Sissejuhatus teadusesse

Muutused arusaamas ja mõistmises, maailmapildis ja usalduses uue vastu ei tule üleöö ega iseenesest. Kõik teadmised ja kogu info, ka see, mida käesolevast õpikust leiad, on saavutatud tuhandete teadlaste ja amatööruurijate aastakümnete ja -sadade jooksul tehtud teadustöö, vaatluste ja eksperimentide, katsetuste ja ka eksimuste tulemusel. Teaduslikud faktid ei ole pelgalt kellegi isiklik arusaam või maailmanägemus, samuti pole see kõhutunne või kuulujutt. Selleks et teaduses, sh bioloogias midagi kindlalt väita – näiteks seda, et kõik linnud lendavad –, tuleb seda väidet kontrollida, testida ja tõestada. Eelkõige on see tegevus õige ja eetiline. Kuid samuti on panused kõrged ja eksimisruumi vähe – teaduse kvaliteedist võivad sõltuda elud. Vanarahvas pole asjata öelnud, et üheksa korda mõõda ja üks kord lõika. Teadus on ennekõike püüdlus objektiivse ja universaalse tõe poole, püüdlus mõista maailma ja iseennast nõnda, nagu nad on, isegi siis, kui tõde läheb vastuollu meie ambitsioonide, arusaamade või eelistustega. Teadusel on fundamentaalne roll, tagamaks inimühiskonna elukvaliteet, areng ja jätkusuutlikkus. Teadus aitab meil pärandada Maa oma lastelastele samas või veel paremas seisukorras, kui see oli siis, kui selle oma esivanematelt laenuks saime.

Bioloogia on alusteadus, mis on tugevalt läbi põimunud matemaatika, keemia, füüsika ja psühholoogiaga. See tegeleb vahest kõige suurema müsteeriumiga: elu ja sellega seotud maailma kirjeldamise ja uurimisega. Miks me oleme oma bioloogiliste vanemate sarnased? Millest me oleme ehitatud? Kumb oli enne, kas kana või muna? Need on vaid üksikud näited küsimustest, millele bioloogia oskab vastata. Selleks et mõista, mida teadus teab ja õpetab, on oluline aru saada sellest, kuidas mingi teadmiseni jõutakse. Kõik meie bioloogiateadmised – sh ka iseenesest mõistetavad igapäevateadmised – on pikaajalise ühise järjepideva töö tulemus.

Elu tunnused

Elu on väga mitmekesine, alates pisikesest ainuraksest vetikast, mis toodab meile eluks vajalikku hapnikku, kuni sipelgaid õgiva liblika või ükssarvik narvalini välja. Elu on protsess, mis on pidevas muutuses: meie kauged esivanemad ei näinud välja sellised nagu meie ning liigid evolutsioneeruvad pidevalt. Elu on nõudlik – iga olend vajab ellujäämiseks kindlaid ressursse ja keskkonda. Elu on keeruline suhete võrgustik, mille iga liikme (elusorganismi) edukus sõltub teistest organismidest ja keskkonnast. Meie, inimesed, sina ja mina, vajame ellujäämiseks nii elus- kui ka eluta loodust. See pakub meile eluliselt olulisi hüvesid, nagu hapniku tootmine, vee filtreerimine ja toit. Selleks et loodusressurssidega optimaalselt ümber käia ja keskkonnaga harmooniliselt koos eksisteerida, on oluline seda mõista. Sama oluline, kui mitte olulisem on mõista ka iseennast kui elusolendit. Selle kõige uurimisega tegelebki bioloogia. (Sõna „bioloogia“ tuleneb vanakreeka sõnadest bios ja logia, mis tähendavad vastavalt ’elu’ ja ’arutlema’).

