Definiranje života važno je iz više razloga. Prije svega, za biologiju, medicinu i znanost uopće važno je znati s čime se suočavamo - s neživim kemikalijama koje imaju poneko, ali ne i sva ključna svojstva života, ili sa stvarnim oblikom života. Također, ako želimo pronaći izvanzemaljski život, njegove proizvode ili, pak, tragove njegova postojanja u prošlosti, moramo znati što zapravo tražimo.
Prema definiciji NASA-inih astrobiologa, "život je samoodrživ kemijski sustav sposoban za Darwinovu evoluciju".
Na temelju poznavanja zemaljskog života, koji jedino poznajemo, NASA navodi pet njegovih ključnih svojstava, kao što su: 1. kemijska priroda, 2. metabolizam povezan s vodom, 3. korištenje termodinamičke neravnoteže, odnosno izvora topline, kao što su Sunce i užarena Zemljina jezgra, 4. nasljeđivanje i 5. evolucija pod utjecajem prirodne selekcije zahvaljujući nasljednim biomolekulama.
Dakle, ako na nekom planetu tražimo život, prve stvari koje trebamo tražiti bit će voda, važna za metaboličke procese, organske molekule, koje su sastavni blokovi života, te minerali i plinovi, poput metana, koji je na Zemlji u velikoj mjeri povezan s metabolizmom živih organizama.
Entropija i nastanak života
No, život na drugim tijelima u svemiru ne mora nužno biti sličan zemaljskom. Primjerice, možda nije apsolutno nužno da fluid potreban za metabolizam mora biti voda. Ona je zbog svojih brojnih svojstava najprikladnija tekućina u zemaljskim uvjetima. No na površini mnogih tijela, poput Saturnova mjeseca Titana, toliko je hladno da je voda tvrđa od granita. To ipak ne znači nužno da je život na Titanu nemoguć. Naime, ondje bi tekući metan možda mogao preuzeti ulogu fluida neophodnog za život.
Poznati fizičar Erwin Schrödinger u svojoj znanstveno-popularnoj knjizi What is life stoga u priču o životu uvodi entropiju, koncept koji adresira kompleksnosti sustava. Čini se da ona u novije vrijeme postaje sve bitnija za definiciju života, osobito ako želimo pronaći život drugačiji od zemaljskog, kakav bi mogao postojati na hladnim tijelima. To je važno za razvoj odgovarajućih sondi, rovera i instrumenata koji bi ga trebali tražiti.
Kakve veze ima entropija sa životom? U skladu s drugim zakonom termodinamike svaki sustav od stanja visoke uređenosti s vremenom dolazi do stanja kaosa (odnosno maksimalne entropije), u kojem vlada termodinamička ravnoteža u kojoj je energija posvuda ravnomjerno raspoređena. Primjerice, temperatura šalice kave s vremenom će se izjednačiti s temperaturom sobe (soba će se malo zagrijati, a kava dosta ohladiti), tako da će razmjena energije u jednom trenutku stati. Više neće biti razlike u energiji, koja bi se mogla iskoristiti za neki rad.
Neki kreacionisti vole tu činjenicu isticati kao argument protiv nastanka života procesom Darwinove evolucije jer se laicima može činiti da se drugi zakon termodinamike protivi ideji o nastanku nečega tako složenog kao što je život. Kako bi nastalo nešto složeno u svemiru koji od uređenosti teži kaosu i energetskom mrtvilu? Međutim, fizičari znaju da to nije tako jednostavno. Naime, postoje brojni primjeri da se u prirodi stvaraju vrlo organizirane strukture poput kristala ili pahulja snijega. Zašto? Zato što takve složene strukture gledano "makroskopski" zapravo doprinose povećanju entropije iako je "mikroskopski", organiziranjem u složenija stanja organiziranosti, smanjuju. To posebno vrijedi za život, a iznad svega za njegovo ključno svojstvo - replikaciju, odnosno razmnožavanje.
Naime, živi organizmi, koji se temelje na ugljiku, puno su uspješniji u hvatanju energije iz okoliša i raspršivanju te energije unaokolo nego obične nasumične hrpice atoma ugljika. To posebno vrijedi za tzv. otvorene sustave u kojima postoji neki vanjski izvor energije. Primjerice, skupina atoma koju pokreće Sunce ili kemijsko gorivo, okružena nekom toplom kupkom poput barica mora ili vode u blizini podmorskih termalnih otvora, vrlo će se često postupno restrukturirati tako da apsorbira i raspršuje više energije i time pogoduje entropiji. U tom smislu mogli bismo reći da je život očekivana posljedica drugog zakona termodinamike, odnosno entropije.
Stoga bi u potrazi za životom u svemiru svakako trebalo uzimati u obzir entropiju.
Što život ima i što radi?
