selbst erhaltendes chemisches System, das in der Lage ist, eine darwinistische Evolution zu durchlaufen ", eine Definition, die von einem NASA- Komitee angenommen wurde , das versucht, Leben für die Zwecke der Exobiologie zu definieren , basierend auf einem Vorschlag von Carl Sagan . Eine große Stärke dieser Definition besteht darin, dass sie das Leben eher durch den evolutionären Prozess als durch seine chemische Zusammensetzung unterscheidet.

Andere vertreten eine systemische Sichtweise, die nicht unbedingt von der Molekularchemie abhängt. Eine systemische Definition von Leben ist, dass Lebewesen selbstorganisierend und autopoietisch (selbstproduzierend) sind. Variationen dieser Definition umfassen Stuart Kauffmans Definition als autonomer Agent oder Multi-Agenten-System , das sich selbst oder sich selbst reproduzieren kann und mindestens einen thermodynamischen Arbeitszyklus abschließt . Diese Definition wird durch das Erscheinen neuer Funktionen im Laufe der Zeit erweitert.

Viren

Adenovirus wie unter einem Elektronenmikroskop gesehen

Ob Viren als lebend angesehen werden sollten oder nicht, ist umstritten. Sie werden meistens nur als Gen-kodierende Replikatoren und nicht als Lebensformen angesehen. Sie wurden als "Organismen am Rande des Lebens" beschrieben, weil sie Gene besitzen , sich durch natürliche Selektion entwickeln und sich replizieren, indem sie durch Selbstorganisation mehrere Kopien von sich selbst herstellen. Viren werden jedoch nicht metabolisiert und benötigen eine Wirtszelle, um neue Produkte herzustellen. Die Selbstorganisation von Viren in Wirtszellen hat Auswirkungen auf die Erforschung des Ursprungs des Lebens , da sie die Hypothese stützen könnte, dass das Leben als selbstorganisierende organische Moleküle begonnen haben könnte .

Biophysik

oder Bionik (dem Design und der Herstellung von Materialien, Strukturen und Systemen, die biologischen Einheiten und Prozessen nachempfunden sind) wird wahrscheinlich die Grenze zwischen natürlichem und künstlichem Leben neu definieren.

Theorien lebender Systeme

Lebende Systeme sind offene, selbstorganisierende Lebewesen, die mit ihrer Umwelt interagieren . Diese Systeme werden durch Informations-, Energie- und Materieströme aufrechterhalten .

Definition des Zelllebens nach Budisa , Kubyshkin und Schmidt.

Budisa , Kubyshkin und Schmidt definierten das zelluläre Leben als eine organisatorische Einheit, die auf vier Säulen/Grundpfeilern ruht: (i) Energie , (ii) Stoffwechsel , (iii) Information und (iv) Form . Dieses System ist in der Lage, Stoffwechsel und Energieversorgung zu regulieren und zu steuern und enthält mindestens ein Teilsystem, das als Informationsträger ( genetische Information ) fungiert. Zellen als sich selbst erhaltende Einheiten sind Teile verschiedener Populationen , die an dem unidirektionalen und irreversiblen Prozess mit offenem Ende, der als Evolution bekannt ist, beteiligt sind .

Einige Wissenschaftler haben in den letzten Jahrzehnten vorgeschlagen, dass eine allgemeine Theorie lebender Systeme erforderlich ist, um die Natur des Lebens zu erklären. Eine solche allgemeine Theorie würde aus den ökologischen und biologischen Wissenschaften hervorgehen und versuchen, allgemeine Prinzipien für die Funktionsweise aller lebenden Systeme abzubilden. Anstatt Phänomene zu untersuchen, indem man versucht, Dinge in Komponenten zu zerlegen, untersucht eine allgemeine Theorie lebender Systeme Phänomene im Hinblick auf dynamische Muster der Beziehungen von Organismen mit ihrer Umwelt.

Gaia-Hypothese

Die Idee, dass die Erde lebendig ist, findet sich in Philosophie und Religion, aber die erste wissenschaftliche Diskussion darüber wurde von dem schottischen Wissenschaftler James Hutton geführt . Im Jahr 1785 erklärte er, dass die Erde ein Superorganismus sei und dass ihr richtiges Studium die Physiologie sein sollte . Hutton gilt als Vater der Geologie, doch seine Vorstellung von einer lebendigen Erde geriet im intensiven Reduktionismus des 19. Jahrhunderts in Vergessenheit . Die Gaia-Hypothese, die in den 1960er Jahren vom Wissenschaftler James Lovelock vorgeschlagen wurde , legt nahe, dass das Leben auf der Erde als ein einzelner Organismus funktioniert, der die für sein Überleben notwendigen Umweltbedingungen definiert und aufrechterhält . Diese Hypothese diente als eine der Grundlagen der modernen Erdsystemwissenschaft .

