Elämä on syntymän ja kuoleman rajaama eliön biologinen tila, johon liittyy sellaisia piirteitä kuin itsenäisyys, aineenvaihdunta, moduulirakenne, kasvu, mukautuvuus ja lisääntyminen. Elämää ei ole helppoa määritellä ja kuvailla. Ainoa meidän tuntemamme esimerkki elämästä on maapallolle yhdestä alkusynnystä arviolta 3,5-4,2 miljardia vuotta sitten lähtöisin oleva elämä, mutta Maan ulkopuolinen elämä ja keinotekoinen elämä voivat poiketa siitä. On myös vaikea vetää raja elollisen ja elottoman välille.
Elämä on levinnyt maapallolla lähes kaikkialle, Etelämantereen jäätiköistä Saharan autiomaan kuivaan hiekkaan. Maapallon ulkopuolista elämää ei ole etsinnöistä huolimatta havaittu.Viranta-Kovanen 2010, s. 8.
Elämää tutkiva tiede on biologia kaikkine osa-alueineen. Ulkoavaruuden elämää etsii ja tutkii astrobiologia.
Määrittely Elämän määrittely on monestakin syystä vaikeaa. Elämälle on vaikea tehdä yleistyksiä, koska ainoa tunnettu esimerkki elämästä on maapallolle yhdestä alkusynnystä lähtöisin oleva elämä. On myös vaikea vetää raja elollisen ja elottoman välille. Elottoman ja elollisen välimaastossa ovat virukset ja prionit.Viranta-Kovanen 2010, s. 13.
Kreikkalainen filosofi Dionysios Khalkedonilainen (n. 320 eaa.) määritteli että elämä on ”ravinnon ylläpitämä olennon liike, joka on siinä synnynnäisesti”.Aristoteles: Topiikka VI.10. Fyysikko Erwin Schrödinger määritteli 1940-luvulla elämän negatiiviseksi entropiaksi. Kemisti Albert Szent-Györgyi määritteli elämän paikaksi, jossa elektroni voi levätä. Biologisissa määritelmissä elämän ominaisuudeksi mainitaan yleensä kyky tuottaa uusia kopioita itsestään. Astrobiologi André Brackin mukaan elämä on “vesiliukoinen kemiallinen systeemi, joka siirtää molekyylirakenteisiin sisältyvän informaation ja kehittyy”. Nasan versio elämän määritelmästä astrobiologian tutkimusohjelmassaan on, että elämä on “vesiliukoinen kemiallinen systeemi, joka perustuu molekyylirakenteisiin koodattuun informaatioon ja kehittyy”. Kemistien Addy Pross ja Robert Pascal mukaan elämä on toiminnallisuuteen perustuva stabiili tila, joka toimii ulkopuolelta tulevan energian varassa. Fyysikko Pekka Janhusen mukaan elämän voisi määritellä pitkäikäisenä, monimutkaisena ja kehittyvänä autokatalyyttisenä reaktiojoukkona.Lehto 2019, s. 21–25.
Yhteiset piirteet Elämän yhteisiä piirteitä ovat: Itsenäisyys: elävä olio kykenee spontaaneihin tekoihin ja osaa käyttää ympäristöään hyödykseen sekä vastaa ärsykkeisiin. Aineenvaihdunta: elävä olio tuottaa elottomasta aineesta rakennusmateriaalia ja energiaa (synteesi) sekä hajottaa eloperäistä ainetta (katalyysi). Moduulirakenne: elävä olio koostuu soluista, elämän rakennuspalikoista. Kasvu: elollinen olio kasvattaa osiensa kokoa eikä vain kerää lisää materiaalia ympärilleen. Mukautuvuus: Kyky muuttaa käyttäytymistä ympäristön mukaan. Pitkillä ajanjaksoilla havaitaan perinnöllisyydestä johtuvaa evoluutiota. Lisääntyminen: elävä olio kykenee tuottamaan uuden organismin solujen jakautumisen avulla. Tämä voi tapahtua yhteistyössä toisen eliön kanssa (suvullisesti) tai vain kyseisen olion omien solujen jakautuessa (suvuttomasti). Jotkut elottoman luonnon asiatkin tosin lisääntyvät. Lisääntymisen määritelmään liittyy sekin, että eliöt syntyvät ja kuolevat. Kuolema aiheutuu usein tapaturmaisesti. Useat eliöt vanhenevat ja kuolevat lopulta vanhuuden vaivoihin. Vanhenemisen syytä ei täysin ymmärretä, mutta sen arvellaan olevan sivutuote elimistön taistelusta ulkoisia uhkia ja happiradikaaleja vastaan.Viranta-Kovanen 2010, s. 36.
