Leven

Van leven kan gesproken worden als er zich een proces afspeelt van begin (bevruchting) tot aan het einde (dood). Er zijn echter organismen, bijvoorbeeld de bacteriën, die zich vermenigvuldigen door binaire deling. Bij binaire deling splitst een eencellig organisme zich in twee dochtercellen, die identiek zijn aan de opgedeelde, verdwenen moedercel. Er kan in het geval van binaire deling dus niet van sterven gesproken worden. Doordat dit proces zich bij iedere nieuw ontstane cel (ééncellig organisme) herhaalt, is er sprake van exponentiële aantalstoename van individuen vanuit de oorspronkelijke moedercel, de bacterie.

Een organisme heeft een stofwisseling (metabolisme) en werkt autonoom. Virussen worden daarom meestal niet als 'organismen' beschouwd. De eis van autonomie om als organisme te worden erkend zou sommige parasitaire en andere symbiotische organismen echter uitsluiten, die toch algemeen als levend worden beschouwd. Parasieten en symbionten worden dan ook beschouwd als (levende) uitzonderingen op de gestelde regel.

Onvruchtbare organismen als het muildier kunnen zich niet voortplanten, en voldoen om een andere reden dus ook niet geheel aan de definitie zoals die in de inleiding is geformuleerd. Vaak wordt het in de definitie gestelde criterium van voortplanting aangescherpt, waarbij voortplanting slechts via celdeling of door binaire deling kan geschieden. Virussen vermenigvuldigen zich via zelfassemblage en vallen na deze aanscherping van de definitie van 'leven' andermaal buiten de boot. Er zijn echter uiterst kleine bacteriën die, net als virussen, voor hun reproductie afhankelijk zijn van een gastheercel. Ze zijn zo klein dat de gewoonlijk essentieel geachte zaken afwezig zijn. Van de andere kant is het grootst bekende virus, het Mimivirus, zelf in staat eiwitten aan te maken, hetgeen mogelijk wijst op een evolutionair verleden waarin virussen voor hun reproductie nog niet zo afhankelijk waren van andere organismen.

In de biologische taxonomie wordt soms als superdomein biota of vitae gebruikt om al het leven te omvatten. De term biota wordt in de ecologie weleens gebruikt om al het leven in een bepaalde regio of een bepaald tijdvak te omvatten. De biosfeer is het deel van de Aarde waar leven mogelijk is, dus waar de biota voorkomen.

Niet-cellulair leven wordt ook wel aangeduid met de term a-cytota. De tegengestelde term cytota verwijst naar cellulair leven.

Bij de bestudering van "artificieel leven", dat wil zeggen door de mens gemaakte analogieën van levende systemen, stelt men zich de vraag of deze analoge creaties als een vorm van leven beschouwd kunnen worden.

Alle bekende soorten organismen op aarde worden ingedeeld bij een van de drie domeinen: de eukaryoten (één- of meercelligen met een celkern), de ééncellige Bacteria (zonder celkern) en de ééncellige Archaea (zonder celkern). De Bacteria en de Archaea worden samen prokaryoten genoemd (ééncelligen zonder celkern). Uiteindelijk ontstaat de volgende indeling: Bacteria, Archaea, Eukaryota. Deze indeling is voornamelijk gebaseerd op genetische gronden. De drie domeinen worden ieder verder onderverdeeld in verschillende rijken, bijvoorbeeld de eukaryoten in, onder andere, het plantenrijk en het dierenrijk. Als uiteindelijke gemeenschappelijke voorouder van alle organismen in de drie domeinen heeft men de hypothetische LUCA voorgesteld.

Bacteriën (Bacteria, Eubacteria) zijn prokaryoten: het DNA ligt er vrij in het cytoplasma. Het zijn eenvoudige eencellige organismen zonder celkern, en ook andere organellen ontbreken. Het DNA van bacteriën bestaat meestal uit een enkel ringvormig chromosoom, vaak vergezeld van één of meerdere kleine plasmiden die aanvullende genetische informatie bevatten. Tot de bacteriën worden onder andere de blauwwieren gerekend. De bacteriën vormen een uiterst soortenrijke groep, en komen vrijwel overal op de wereld voor.