Nichtfraktionierbarkeit

.

Leben als Eigenschaft von Ökosystemen

Ein System Sicht des Leben behandeln Umweltflüsse und biologische Flüsse zusammen als „Gegenseitigkeit des Einflusses“ , und eine wechselseitige Beziehung mit der Umwelt ist wohl so wichtig für das Verständnis Leben , wie es für das Verständnis der Ökosysteme ist. Wie Harold J. Morowitz (1992) erklärt, ist Leben eher eine Eigenschaft eines ökologischen Systems als eines einzelnen Organismus oder einer Spezies. Er argumentiert, dass eine ökosystemare Definition des Lebens einer streng biochemischen oder physikalischen vorzuziehen ist . Robert Ulanowicz (2009) hebt Mutualismus als Schlüssel zum Verständnis des systemischen, ordnungserzeugenden Verhaltens von Leben und Ökosystemen hervor.

Komplexe Systembiologie

Komplexe Systembiologie (CSB) ist ein Wissenschaftsgebiet, das die Entstehung von Komplexität in funktionalen Organismen aus der Sicht der Theorie dynamischer Systeme untersucht. Letztere wird oft auch als Systembiologie bezeichnet und zielt darauf ab, die grundlegendsten Aspekte des Lebens zu verstehen. Ein eng verwandter Ansatz zu CSB und Systembiologie, der als relationale Biologie bezeichnet wird, befasst sich hauptsächlich mit dem Verständnis von Lebensvorgängen im Hinblick auf die wichtigsten Beziehungen und Kategorien solcher Beziehungen zwischen den wesentlichen funktionellen Komponenten von Organismen; für vielzellige Organismen wurde dies als "kategoriale Biologie" oder eine modellhafte Darstellung von Organismen als Kategorientheorie biologischer Beziehungen sowie als algebraische Topologie der funktionellen Organisation lebender Organismen im Hinblick auf ihre dynamischen, komplexen Netzwerke von metabolische, genetische und epigenetische Prozesse und Signalwege . Alternative, aber eng verwandte Ansätze konzentrieren sich auf die gegenseitige Abhängigkeit von Beschränkungen, wobei Beschränkungen entweder molekular sein können, wie beispielsweise Enzyme, oder makroskopisch, wie beispielsweise die Geometrie eines Knochens oder des Gefäßsystems.

Darwinsche Dynamik

Es wurde auch argumentiert, dass die Evolution der Ordnung in lebenden Systemen und bestimmten physikalischen Systemen einem gemeinsamen Grundprinzip gehorcht, das als Darwinsche Dynamik bezeichnet wird. Die Darwinsche Dynamik wurde formuliert, indem zunächst betrachtet wurde, wie makroskopische Ordnung in einem einfachen nicht-biologischen System weit vom thermodynamischen Gleichgewicht erzeugt wird, und dann die Betrachtung auf kurze, replizierende RNA- Moleküle ausgedehnt wurde . Es wurde festgestellt, dass der zugrunde liegende auftragsgenerierende Prozess für beide Arten von Systemen grundsätzlich ähnlich ist.

Operatortheorie

Eine andere systemische Definition, die als Operatortheorie bezeichnet wird, schlägt vor, dass "Leben ein allgemeiner Begriff für das Vorhandensein der typischen Verschlüsse in Organismen ist; die typischen Verschlüsse sind eine Membran und ein autokatalytischer Satz in der Zelle" und dass ein Organismus jedes System mit einer Organisation ist die einem Operatortyp entspricht, der mindestens so komplex ist wie die Zelle. Das Leben kann auch als ein Netzwerk minderwertiger negativer Rückkopplungen von Regulationsmechanismen modelliert werden , die einer überlegenen positiven Rückkopplung untergeordnet sind, die durch das Potenzial von Expansion und Reproduktion gebildet wird.

Geschichte des Studiums

Materialismus

Pflanzenwachstum im Hoh Regenwald
Ein Luftbild von mikrobiellen Matten rund um die Grand Prismatic Spring des Yellowstone-Nationalparks

Einige der frühesten Theorien des Lebens waren materialistisch und behaupteten, dass alles, was existiert, Materie ist und dass das Leben lediglich eine komplexe Form oder Anordnung von Materie ist. Empedokles (430 v. Chr.) argumentierte, dass alles im Universum aus einer Kombination von vier ewigen „Elementen“ oder „Wurzeln von allem“ besteht: Erde, Wasser, Luft und Feuer. Alle Veränderungen werden durch die Anordnung und Neuordnung dieser vier Elemente erklärt. Die verschiedenen Lebensformen entstehen durch eine entsprechende Mischung der Elemente.