Viimeisellä kaikille nykyisille eliöille yhteisellä esi-isällä esiintyneitä, ja sitä kautta kaikelle nykyiselle maapallon elämälle yhteisiä ominaisuuksia olivat:Viranta-Kovanen 2010, s. 10–11. solut vettä 50–90 prosenttia hiili, vety, typpi ja happi samoja sokereita, aminohappoja, nukleotideja, rasvahappoja, fosfolipidejä, vitamiineja ja entsyymejä tärkeimpinä makromolekyyleinä proteiinit, lipidit, hiilihydraatit ja nukleiinihapot samanlainen solujen kaksinkertainen solukalvo entsyymien välityksellä tapahtuvat solujen reaktiot samanlainen prosessi energian tuottamiseksi ja saamiseksi välireaktioista koostuvat aineenvaihdunnan reaktiot DNA:sta koostuva solujen perimä kaikissa soluissa olevat ribosomit, joissa proteiinisynteesi tapahtuu perimässä tapahtuvat mutaatiot, jotka voivat muuttaa kaiken elollisen ilmiasua.
Perusta Maapallon elämä perustuu veden ja hiilen ominaisuuksiin. Vedystä ja hapesta muodostuva vesi on elämälle välttämätöntä useasta syystä. Vesi on esimerkiksi monipuolinen liuotin. Vesi myös sitoo hyvin lämpöä, minkä ansiosta suuret vesimassat kuten meret pitävät maapallon lämpötilan tasaisena ja elämälle soveltuvana. Myös veden pintajännitys, koheesio ja jään kelluminen veden päällä ovat tärkeitä elämän kannalta. Hiili on osana tuhansissa elämälle tärkeissä molekyyleissä, koska hiilimolekyyleillä on monipuolinen ja elämän kannalta välttämätön kyky muodostaa lähes loputtomasti erilaisia molekyylejä.Viranta-Kovanen 2010, s. 14–17.
Avaruudessa mahdollisesti olevalla elämällä voi olla erilainen kemia kuin maapallolla. On ehdotettu esimerkiksi piihin, fosforiin ja typpeen sekä rikkihappoon tai ammoniakkiin perustuvaa elämän kemiaa. Näiltä puuttuu kuitenkin veden ja hiilen hyödyllisiä ominaisuuksia, minkä vuoksi niihin perustuvaa elämää pidetään epätodennäköisempänä kuin veteen ja hiileen perustuvaa.Viranta-Kovanen 2010, s. 122–123.
Rakennusaineet Elollinen aine rakentuu pääasiassa makromolekyyleistä: aminohapoista, rasva-aineista, nukleotideista ja hiilihydraateista.Viranta-Kovanen 2010, s. 17–19.
Aminohapot muodostavat proteiineja, ja eliöillä esiintyy 20 erilaista aminohappoa, joista kaikki proteiinit rakentuvat. Proteiineja ovat muun muassa elimistön sisäiset viestinviejät hormonit. Proteiinit myös avustavat lähes kaikissa eliön kemiallisissa reaktioissa toimimalla entsyymeinä. Lisäksi proteiinit auttavat erilaisten atomien ja molekyylien kuljettamisessa elimistössä. Proteiinit ovat myös välttämättömiä liikkeen syntymiseen solussa ja eliössä.