Udžbenici iz biologije uglavnom nastoje opisati svojstva koja govore što život ima ili što život čini. Kada je riječ o tome što život ima, jedna od ključnih značajki je stanica, odjeljak, odnosno zatvoreni prostor u kojem se zbivaju biokemijski procesi. Stanice se često navode kao ključno svojstvo života, zbog utjecajne teorije stanica razvijene 1837. - 1838., koja kaže da su sva živa bića sastavljena od stanica te da je ona osnovna jedinica života. Od jednostaničnih bakterija do bilijuna stanica koje čine ljudsko tijelo, čini se kao da sav život ima odjeljke - stanice.
Kada se govori o značajkama života, također se ističe i ono što život radi. To su: rast, razmnožavanje, sposobnost prilagodbe i metabolizam, odnosno kemijske reakcije čija energija pokreće biološke aktivnosti.
No, problem predstavlja to što za brojne definicije života postoje i neki izuzeci od pravila. Primjerice, prioni su proteini koji se mogu replicirati i uzrokovati bolesti, poput kravljeg ludila, no ipak se ne mogu smatrati oblikom života jer im manjkaju brojna ključna svojstva živih organizama. S druge strane neke životinje, poput mula, ne mogu se razmnožavati jer su sterilne, a ipak je nedvojbeno da su živa bića.
Jesu li virusi živi, neživi ili nešto rubno?
Jedan od najpoznatijih primjera problema s definiranjem života svakako su virusi. Oni imaju neka svojstva života, ali nemaju sva. Primjerice, mogu se reproducirati, za što imaju potrebne gene, koji su DNA ili RNA molekule, te također mogu evoluirati. Međutim, oni to ne mogu činiti samostalno, već su im za to potrebni stanični sastojci, mehanizmi i energija domaćina. Oni također nemaju vlastiti metabolizam.
U takvom kontekstu zanimljivo je prisjetiti se kako je išao razvoj naših spoznaja o virusima. Budući da su uglavnom mnogo manji od bakterija, bilo ih je teško vidjeti pod prvim mikroskopima, koji su imali slaba povećanja. Stoga su se dugo smatrali otrovima, što se odražava u njihovu nazivu, koji dolazi od latinske riječi za otrov, odnosno otrovnu tekućinu.
Prva podrobnija istraživanja virusa krenula su krajem 19. stoljeća. Prvi virus koji je otkriven bio je virus mozaične bolesti duhana. Za njega se znalo da uzrokuje bolest biljaka, a da nije bakterija. Nakon što su Wendell M. Stanley i njegovi kolege 1935. godine na Sveučilištu Rockefeller u New Yorku prvi put uspjeli kristalizirati virus mozaika duhana i vidjeli da je on štapićasta nakupina složenih biomolekula, virusi su se počeli doživljavati kao paketići inertnih kemikalija. Već tada bilo je očito da im nedostaju bitni sustavi neophodni za metaboličke funkcije, odnosno za biokemijske aktivnosti života. Stanley je za to otkriće dobio Nobelovu nagradu 1946.
Daljnja istraživanja pokazala su da se virusi sastoje od nukleinskih kiselina (DNA ili RNA) zatvorenih u proteinske omotače, koji također mogu sadržavati virusne proteine, koji sudjeluju u infekciji. Primjerice, omotač virusa SARS-CoV-2 sadrži proteinske šiljke (S) kojima se veže za stanice, da bi potom ušao u njih. No, prema tim spoznajama, virus je i dalje više nalikovao na kutiju za alat, punu složenih, neaktivnih oruđa, nego na živi organizam.
S druge strane, pokazalo se pak da virusi, kada uđu u stanice domaćina, postaju vrlo aktivni. Odbacuju svoje omotače, ogoljuju gene i potiču mehanizme stanice (poput jezgre i ribosoma) da reproduciraju virusnu DNA ili RNA te da proizvode razne virusne proteine na temelju uputa sadržanih u virusnim genima tj. njihovim nukleinskim kiselinama. Novostvoreni dijelovi virusa se potom okupljaju i sastavljaju u mnoštvo novih virusa, koji mogu izaći iz stanica da bi zarazili druge stanice i ponovno se replicirali (grafike sastava virusa dolje).
Dakle, moglo bi se reći da virusi parazitiraju na svim biomolekularnim aspektima života. Oni ovise o stanici domaćinu kada je riječ o sirovinama i energiji potrebnoj za sintezu virusnih gena i njihovih proteina, za obradu i transport te za sve ostale biokemijske aktivnosti koje virusu omogućuju da se umnoži i proširi. U tom smislu moglo bi se zaključiti da su virusi, iako u stanicama preuzimaju upravljanje svim navedenim procesima, u biti neživi paraziti živih sustava. Odnosno, kako su to neki virolozi poetski sročili, "virusi vode neku vrstu posuđenog života". Ili, jednostavno, "čekaju život".
Virusi mogu biti neovijeni (slika A gore) ili ovijeni (slika B dolje).
