måndag, juli 16, 2007

Vad är en bra definition på "liv"?

Harald Cederlund och Z har under den senaste veckan diskuterat hur man bör definiera liv. Intressant nog är Carl Zimmer inne på exakt samma fråga med en artikel i augustinumret av Seed.

Definitioner av liv har säkert funnits i alla tider. Den teoretiska bakgrunden till just den här diskussionen börjar dock egentligen med fysikern Erwin Schrödinger och hans bok "What is life?" som publicerades 1944. Den var avsedd för allmänheten, och byggde på en serie föreläsningar med samma namn som gavs under 1943 vid Trinity College i Dublin.

Negativ entropi kontra fri energi
Schrödingers resonemang rör sig kring att liv har förmågan att använda energi för att skapa ordning (i sig själv) från oordning - att konsumera "negativ entropi" (alternativt exportera entropi till omgivningen) för att hålla sig vid liv.

Med tanke på att redan "entropi" i sig verkar vara ett begrepp som lätt missuppfattas, var idén att skapa termen "negativ entropi" kanske inte alldeles lysande. Den verkar också ha lett till en del förvirring. Problemet är att den "vetenskapligt riktiga" termen som Schrödinger ville använda - fri energi, eller mer exakt Gibbs fria energi - inte heller är särskilt begriplig för den som saknar kunskaper i termodynamik. Om valet av termen negativ entropi säger han i en not till boken (från wikipedia, min något hastiga översättning):



"Låt mig först säga, att om jag hade vänt mig enbart till dem [fysikerna], skulle jag istället ha diskuterat fri energi. Det är en mer bekant term i sammanhanget. Men denna mycket tekniska term verkade språkligt ligga för nära energi för att en godtycklig läsare skulle kunna känna skillnaden mellan dem."


Själv föredrar jag fri energi, bland annat eftersom den gör det enkelt att skilja mellan spontana och icke-spontana reaktioner. En reaktion som sänker den fria energin kommer att ske spontant, medan en reaktion som höjer den fria energin bara kommer ske om energi tillförs. Alternativ kan man säga att spontana reaktioner frigör energi, och ickespontana reaktioner kräver energi för att ske. Det ger tumregeln: "alla system strävar mot att minimera den fria energin" som man också kan tänka sig betyder ungefär "ordning kräver energi för att bevaras".

Länken emellan dem? För ett slutet system vid konstant temperatur och tryck (det enklaste fallet) är den fria energin samma sak som negativ entropi multiplicerat med temperatur.

Problemet med ordning som definition på liv
Att använda "ordning", eller "system som går mot högre ordning" eller något liknande som definition på liv stöter dock på problem. Det finns gott om ordnade system som inte egentligen anses levande; kristaller till exempel. Vid vissa förhållanden skapas kristaller spontant ur lösningar, men vi skulle knappast för den skull kalla dem levande.

Problemet med energikonsumtion som definition på liv
Inte heller energikonsumtion är ett entydigt tecken på liv. Ett klassiskt motexempel är elden, som konsumerar energi för att hålla sig igång. Däremot är energikonsumtion och den tillhörande produktionen av skräpprodukter (inklusive värme) en ganska användbar definition för vissa syften - man kan ju leta efter skräpprodukterna. Att leta efter liv med värmekamera är en vanlig metod, och Vikinglandaren sökte till exempel efter livsformer på Mars genom att injicera radioaktivt märkt näringsämnen i jorden. Resultatet blev en produktion av koldioxid, som innehöll radioaktiva atomer (dvs, atomer som bevisligen kom från näringsämnena). Det visade sig dock att jorden på Mars (iallafall just där) hade en speciell sammansättning som tillät "metabolism-liknande" reaktioner - den vanliga tolkningen är att Viking-experimentet inte är tecken på liv. Och den som hävdar att allt som syns i en värmekamera är levande har uppenbarligen fel i många fall.

NASAs arbetsdefinition: liv genomgår darwiniansk evolution
Enligt Carl Zimmers artikel i Seed är NASAs arbetsdefinition av liv ett självuppehållande kemiskt system som har förmågan till darwiniansk evolution - en definition som togs fram på 1990-talet. Gerald Joyce, en forskare som Zimmer intervjuar i artikeln, är noga med att påpeka att ingen på NASA hävdar att det här är den ultimata definitionen av liv.