Hiilihydraatit toimivat solun ja elimistön lyhytaikaisina energianlähteinä, energiavarastoina sekä tukirakenteina.
DNA-nukleiinihapoksi on nukleotideilla kirjoitettu elämän perinnöllinen koodi. Nukleotidit koostuvat sokerimolekyyleistä, fosforihaposta ja emäksestä. DNA:n luentaan tarvitaan myös toista nukleiinihappoa RNA:ta. Myös solun elintoimintojen energian lähde, ATP, on nukleotidi. Nukleotidit toimivat lisäksi entsyymeinä ja hormoneina.
Rasva-aineita eli lipidejä on hyvin erilaisia. Ne eivät liukene helposti veteen ja hakeutuvat yhteen muodostaen kalvomaisia tai pisaramaisia rakenteita, kuten solukalvoja. Triglyseridit toimivat eliön pitkäaikaisina energiavarastoina. Steroidit toimivat esimerkiksi solukalvon rakennetta tukemassa sekä muodostavat eliön toimintoja sääteleviä hormoneja.
Luokittelu
Eliöt luokitellaan monitasoisella hierarkkisella järjestelmällä, joka perustuu eliöiden sukulaissuhteisiin. Luokittelu kuvastaa lajien eriytymistä toisistaan. Ylimmällä tasolla on kaikkien nykyisten eliöiden kantamuoto. Jokaisella lajilla on kaksiosainen tieteellinen nimi, joka koostuu suku- ja lajinimestä.
Omissa linjoissaan kehittyneitä eliökuntia katsotaan olevan kuusi: prokaryootit, arkkieliöt, alkueliöt, sienet, kasvit ja eläimet. Näistä monisoluisia ovat kolme viimeistä.Viranta-Kovanen 2010, s. 47.
Elämän historia Elämän synty
Varhaisella maapallolla oli jo saatavilla runsaasti energiaa sekä niitä alkuaineita, joista valtaosa elävistä solukoista rakentuu: vetyä, hiiltä, happea ja typpeä. Hapen alhainen pitoisuus ilmakehässä luultavasti edisti kemiallista evoluutiota ennen elämän syntyä.
Elämä syntyi maapallolle ehkä 3,5–4,2 miljardia vuotta sitten.
Elämän alkuperästä ja synnystä on esitetty useita teorioita. Salamateorian mukaan kipinän elämän kehittymiselle antoi salaman aiheuttama voimakas energiapurkaus, joka synnytti elämän perusaineksiin kuuluvat aminohapot. Toisen suositun teorian mukaan elämän synnytti merenpohjan kuumien lähteiden runsaasti energiaa sisältävä aineiden yhdistelmä. Kolmannen teorian mukaan ensimmäiset elämän ainekset toi mukanaan Maahan iskeytynyt komeetta.
Myös elämän syntytapahtumista molekyylitasolla on laadittu lukuisia hypoteeseja, kuten alkukopioituja, esisolu, RNA-maailma, hypersykli, rauta-rikkimaailma, lipidimaailma ja proteiinimaailma. Nämä ajatukset kilpailevat keskenään ja joskus täydentävät toisiaan.
Elämän kehitys
Viimeinen universaali esivanhempi (LUCA), josta kaikki elämä maapallolla on polveutunut, eli ehkä noin 3,8 miljardia vuotta sitten. Sitä on kuvattu ”puoliksi eläväksi”, sillä se saattoi olla vielä riippuvainen merenpohjan purkausaukkojen elottomista reaktioista tuottaakseen tarvitsemiansa kemikaaleja. Vuonna 2024 julkaistun tutkimuksen perusteella LUCA olisikin 4,2 miljardia vuotta vanha, eli vain 300 miljoonaa vuotta maapalloa nuorempi, mutta tästä ei ole yksimielisyyttä.