Enne kui uurime elu kogu selle keerukuses, on oluline mõista, kuidas eristub elusloodus elutust. Kuidas me teame, et kasepuu on elus, kuid sellest tehtud viht mitte? Bioloogid on selgelt piiritlenud elu tunnused, mis on ühised kõikidele teadaolevatele elusorganismidele.

Elu tunnused

1) Rakuline ehitus ja organiseeritus

Rakk on kõikide elusorganismide struktuuri põhiühik. Rakud on elu ehitusplokid. Kuigi väliselt võivad elusorganismid üksteisest oluliselt erineda – näiteks taimed loomadest –, siis nende rakud on väga sarnased. Rakkude hulga järgi jaotatakse elusorganismid ainurakseteks (bakterid, osa vetikaid, ainuraksed seened, protistid, arhed) ja hulkrakseteks (kõik looma- ja taimeliigid ning enamik seeneliike). Näiteks imetajad võivad koosneda triljonitest rakkudest. Võrreldes eluta looduse elementidega on isegi algelised ainuraksed oma ehituse ja funktsioonide poolest märkimisväärselt keerukad. Igas rakus moodustavad korrapäraselt paiknevad aatomid biomolekule. Need omakorda moodustavad kindla funktsiooniga rakuorganelle, mis on suutelised ehitusplokkidest ise biomolekule tootma. Rakuorganellid koosmõjus moodustavad raku. Hulkraksetest moodustavad sarnased rakud organiseerudes ehk liitudes spetsiifilisi kudesid, millest omakorda moodustuvad organid ehk kindla funktsiooniga kehastruktuurid ja organisüsteemid, mis kokku moodustavad organismi kui terviku. Elusloodus on oluliselt keerulisema struktuuri ja ehitusega kui eluta loodus (joonis 1).

2) Stabiilne sisekeskkond ehk homoöstaas

Kõik organismid on võimelised säilitama enam-vähem stabiilset sisekeskkonda. Homoöstaas ongi organismi võime reguleerida ja tagada eluks vajalik sisekeskkonna stabiilsus muutuvate keskkonnatingimuste juures. See suhteliselt kitsas tingimuste vahemik on vajalik rakkude jätkusuutlikuks toimimiseks muutliku väliskeskkonna tingimustes. Kui organismi elukeskkonna tingimused muutuvad, siis viib keha sisse vastavad kohandused enda ja rakkude stabiilse sisekeskkonna tagamiseks. Inimesed on püsisoojased ja hakkavad kuumas keskkonnas higistama. See aitab vältida ülekuumenemist. Külma korral aitab värisemine vältida külmumist. Täiskasvanud inimese keskmine kehatemperatuur püsib vahemikus 36,1–37,2 ˚C. Kui see ületab 41˚C, siis hakkavad keha valgud denatureerima ehk kaotama naturaalseid omadusi, mis on eluspüsimiseks hädavajalikud. Lihtsamate organismide sisekeskkond ei ole nõnda stabiilne. Näiteks putukad ning kõik muud lindude ja imetajate hulka mittekuuluvad loomad on kõigusoojased ega suuda oma kehatemperatuuri reguleerida: neil on teised kohastumused muutuvas keskkonnas ellujäämiseks. Homoöstaasi näited on ka vererõhk ja -suhkur, vee hulk kehas, keha immuunvastus bakteritele ja viirustele, rakkude keemiline koostis ja happesus.

3) Aine- ja energiavahetus ehk metabolism

Eranditult kõik elusolendid kasutavad energiat. Energiat on vaja stabiilse sisekeskkonna ehk homoöstaasi alalhoidmiseks, mis omakorda tagab läbi rakufunktsioonide organismi kasvu ja arengu. Selleks hangitakse väliskeskkonnast toitaineid ja muudetakse need energia arvel keerulisteks kehaomasteks ehk kehale vastuvõetavateks keemilisteks ühenditeks. Energiat saavad elusorganismid kahel viisil (joonis 2). Üks võimalus on saada energiat otse päikeselt – nii „toituvad“ näiteks erinevad taimed, vetikad ja tsüanobakterid (autotroofid). Teine võimalus on saada energiat teiste organismide sünteesitud orgaanilisest ainest (heterotroofia) – näiteks saab sel viisil energiat inimene, kes sööb kaeramüslit, või lõvi (Panthera leo), kes toitub sinignuu (Connochaetes taurinus) lihast. Ainevahetuse all mõistetakse kõiki organismis toimuvaid lagundamis- ja sünteesiprotsesse tervikuna.