Slika A - Virusnu česticu (5) čini nukleokapsida (4), koja se sastoji od (1) kapside, odnosno proteinske ljuske koja obavija i štiti genetski materijal virusa od djelovanja enzima stanice domaćina. Kapsida je građena od podjedinica, tzv. kapsomera (3), i nositelj je virusnih antigena po kojima obrambeni mehanizam prepoznaje viruse i reagira na njih napadom. U kapsidi se nalazi genski materijal virusa, odnosno nukleinska kiselina koja sadrži upute potrebne za umnožavanje virusa. Kod nekih virusa to je DNK, a kod nekih RNK. U slučaju koronavirusa 2019 n-CoV, to je RNK.
Slika B - Neki virusi obavijeni su lipidskom ovojnicom (6) koja potječe od stanice u kojoj se umnožavaju. Iz nje strše glikoproteinski izdanci (7) kojima se virus prihvaća na stanicu primatelja. Takvi su, među ostalim, virusi gripe, HIV-a i koronavirusi.
Hipoteze o nastanku virusa
U ovom kontekstu također su zanimljive tri ključne pretpostavke o nastanku virusa.
Prema tzv. regresivnoj hipotezi, virusi su nekada mogli biti male stanice koje su parazitirale na većim stanicama. S vremenom su izgubili gene koji im nisu bili potrebni za takvo parazitiranje. Ovu hipotezu podržavaju bakterije poput klamidija, koje se, slično virusima, mogu razmnožavati samo unutar stanica domaćina. Njihova ovisnost o parazitizmu vjerojatno je uzrokovala gubitak gena važnih za preživljavanje izvan stanica.
Prema hipotezi o staničnom podrijetlu, neki su virusi možda evoluirali iz dijelova DNA ili RNA koji su "pobjegli" iz genskog koda većeg organizma. Odbjegli dijelovi DNA mogli su doći iz bakterijskih plazmida, komada DNA koji se mogu izravno razmjenjivati među bakterijama čak i ako pripadaju različitim vrstama (grafika dolje). Takvim prijenosom plazmida bakterije bez procesa razmnožavanja i nasljeđivanja razmjenjuju važna svojstva, poput rezistencije na antibiotike. Odbjegla DNA također bi mogla potjecati od tzv. transpozona, dijelova DNA koji se repliciraju i premještaju na različite položaje unutar gena stanice.
Prema hipotezi o zajedničkoj evoluciji, virusi su se možda razvili iz složenih molekula proteina i nukleinske kiseline u isto vrijeme kad su se stanice prvi put pojavile. Oni su potom milijardama godina koegzistirali sa stanicama tako da su bili ovisni o staničnom životu. U prilog toj hipotezi govori postojanje viroida, molekula RNA koje se ne smatraju virusima jer im nedostaje proteinski omotač. Često se nazivaju subvirusnim agensima, a važni su uzročnici bolesti kod biljaka. Oni ne kodiraju proteine, ali komuniciraju sa stanicom domaćina i koriste mašineriju domaćina za svoju replikaciju. Posebno je zanimljivo da postoje neki virusi, poput ljudskog virusa hepatitisa delta, koji ima RNA genom sličan viroidima. On ne može proizvesti vlastiti proteinski omotač, ali ga može posuditi od virusa hepatitisa B. Dakle, genom virusa hepatitisa delta može se jednom samostalno replicirati unutar stanice domaćina, no potrebna mu je pomoć virusa hepatitisa B kako bi dobio proteinski omotač neophodan za ulazak i infekciju drugih stanica.
Kada bismo mogli odgonetnuti tajnu nastanka virusa, bilo bi nam jasnije jesu li oni živi organizmi koji su parazitiranjem izgubili neka svojstva samostalnih organizama koje smatramo živima, ili su kemikalije koje su parazitiranjem usvojile neka svojstva života.
Važno je istaknuti da ni jedna od navedenih hipoteza nije u cijelosti potvrđena, a svakoj su pronađene slabosti. Štoviše, znanstvenici danas smatraju da je moguće da nemaju svi virusi zajedničko podrijetlo te da su različiti virusi mogli nastati na više različitih načina.
Nedovoljna razina složenosti
Jasno je da je razmeđa između živoga i neživoga stvar definiranja i postavljanja granice. Ipak, očigledno je da kamen nikako ne može ući pod definiciju živog organizma, dok jednostanične bakterije mogu. No između kamena i bakterije postoji još niz prijelaznih koraka u složenosti. Dakle, problem definicije života mogao bi se promatrati kao pitanje stupnja u razvoju kompleksnog sustava.
Za usporedbu, jedan neuron sam po sebi nije svjestan. Nije to čak ni mreža neurona, međutim cijeli mozak jest, osobito ljudski.
Slično pojedinačni blokovi života, poput aminokiselina, proteina, enzima, nukleinskih kiselina i dr., sami po sebi ne čine život. No na nekoj razini kompleksnosti i interakcija oni zajedno počinju funkcionirati kao živi organizmi.
U tom smislu moglo bi se reći da virusi imaju složenost koja ne doseže onu kritičnu, neophodnu razinu da bi ih se moglo smatrati živim organizmima. No, s druge strane, oni se ipak moraju smatrati nečim višim od nežive tvari jer u određenim okolnostima "ožive". Virusi su na rubu života i nežive tvari, kako vam se više sviđa promatrati ih.