Demokrit (460 v. Chr.) dachte, dass das Wesen des Lebens eine Seele ( Psyche ) ist. Wie andere antike Schriftsteller versuchte er zu erklären, was etwas zu einem Lebewesen macht . Seine Erklärung war, dass feurige Atome eine Seele genauso machen wie Atome und Leere für alles andere verantwortlich sind. Er nähert sich dem Feuer wegen der offensichtlichen Verbindung zwischen Leben und Wärme und weil Feuer sich bewegt.

—  RJ Hankinson, Ursache und Erklärung im antiken griechischen Denken

Der aus dem antiken Griechenland stammende mechanistische Materialismus wurde von dem französischen Philosophen René Descartes (1596–1650) wiederbelebt und überarbeitet , der Tiere und Menschen als Ansammlungen von Teilen betrachtete, die zusammen als Maschine funktionierten. Diese Idee wurde von Julien Offray de La Mettrie (1709–1750) in seinem Buch L'Homme Machine weiterentwickelt .

Im 19. Jahrhundert förderten die Fortschritte in der Zelltheorie in den biologischen Wissenschaften diese Ansicht. Die Evolutionstheorie von Charles Darwin (1859) ist eine mechanistische Erklärung für die Entstehung von Arten durch natürliche Selektion .

dargelegt wurden, wurden zu seinen Lebzeiten weitgehend abgelehnt, aber das Interesse an der Arbeit von Russell, Barge und Kollegen ist wieder erwacht.

Hylomorphismus

Die Struktur der Seelen von Pflanzen, Tieren und Menschen nach Aristoteles

Hylomorphismus ist eine Theorie, die erstmals von dem griechischen Philosophen Aristoteles (322 v. Chr.) formuliert wurde . Die Anwendung des Hylomorphismus auf die Biologie war für Aristoteles wichtig, und die Biologie wird in seinen erhaltenen Schriften ausführlich behandelt . Aus dieser Sicht hat alles im materiellen Universum sowohl Materie als auch Form, und die Form eines Lebewesens ist seine Seele (griech. Psyche , lateinisch anima ). Es gibt drei Arten von Seelen: die vegetative Seele der Pflanzen, die sie wachsen und vergehen lässt und sich selbst nährt, aber keine Bewegung und Empfindung hervorruft; die Tierseele , die Tiere dazu bringt, sich zu bewegen und zu fühlen; und die rationale Seele , die die Quelle des Bewusstseins und der Vernunft ist, die (Aristoteles glaubte) nur im Menschen zu finden ist. Jede höhere Seele hat alle Attribute der niederen. Aristoteles glaubte, dass Materie ohne Form existieren kann, die Form jedoch ohne Materie nicht existieren kann und dass daher die Seele nicht ohne den Körper existieren kann.

einer Art, die zur natürlichen Selektion der fraglichen Merkmale geführt hat.

Spontane Generation

Spontane Generation war der Glaube, dass sich lebende Organismen bilden können, ohne von ähnlichen Organismen abzustammen. Typischerweise war die Idee, dass bestimmte Formen wie Flöhe aus unbelebter Materie wie Staub oder der vermeintlichen saisonalen Generation von Mäusen und Insekten aus Schlamm oder Müll entstehen könnten.

Die Theorie der spontanen Generation wurde von Aristoteles vorgeschlagen , der die Arbeit früherer Naturphilosophen und die verschiedenen antiken Erklärungen des Auftretens von Organismen zusammenstellte und erweiterte; es galt als die beste Erklärung für zwei Jahrtausende. Es wurde entscheidend durch die Experimente von Louis Pasteur im Jahr 1859 zerstreut , der die Untersuchungen von Vorgängern wie Francesco Redi erweiterte . Die Widerlegung der traditionellen Vorstellungen von der Spontanzeugung ist unter Biologen nicht mehr umstritten.

Vitalismus

Reaktionen hergestellt wurde.

In den 1850er Jahren demonstrierte Hermann von Helmholtz , der von Julius Robert von Mayer vorweggenommen wurde , dass bei der Muskelbewegung keine Energie verloren geht, was darauf hindeutet, dass keine "Lebenskräfte" erforderlich sind, um einen Muskel zu bewegen. Diese Ergebnisse führten dazu, dass das wissenschaftliche Interesse an vitalistischen Theorien aufgegeben wurde, insbesondere nachdem Buchner gezeigt hatte, dass alkoholische Gärung in zellfreien Hefeextrakten stattfinden könnte. Dennoch gibt es immer noch den Glauben an pseudowissenschaftliche Theorien wie die Homöopathie , die Krankheiten und Krankheiten als durch Störungen einer hypothetischen Lebenskraft oder Lebenskraft verursacht interpretiert.

Herkunft

Gliederfüßer Weichtiere
Pongola-Vereisung *
Huronische Vereisung *