4) Arenemine ja kasv

Igal organismil on võime kasvada. Sugulise paljunemise puhul algab see viljastumisest ja mittesugulise paljunemise puhul vanemorganismist eraldumisega. Kasv leiab aset siis, kui kehas toimuvate anaboolsete protsesside osakaal ületab kataboolsete oma. Kõik organismid kogevad reguleeritud kasvu. Nõnda muutuvad ainuraksed mõõdult suuremaks ja ehituselt keerukamaks. Näiteks mikroskoopiline rohevetikas (Chlorella vulgaris) võib sobivas keskkonnas enne tütarrakkudeks jagunemist kasvada kuni kaks korda suuremaks. Hulkraksed organismid kasvavad läbi rakujagunemise. Näiteks sinivaal (Balaenoptera musculus) võib kasvada üle 30 meetri pikkuseks. Punase hiidkänguru (Osphranter rufus) vastsündinud beebi kaalub alla grammi, kuid täiskasvanuna võib isasloomade kaal küündida kuni 90 kilogrammini (joonis 3). Enamikul organismidel kujunevad uued sise- ja välistunnused, samuti kohanevad (mitte ei kohastu, vt terminite tähendust 5. punktis) organismid oma elukeskkonnaga. Eeldused ehk potentsiaali elukeskkonnaga kohanemiseks pärivad organismid oma vanematelt geneetilise materjali ehk DNA kaudu. Areng võib olla otsene või moondega ning lõpeb alati surmaga. Areng sõltub organismi geneetikast, kuid ka elukeskkonnast. Näiteks imetajatest võib grööni vaal (Balaena mysticetus) elada rohkem kui 200-aastaseks, kuid Kagu-Aasias elav hiirlane Sundamys muelleri elab keskmiselt vaid pool aastat.

5) Kohastumused ja evolutsioon

Kohastumus on tunnus, mis iseloomustab kõikide elusorganismide populatsioone (mitte üksikorganisme). Kõik üksikisendid, kes moodustavad populatsiooni, kannavad veidi erinevaid geene, mis omakorda määravad nende tunnused. Mõnel indiviidil on näiteks pikem karv, mõni on tumedam või jookseb kiiremini kui teine jne. Kui organismide elukeskkond muutub, siis suudab osa populatsiooniliikmeid muutunud tingimustele edukamalt vastu seista ja anda rohkem järglasi kui teised, näiteks kliima jahenedes on eelis tihedama karvkattega loomadel. Selle tagajärjel ehk loodusliku valiku toimel muutub populatsiooni geenifond ja geneetiline struktuur. Püsima jäävad ja suurema osakaalu saavutavad pärilikud tunnused, mis on organismirühmale kasulikud ehk kohastumused konkreetse elukeskkonna suhtes. Näiteks muutus karvase mammuti (Mammuthus primigenius) karvkate jääaja käigus tihedamaks. Looduslik valik leiab aset vaid siis, kui keskkonnatingimused soosivad mingeid teatud pärilikke tunnuseid. Populatsioonide geneetiliste tunnuste sageduse ja omaduste muutumist ajas kutsutakse evolutsiooniks. Üksikorganismid ei kohastu, nemad kohanevad: elu jooksul toimuvad mittegeneetilised muutused, mis ei pärandu edasi, näiteks mõne oskuse omandamine või päevitumine.