Skulle tro det. NASA-definitionen har ungefär samma problem som en definition som bygger på att liv förökar sig: det krävs strängt räknat fler än en varelse av samma sort för att uppfylla den (om man nu inte tillhör det mindre antal arter som förökar sig genom jungfrufödsel). Till och med flera generationer, eftersom evolution typiskt sker över mer än en generation. Även om man utökar föröknings-definitionen till "förmåga att föröka sig" missar man många sterila organismer. Ingen skulle väl hävda att en människa som blivit steril plötsligt inte är levande?

Ingen av de båda besläktade definitionerna talar om hur vi ska bedöma en enstaka varelse som vi stöter på. De klarar bara av grupper av organismer.

Filosofen: "Lönlöst att leta efter en definition"
Ett namn som dyker upp ofta i de här sammanhangen är Carol Cleland. Hon är filosof och tillhör National Astrobiology Institute. Hennes tes (se framför allt hennes artikel "Defining 'Life'") är att det är mer än problematiskt att leta efter en definition på liv - antingen är det omöjligt att komma fram till något, eller så kommer vi bara kunna finna en så trivial definition att den är meningslös. Istället vill hon se en utveckling av ett helt teoriområde - en livsteori, precis som evolutionsteori. För att veta vad som verkligen definierar liv bör vi söka (och hitta) liv på andra planeter - först då kan vi se vad som verkligen är nödvändigt för liv, hävdar hon.

Problemet med den inställningen, som jag ser det, är att den missar något essentiellt: definitioner är verktyg. Att säga att vi ska hitta liv på andra planeter innan vi kan definiera vad liv är blir bara ett rent cirkelresonemang - utan en definition på "liv" kan vi knappast säga att det är liv vi har hittat på de där andra planeterna (och försök bara få igenom den.ansökan för pengar till projektet: -"Vi ska ut i rymden och leta efter...eh, saker". -"Vad då för 'saker'?" -"Det vet vi när vi hittat dem")

Nej, jag ser det snarare så här: definitioner är verktyg, och verktyg ska vara användbara. Olika tecken på liv går att använda i olika sammanhang; "konsumerar syre", "förbränner socker", "har celler", "har DNA", och "rör sig självmant" har alla sina givna giltighetsområden. Vill du hitta djuphavsliv lär andra tecken gälla än om du letar på jordytan.

Den användbara frågan är inte "vad är liv?" utan snarare "vilken typ av liv kan jag tänkas hitta på plats X?" (följt av "och hur kan den typen av liv tänkas påverka sin omkringliggande miljö, som jag kan mäta i?"). Liv och icke-liv befinner sig på samma kontinuerliga skala. Vad är det som säger att det alltid är lämpligt att dra skiljelinjen på exakt samma ställe?

Länkar
Tillhörande diskussion i kronologisk ordning (glöm inte läsa kommentarerna):

1) Harald och "Z"

2) "Z"

3) Harald

4) "Z"


(Tack till Aleph Minotauren som gjorde den kronologiska listan )

"What is life" lär finnas som word-dokument här.

Carl Zimmers blogg ("The Loom")

Seed Magazine

Andra bloggar om: vetenskap, forskning, termodynamik, filosofi, liv

6 kommentarer:

Z sa...

Fin blogg, layoutfärger och innehåll

"Liv och icke-liv befinner sig på samma kontinuerliga skala. Vad är det som säger att det alltid är lämpligt att dra skiljelinjen på exakt samma ställe?"

Vet ej, men man kan ju fråga sig varför det inte går att uppväcka ett dött djur. Vad är det som har hänt när någonting dör? Vad blir skillnaden och hur beskrivs den nya situationen?
Kontinuerligt?: Mindre och mindre negentropi tog upp ända tills.....
ja, vad?

Vad är det som plötsligt blev irreversibelt?

Ingemar sa...

Intressant. Kanske skriver jag något. Jag har dock en bloggpaus nu så antagligen länkar jag dej först i höst.

/get a tan

Harald Cederlund sa...

Har en invändning angående det där med förökning: man måste ju faktiskt inte vara två - det krävs bara för sexuell förökning (som ju är den mindre vanliga formen av förökning - de flesta organismer förökar sig asexuellt genom celldelning).