De bacteriën vormen de zustergroep van alle overige levende organismen.

Ook de Archaea of oerbacteriën zijn prokaryoot, evenals de bacteriën. Archaea onderscheiden zich van de bacteriën doordat ze zich in extreme milieus kunnen handhaven: van uiterst zure en vulkanische, tot de permanent bevroren permafrost. Vanwege deze gehardheid werden de Archaea als de eerste organismen op aarde beschouwd.

De Archaea zijn de zustergroep van de Eukaryota, dat wil zeggen dat ze meer verwant zijn met er Eukaryota dan met de Bacteria.

Anders dan prokaryoten, hebben eukaryotische organismen (Eukaryota) cellen met een volledige celbouw, dat wil zeggen cellen met een celkern waarin het DNA is verpakt. Eukaryoten hebben, naast een celkern, meestal andere organellen als het golgicomplex, het endoplasmatisch reticulum, mitochondriën en plastiden.

Dieren (zoogdieren, insecten, kwallen), schimmels, algen en planten zijn eukaryoot. In de meest recente taxonomische indeling bestaan de eukaryoten uit 4 (of 5 als de Rhizariae niet als rijk binnen de Chromalveolata maar als supergroep worden beschouwd) supergroepen die op hun beurt gezamenlijk 11 stammen omvatten.

Volgens de meeste definities zijn virussen niet levend. Virussen hebben geen eigen metabolisme en kunnen zichzelf ook niet voortplanten. Ze hebben daar een gastheercel voor nodig. Virussen bestaan uit een stukje genetisch materiaal (dit kan RNA óf DNA zijn), omgeven door een eiwitmantel. Dit virusdeeltje komt een gastheercel binnen, valt binnen de cel uiteen, waarbij het virale genetisch materiaal vrijkomt. De gastheercel gaat vervolgens aan de hand van dit genetisch materiaal nieuw virusmateriaal maken. Vervolgens valt de cel uiteen (lysis), waarbij de nieuwe virusdeeltjes vrijkomen en weer volgende cellen infecteren.

Het zogenoemde Mimivirus heeft eigen genetisch materiaal dat codeert voor stofwisselings-eiwitten. In eerste instantie dacht men dan ook dat dit zeer grote virus (groter dan sommige bacteriën!) een kleine bacterie was. Maar ook dit virus heeft geen ribosomen en geen metabolisme. Het heeft ook een gastheercel nodig om voortgeplant te worden. Of een virus als levend beschouwd wordt of niet hangt dus vooral van de gehanteerde definitie af. De grens tussen leven en levenloos (b)lijkt niet helemaal scherp.

Prionen zijn eiwitten die geen eigen erfelijk materiaal bevatten, ze kunnen worden voortgeplant, maar kunnen niet als levensvorm worden beschouwd.

De indeling van de vijf rijken is een van de oudere indelingen van het leven op Aarde. Deze bij veel mensen ingesleten indeling wordt nog wel gebruikt: de ontwikkelingen in de systematiek van het leven gaan zeer snel. Veel mensen kunnen bijvoorbeeld wel een verschil opnoemen tussen dieren en bacteriën, terwijl de termen Archaea en Eukarya onbekend zijn. Ook is de indeling van de vijf rijken eenvoudig zichtbaar: zo is er met het blote oog duidelijk een verschil te zien tussen planten en dieren. Dit gaat echter niet op voor de 'protisten', een restgroep waarvan sommige bij de schimmels, andere bij de dieren, weer andere bij de planten werden ondergebracht, en nog meer soorten in nieuwe eigen groepen.

Salmonellabacteriën

Er worden tegenwoordig twee prokaryote domeinen onderscheiden, te weten de Bacteria en de Archaea, die in het verleden samen het rijk van de bacteriën vormden. Het gaat om de meest eenvoudig gebouwde levensvormen.