6) Paljunemisvõime

Paljunemine on eluavaldus, mille eesmärk on organismi geneetilise materjali edasi pärandamine. Paljunetakse kas suguliselt isas- ja emassugurakkude abil või mittesuguliselt, näiteks pooldudes, eostega (joonis 4), pungudes või vegetatiivselt kehaosade kaudu. Paljunemine võib olla ka ühe raku jagunemine kaheks – nõnda paljunevad näiteks bakterid. Ka paljude hulkraksete rühmades (näiteks käsnad, kõrveraksed ja mitmed teised selgrootud) on suguta paljunemisel oluline roll: see tähendab, et viljastatud munarakust areneb uus organism. Sugurakkudega pärandavad mõlemad vanemad järglasele osa oma geneetilisest informatsioonist. Osa hulkrakseid paljuneb ka partenogeneetiliselt (neitsisigimine), mis tähendab, et ka emaste munetud viljastamata munadest arenevad elujõulised organismid – nõnda paljunevad näiteks keriloomade hulka kuuluvad usskerised (Bdelloidea).

7) Reageerimine ärritustele

Elusorganismid reageerivad stiimulitele või elukeskkonna muutustele. Taimedel ja lihtsamatel organismidel on selleks vastavad biomolekulid. Näiteks osal vetikail esineb nn silmalaik (grupp biomolekule), mis võimaldab neil tajuda valguse suunda ja sellele reageerida (fototaksis) (joonis 5). Enamikul loomadel on reageerimiseks meeleelundid, mis võtavad vastu ärritusi ja reageerivad närvisüsteemi vahendusel. Näiteks on külma korral värisemine reaktsioon välisele ärritajale.

Nende tunnuste põhjal on nii bakterid, loomad, taimed kui ka seened elusolendid. Paljudel elututel objektidel esineb samu tunnuseid, kuid selleks, et miski oleks elus, peavad tal olema kõik elu tunnused. Näiteks viiruseid sel põhjusel elusorganismideks enamasti ei peeta.

PANE END PROOVILE!

Sõnaselgitusi

• histoloogia ehk koeõpetus (kr histos ’kude’) – uurib hulkraksete organismide rakkude ja kudede ehitust ja talitlust
• ökoloogia (kr oikos ’maja’) – uurib organismide ja keskkonna vahelisi suhteid
• indikaatorliik – bioloogiline liik, mis on tundlik keskkonnategurite muutuste suhtes
• ainuraksed – organismid, mis koosnevad ühest rakust: bakterid, arhed, protistid, osa vetikaid, pärmseened
• hulkraksed – organismid, mis koosnevad kahest või enamast rakust: loomad, taimed, osa vetikaid, enamik seeni
• homoöstaas – olukord, kus süsteemi hoitakse muutuvate välistingimuste keskkonnas enam-vähem püsiseisundis (stabiilsena); organismi võime tagada oma sisekeskkonna stabiilsus
• püsisoojasus – organismi kehatemperatuuri suhteline sõltumatus keskkonnatemperatuurist
• kõigusoojasus – organismi kehatemperatuuri suhteline sõltuvus keskkonnatemperatuurist
• metabolism ehk aine- ja energiavahetus – organismis aset leidvad sünteesi- ja lagundamisprotsessid
• katabolism ehk dissimilatsioon – keemilised lagundamisprotsessid, mille tagajärjel keerulisemad ained lõhustatakse (lagundatakse) lihtsamateks ühenditeks; energia vabaneb
• anabolism ehk assimilatsioon – keemilised sünteesiprotsessid, mille tagajärjel lihtsamatest ühenditest moodustatakse (sünteesitakse) keerulisemaid aineid; energia seotakse
• otsene (moondeta) areng – organism sünnib või koorub vanemorganismiga sarnasena
• moondega areng – järglane erineb ehituselt, tihti ka elupaigakasutuselt ja käitumiselt suurel määral vanemorganismist