När det gäller flercelliga organismer så kan man ju diskutera vilken entitet det egentligen är som lever - hela organismen eller de enskilda cellerna? Cellerna kan ju fortsätta att föröka sig trots att organismen som helhet är steril.

Hmm... jag kommer på flera trådar att nysta vidare i - får nog återkomma med ytterligare en post tror jag :)

Malin Sandström sa...

Z: det där är ju en väldigt glidande skala det med, så jag vet inte om man kan tala om "plötsligt". Djuret människan går ju att återuppliva efter hjärtdöd, så länge hjärnan och övriga vävnader inte är för skadade av syrebristen. Det som i det fallet är "irreversibelt" är tillräckligt stora mängder av enskilda döda celler, eftersom kroppen inte kan ersätta dem - iallafall inte tillräckligt snabbt.

(Och för människor har vi ju "hjärndöd" som definition på död - vilket innebär att man kan ha vissa riktigt basala förmågor kvar och ändå anses död)

För enskilda celler vet jag inte vad den bästa definitionen på död är - att transkriptionen slutar? Att energiomsättningen i mitokondrierna slutar? Att cellmembranet punkteras?

Harald: Nej, för celldelning krävs det ju inte två. Men för de sexuellt förökande arterna gör det ju det - ska vi då definiera en enskild individ från en sådan art som levande eller inte, om vi använder en sådan definition som bygger på förökning eller evolution?

För flercelliga organismer är det som sagt krångligt. Om inte annat för att vissa celler nog är viktigare än andra för överlevnad. Jag är böjd åt att igen säga: det beror på vad man ska ha sin definition till.

(Men om man ska knyta det till intag av energi/negentropi: det finns ju vissa delar av organismen som förser resten av den med föda/energi. Slutar de delarna att fungera kommer ju resten av organismen att dö - oftast rätt snart. Vad ska man säga om en organism som inte längre äter?)

Kontentan: För intelligent liv är det inte säkert att samma definition på "levande" bör användas som för icke-intelligent liv. Och kanske bör man även ha olika definitioner för sexuellt respektive asexuellt förökande organismer.

Ingemar: ser fram emot din återkomst! Jag ska följa uppmaningen :)

Johan (cosmic swede) sa...

Intressant fråga det här men undrar bara vad som syftas på med "sterila organismer"? Är det en hel art som kan vara steril? Det verkar ju inte så levande...?

Om en eller flera individer är steril(a) så håller ju fortfarande definitionen, eftersom "potentialen" kan sägas finnas där, även om den för tillfället/för en enstaka individ är "trasig".

"Ingen skulle väl hävda att en människa som blivit steril plötsligt inte är levande?"

Naturligtvis inte. Därav min poäng ovan.

Malin Sandström sa...

Johan: det där med sterilitet var naturligtvis tänkt att främst gälla enskilda individer. Det finns emellertid också hybrider (korsningar mellan två individer av olika art) som med mycket få undantag är sterila - ett välkänt exempel är väl mulor/mulåsnor. Om mulåsnor som grupp är sterila, ska man då kalla dem liv? Ja, självklart, enligt min mening - men som exempel visar det varför en definition baserad på reproduktionsförmåga och/eller evolution kan vara problematisk i vissa fall - till och med om man låter den omfatta grupper av individer.

"Om en eller flera individer är steril(a) så håller ju fortfarande definitionen, eftersom "potentialen" kan sägas finnas där, även om den för tillfället/för en enstaka individ är "trasig"."

Min poäng är, egentligen, att det inte är så smidigt med en definition som egentligen bara tillåter oss att klassificera arter (med flera individer), och inte enskilda individer eller grupper av hybrider.

Att kunna kolla "potentialen" kräver ju tillgång till flera individer, under hyfsat lång tid.

Tänk dig det hypotetiska scenariot att vi träffar på en enda individ av en ny, okänd art som är tillräckligt annorlunda för att vi inte ska kunna säga direkt om den reproducerar sig (och, i förlängningen, kan genomgå evolution).

Visst, det lär inte hända ofta. För många användningsområden lär en artbaserad definition kunna duga, och då är inte enskilda sterila individer ett problem.