De basiskenmerken van een bacterie zijn als volgt:

• Bacteriën zijn gewoonlijk eencellige organismen.
• Bacteriën hebben een celwand.
• Bacteriën hebben geen kern noch kernmembraan, waardoor de chromosomen los in het cytoplasma voorkomen.
• Bacteriën hebben meestal ringvormige chromosomen.
• Bacteriën hebben geen duidelijke organellen; ze hebben dus geen plastiden en geen mitochondria.
• Blauwalgen, een stam binnen het domein van de Bacteria, hebben bladgroen in het cytoplasma, waardoor ze in staat zijn tot fotosynthese. Blauwalgen kunnen meercellige kolonies vormen.
• Voortplanting gewoonlijk door binaire deling of knopvorming.

Ook zijn er bacteriën die zuurstof gebruiken voor assimilatie. Volgens de endosymbiosetheorie zijn deze bacteriën samen met de cyanobacteriën in een gewone bacterie opgenomen waardoor de eerste plantencellen zich vormden.

Een porseleinzwam

De schimmels (Fungi) vormen een rijk in de supergroep van de Unikonta, naast de Dieren (Animalia) en de Amoebozoa. Schimmels zijn organismen die veelal eencellig zijn, maar meestal in lange schimmeldraden voorkomen. Paddenstoelen zijn de meercellige vruchtlichamen van bepaalde schimmels. Algemene kenmerken van schimmels zijn:

• Een celwand
• Een celkern
• Een vacuole
• Veel organellen, maar géén plastiden, zoals bladgroenkorrels. Schimmels doen niet aan fotosynthese.

Een Nederlandse koe

De dieren (Animalia) vormen een rijk in de supergroep van de Unikonta, naast de schimmels (Fungi) en de Amoebozoa. De mens behoort tot het rijk der dieren. Dieren zijn heterotroof: ze kunnen hun voedingsstoffen niet zelf maken en moeten dus ander organisch materiaal opnemen (eten). De algemene kenmerken van dieren zijn:

• géén celwand
• een duidelijke celkern (net als de schimmels, planten en protisten)
• lysosomen (maar geen grote centrale vacuole)
• veel andere organellen (maar géén bladgroenkorrels of andere plastiden. Elysia chlorotica (een groene zeeslak) en nauwe verwanten zijn voor zover bekend het enige dieren dat aan fotosynthese doen.)

Een tuin met enkele plantensoorten

De inhoud van de groep planten is in de loop van de tijd sterk veranderd. Het rijk van de Plantae wordt tegenwoordig niet meer erkend. De Archaeplastida of Primoplantae (planten in wijdere zin, dus inclusief groenwieren en kranswieren) vormen een supergroep. Dit kan men als de ruimste omgrenzing van de planten opvatten, maar ook wel zonder de verschillende groepen algen. De Archaeplastida kunnen eencellig en meercellig zijn. Vrijwel alle planten maken hun eigen voedingsstoffen aan, door middel van fotosynthese en andere assimilatie-technieken. De algemene kenmerken van planten zijn:

• Een celwand met als bouwstof cellulose.
• Een duidelijke celkern.
• Meestal een grote vacuole in het midden van de cel.
• Bladgroenkorrels; hierin vindt de fotosynthese plaats.
• Veel andere organellen.

Het voormalige rijk van de Protista was een verzameling van eukaryote soorten die niet goed pasten bij de vorige drie rijken. Deze eukaryoten hebben gemeenschappelijk dat ze eencellig zijn, maar verder is het een zeer heterogene groep. Tegenwoordig worden de protisten verdeeld over alle supergroepen.

• Eencellig.
• Een duidelijke celkern.
• Al of niet een celwand.
• Al of niet een of meer vacuolen.
• Al of niet bladgroenkorrels.
• Vaak veel andere organellen.