Aluksi elämää oli vain veden alla. Ensimmäiset eliöt olivat bakteereita; syanobakteerit olivat todennäköisesti Maan pääasiallisia elämänmuotoja ensimmäiset kaksi miljardia vuotta. Niiden tuottama happi edisti monimutkaisempien solujen kehitystä, ja 1,5 miljardia vuotta sitten tumallisten solujen kehittyminen mahdollisti suvullisen lisääntymisen ja siten myös uusien eliölajien kehittymisen. Näitä olivat akritarkit, kelluvat, yksisoluiset eliöt. Jotkut akritarkeista on liitetty viherleviin, mutta suurinta osaa ei ole kyetty ryhmittelemään.
1,3 miljardia vuotta sitten syntyi ilmakehän otsonikerros, jonka suojissa elämän kehitys jatkui. 800 miljoonaa vuotta sitten kehittyivät ensimmäiset alkueläimet, jotka käyttivät ravintonaan muita eliöitä. Ne kehittyivät 120 miljoonan vuoden kuluessa monimutkaisiksi ja monisoluisiksi eläimiksi, jotka muistuttivat koralleja tai matoja.
thumb|Kambrikautisia Elrathia kingii -trilobiittien fossiileja. Selkärangattomien eläinten perusryhmät ilmestyivät proterotsooisen kauden lopulla ja paleotsooisen kauden alussa noin 540 miljoonaa vuotta sitten. Merien valtamuotoja kambrikaudella 542–490 miljoonaa vuotta sitten olivat luultavasti trilobiitit. Merissä eli myös selkäjänteisiä, joista ihminen polveutuu. Kambrikauden lopulla suurin osa eliöistä tuhoutui, mutta 500–435 miljoonaa vuotta sitten ordovikikaudella elämän monimuotoisuus lisääntyi jälleen. Selkärangattomat olivat yhä vallitsevia, mutta myös selkärankaisia esiintyi. Alkeelliset leuattomat kalat kehittyivät 485 miljoonaa vuotta sitten; ne toimivat kantamuotoina myöhemmille kaloille, sammakkoeläimille, matelijoille, linnuille ja nisäkkäille. Siluurikaudella 435–395 miljoonaa vuotta sitten levät erilaistuivat ja kalojen pääryhmät kehittyivät.
Ensimmäiset maakasvit kehittyivät noin 450 miljoonaa vuotta sitten. Ne muistuttivat luultavasti nykyisiä maksasammalia, karvalehtikasveja ja sammalia. Vanhimpien putkilokasvien fossiilit ovat 430 miljoonaa vuotta vanhoja. Koko maapallon kasvillisuus oli siluurikaudella hyvin samankaltaista, koska Pangean supermanner kattoi kaiken maa-alueen. Maan kivihiili on muodostunut maakerroksiin muinoin hautautuneista kuolleista kasveista.
thumb|left|Taiteilijan näkemys devonikautisesta metsästä. Kasvit alkoivat erilaistua devonikaudella 395–345 miljoonaa vuotta sitten. Syntyi metsiä, joissa oli jättiläisliekoja ja kortekasveja. Myös saniaisia ja paljassiemenisiä kasveja alkoi esiintyä. Sammakkoeläimiä alkoi nousta maalle.
Kivihiilikaudella 345–280 miljoonaa vuotta sitten liekometsissä oli hämähäkkejä, skorpioneja ja tuhatjalkaisia. Matelijat kehittyivät sammakkoeläimistä 300 miljoonaa vuotta sitten. Kauden lopun kylmä vaihe johti harventuneeseen kasvilajistoon, jonka valtalajeina olivat alkeelliset siemensaniaiset. Permikaudella 280–245 miljoonaa vuotta sitten vallitsevia olivat havupuut. Matelijoiden luurangoissa oli jo samantapaisia piirteitä kuin nisäkkäillä. Permikauden päätti maailmanhistorian suurin joukkotuho.
thumb|Dinosaurukset hallitsivat Maata 210–65 miljoonaa vuotta sitten.