Lesson 10 – What is life? An introduction into the necessities for life.

Lesson learning outcomes:

By the end of this lesson, you should be able to:

1.   Describe the properties that scientists use to classify life.

2.   Understand that life arose quickly on Earth.

3.   Explain the early conditions on Earth and how life might have arisen.

4.   Describe what extremophiles are and some common types of extremophiles and their preferred environments.

10. 1 When life arose on Earth

The possibility and search for life outside the Earth is exciting. Before we move too far into that topic, we need to think about what we are looking for. Understanding how life started on Earth is going to help us work out what to look for when we search other places for life that could look like the kinds that we recognise. With this, we start heading into the area of astrobiology.

First, let’s think about the question of what life is. How do we define life? Most living organisms on Earth share the following six properties, but there are most certainly exceptions to the rule!

1.   Orderly patterns that form cell structures.

2.   Capable of reproducing (a clear exception to this rule is the mule, which is an offspring of a male donkey and a female horse).

3.   Grow and develop in patterns that may be partly determined by heredity.

4.   Capable of responding to the environment and changes in surroundings.

5.   Use energy.

6.   Organisms pass on traits via natural selection.

It’s important to note that we can find evidence to support our theories about how life rose on Earth, but we cannot draw definitive conclusions. We learn a lot about the history of life on Earth thanks to the discovery and analysis of fossils. The oldest fossils ever discovered are 3.5 billion years old, and were found in Shark Bay in Western Australia. The fossils are of cyanobacteria, which are single-celled organisms that naturally live in water.

An example of one of the microfossils discovered in a sample of rock recovered from the Apex Chert.Courtesy of J.

William Schopf.

You might be wondering how these fossils are dated. This goes back to earlier in the course when we spoke about how rocks are dated. The first clue we can look at is how deep the fossil is in the rock (the deeper, the older). We can also use radiometric dating to get a better idea of the ages.

Below, we can see a timeline of what we know about the history of life on Earth.

Figure 24.4 from The Cosmic Perspective. Major intervals of the geological time scale. Notice that the lower timeline is

an expanded view of the last portion of the upper timeline.

There are a few things to note about the timeline. You do not need to remember it in detail, but there are a couple of events of interest. Firstly, it’s interesting to see how much we know about the most recent times compared to before the Cambrian explosion. This is for a few reasons: 1) old fossils are difficult to find in tact given that they’ve usually undergone other transformative processes, 2) they are typically of microorganisms, which are more difficult to find. Second thing of interest is roughly how old the oldest known fossils are compared to the estimated age of Earth. The oldest fossils are about 3.5 billion years old, but the Earth is only around 4.5 billion years old. Third, the time at which the earliest evidence of oxygen in the atmosphere arose. Fourth, the Cambrian explosion. This is where animal diversity “exploded” or, rather, increased significantly. The K-T event is the geological term for the impact that is linked to the mass extinction of the dinosaurs .

The thing to take away from this timeline is that life arose on Earth quite quickly!

10.2 How life arose on Earth

What we can guess from our analysis of life that organisms need energy to survive. That must mean that they get their energy from somewhere in their environment.

You may have heard that we think life began in the oceans, and there are many legitimate reasons for this. In the oceans, life would have been protected from UV radiation (prior to the presence of an ozone layer) and impacts on the surface. Additionally, there are thermal vents under the ocean where mineral-rich hot water is expelled. The hot water could have provided energy for vital processes as well as minerals needed for life.

White flocculent mats in and around the extremely gassy, high-temperature (>100°C, 212°F) white smokers at

Champagne Vent. Image from Wikipedia.

It is not crazy to imagine that life could have started in such extreme environments. In fact, we will talk more about life that exists and thrives in extreme environments.

The Miller-Urey experiment

The Miller-Urey experiment tries to answer the question of how the first organisms came to be. These experiments tend to mix chemicals together (not random chemicals, but ones that were thought to be present in the early life of Earth) and stimulate them with electricity, replicating lightning or some other energy source. Stanley Miller and Harold Urey first did the experiment in the 1950s. Originally, their results were disputed because they used chemicals that were probably not present during the early Earth’s life.

Inspin-offsof the original Miller-Urey experiment, it was shown that sparking relevant chemicals eventually produced amino acids, which are the basis of life forms we see on Earth today.

The Miller-Urey experiment. Image credit: Wikipedia.

Life seeded from beyond Earth

The amino acids and organic compounds created in the Miller-Urey experiment have also been found in meteorites, so the question is raised: could life have migrated to Earth somehow?

It seems impossible to imagine, but simulations and calculations show that the terrestrial planets could have exchanged many tonnes of rock between them as bombardments created asteroids and meteors, so life, if already started on another world, could have been transferred between it and us. How would living organisms survive in space? We will talk about extremophiles in the next section, but it is useful to know that there are creatures that can survive the harshest of conditions. The most famous example is the tardigrade.

A tardigrade. Photograph:Eye of Science/Science Photo Library.

Tardigrades are often called water bears or moss piglets . They were discovered in 1773 by Johann August Ephraim Goeze, a German zoologist, who gave them the name “little water bear” . In 1776, Lazzaro Spallanzani, an Italian biologist, called them “tardigrada”, which means “slow stepper” .