De evolutietheorie leidt tot de hypothese dat alle levende en uitgestorven organismen een gemeenschappelijke voorouder moeten hebben. De LUCA (Last Universal Common Ancestor) is het hypothetische organisme dat de meest recente voorouder is van alle hedendaagse organismen. Hoewel virussen evolutie vertonen en verwant zijn met levende organismen worden ze niet als leven beschouwd maar wel verwant. In dit licht is LUCA de afkorting voor Last Universal Cellular Ancestor. De universele stamboom van het leven is waarschijnlijk niet universeel zonder de virussen.[2]

Hoewel het moeilijk vast te stellen is hoe oud het leven op Aarde precies is, gaat de wetenschap ervan uit dat het leven ongeveer 3,7 miljard jaar geleden is ontstaan. In de hypothese van de abiogenese wordt verondersteld dat het leven op Aarde ontstaan is uit levenloos materiaal. Dit moet men niet verwarren met de spontane generatie-hypothese. De abiogenese zou miljoenen jaren geduurd hebben. Hierin zouden organische stoffen zich in de oersoep over verloop van vele miljoenen jaren hebben ontwikkeld tot primitieve cellen. Biomoleculen als DNA en RNA spelen een belangrijke rol in de abiogenese.

Een aantal waarnemingen ondersteunt de abiogenese-hypothese, waaronder:

1. Fosfolipiden vormen spontaan fosfolipide-dubbellagen, de basisstructuur van een celmembraan.
2. Willekeurige RNA-moleculen kunnen onder bepaalde condities ribozymen produceren, die een enzymatische functie hebben.

Het grootste probleem binnen de hypothese van de abiogenese is dat DNA niet spontaan kan worden gevormd. De synthese van DNA is een complex biologisch proces, dat nooit zonder de hulp van vele eiwitten zou kunnen verlopen. Er wordt daarom verondersteld dat DNA geëvolueerd is uit RNA.

De hypothese van panspermie gaat ervan uit dat het leven niet op Aarde ontstaan is, maar meegebracht is door meteorieten of kometen uit de ruimte. Hypothetisch is het mogelijk dat bijvoorbeeld Mars of de maan Europa en de Aarde elkaar in het verleden besmet zouden hebben met leven; dat zou, indien aangetoond, de panspermie-theorie ondersteunen. Bacteriën en met name archaea (zie verder) zijn overlevers bij uitstek. Veel bacteriën zijn taai genoeg om een reis door de ruimte voor vele jaren (in een soort winterslaap) te overleven, en inmiddels zijn er meerdere aardse organismen bekend die in de omstandigheden op Mars zouden kunnen overleven. Maar dan blijft het vooralsnog de vraag waar, wanneer en hoe het leven uit de ruimte ontstaan is.

Volgens scheppingsverhalen is het leven ontworpen en gemaakt (geschapen) door een hogere macht. In de abrahamistische traditie (jodendom, christendom en islam) wordt God gezien als schepper van het heelal en het leven. De schepping zou in zes al dan niet symbolische dagen zijn afgerond. De mens werd gemaakt naar Gods beeld en als heerser over de Schepping.

In de oosterse traditie (hindoeïsme, boeddhisme, taoïsme, enz.) wordt leven als eeuwig beschouwd: elk levend wezen is een eeuwig deeltje van het goddelijke. Leven is volgens de oosterse religies niet geschapen, maar is eeuwig onderdeel van de absolute werkelijkheid.

Charles Darwin verklaarde de evolutie van het leven door natuurlijke selectie, waarbij het ingrijpen van een god of andere metafysische verschijnselen geen rol spelen. Metafysische verklaringen, zoals een schepping, hebben na Darwins werk halverwege de 19e eeuw geen plaats meer in de biologische wetenschap en het natuurwetenschappelijk onderwijs. Met name binnen christelijke en islamitische kringen worstelt men sindsdien met de vraag hoe de biologische wetenschap kan worden verenigd met de traditie. De meeste christelijke denominaties sluiten evolutie niet uit. Er zijn ook religieuze groepen die de evolutiebiologie geheel afwijzen. Een scheppingsverhaal in de plaats stellen van wetenschappelijke verklaringen wordt wel creationisme genoemd. Het combineren van religieuze opvattingen en wetenschappelijke verklaringen over het ontstaan en de ontwikkeling van leven wordt theïstisch evolutionisme genoemd.