neživý život

jednou z činností, které definují organismy, je to, že v určitém okamžiku svého života nebo v jeho průběhu rostou. Růst vyžaduje získání hmoty a jak získání hmoty, tak začlenění tohoto materiálu do živé formy (tj. Je zapotřebí hmota i energie, ale je důležité mít na paměti, že se jedná o dvě odlišné entity, které nejsou vzájemně konvertovatelné. Energetické transformace, které organismy provádějí, zahrnují manipulaci s hmotou, ale nezahrnují přeměnu hmoty na energii. Energie se získává přeskupením hmoty, většinou přeměnou sacharidů a kyslíku na oxid uhličitý a vodu. To, co komplikuje pochopení, je, že záležitost je potřebná dvěma způsoby (obr. 1): (1) materiálně, poskytování materiálů, které se stanou součástí většího organismu: organismy jsou vyrobeny ze sacharidů, (2) energeticky, protože energie může být k dispozici, když je hmota přeskupena, např., přeměna sacharidů a kyslíku na oxid uhličitý a vodu. I když se hmota přeskupuje, není přeměněna na energii.

hmota, energie a zákony termodynamiky

hmota a energie jsou klíčovými hráči v procesu života na všech úrovních: buňka, organismus a ekosystém. Hmota i energie jsou známé myšlenky, ale mylné představy jsou běžné, zejména o energii a souhře mezi hmotou a energií v biologických systémech. Hmota je přímočará: má hmotnost, zabírá prostor a může být rozdělena do prvků (např. uhlík, vodík, kyslík), které se často vyskytují ve specifických směsích nazývaných molekuly (např. oxid uhličitý, glukóza), které mají charakteristické složení prvků a jsou uspořádány specifickými způsoby. Živé věci jsou vyrobeny z hmoty a mají charakteristické složení materiálu, které jsou vyrobeny z biomolekul, jako jsou proteiny, uhlohydráty a nukleové kyseliny. Život může být částečně definován schopností živých věcí (organismů) získat hmotu a začlenit ji do sebe, tj. růst. Život lze také definovat na základě jeho schopnosti manipulovat s hmotou charakteristickými způsoby, které zahrnují přenosy energie.

zatímco hmota je jednoduchý koncept, energie je mnohem nepolapitelnější; zvažte následující:

1. energie má schopnost ovlivnit hmotu tím, že ji přeskupí nebo přesune z jednoho místa na druhé.
2. energie je dynamická a energie spojená s daným kouskem hmoty, např. molekula, závisí na okolnostech; je to funkce situace, ve které se hmota nachází, rychlost pohybu, umístění, ve kterém se nachází, zejména její poloha vzhledem k jiné hmotě nebo vzhledem k elektrickým, magnetickým a gravitačním polím (které jsou řízeny hmotou).
3. energie je vlastnost systémů, tj., shromáždění hmoty na určitém místě a se specifickými vzájemnými vztahy.
4. energie popisuje schopnost daného seskupení hmoty („systém“) změnit organizaci jiného kousku hmoty(jiný „systém“ nebo snad „okolí“).
5. energie může způsobit, že se atomy nebo molekuly budou pohybovat ve vzájemném vztahu, např. chemická reakce, nebo způsobí, že objekt změní polohu v gravitačním poli (vzestup nebo pád) nebo způsobí, že nabitá molekula nebo objekt změní polohu v elektrickém poli.
6. stejně jako energie může způsobit pohyb hmoty, mění pohyb hmoty (tj. mění polohu hmoty) obsah energie a umožňuje „přenos“ energie z jednoho systému do druhého nebo z jedné molekuly do druhé
7. energie může být také přenesena do materiálu elektromagnetickým zářením, vlnami elektřiny a magnetismem, které jsou vydávány jakýmkoli kouskem hmoty s teplotou nad absolutní nulou (tj. každý kousek hmoty!!!).
8. elektromagnetické záření je „forma“ energie, která je důležitá pro všechny formy života, ale zejména pro fotosyntetické organismy. Elektromagnetické záření má dvojí povahu a může být popsáno jako (1) rytmus elektrických a magnetických polí, řada vln s určitou frekvencí a vlnovou délkou, pohybující se konstantní rychlostí, rychlostí světla nebo (2) pakety energie nazývané fotony. Energie v paketu (foton) souvisí s vlnovou délkou vln elektřiny a magnetismu. Všimněte si, že tyto fotony / vlny elektřiny a magnetismu jsou schopny interagovat s hmotou a transformovat ji, čímž přenášejí energii do hmoty.
9. dva další pojmy související s energií jsou teplo, které může ovlivnit hmotu změnou její kinetické energie, změnou průměrné rychlosti pohybu molekul a práce, která může změnit polohu objektů v gravitačním poli nebo možná koncentrovat chemikálie na určitém místě (chemická práce). Zatímco teplo i práce jsou spojeny s energií a někdy jsou považovány za „formy“ energie, mohly by být lépe popsány jako interakce mezi systémy nebo mezi systémem a jeho okolím.

společným rysem hmoty i energie je to, že obě jsou zachovány, což je popsáno v tom, co je známé jako první zákon termodynamiky. Ačkoli moderní fyzika ukázala, že hmota může být přeměněna na energii a je to jejich kolektivní entita (hmota + energie), která je zachována, v biologických systémech se hmota a energie nikdy neproměňují jeden na druhého, a proto můžeme považovat každou za konzervovanou—vždy existuje stejné množství hmoty a stejné množství energie, ani jedna není vytvořena, zničena nebo „vyčerpána“.“Zachování hmoty je snadno pochopitelné, hmota může být přesunuta z jednoho místa na druhé, např. nahromaděná v organismu, ztracena (nebo získána) difúzí z (nebo do) organismu. Prvky mohou být přeskupeny, např. uhlík transformovaný ze sacharidů na oxid uhličitý v procesu buněčného dýchání, ale množství hmoty je konstantní-stejný počet uhlíků, vodíků a kyslíků. Podobně (a mnohem méně oceňovaná) je zachována energie. Může být „přesunuta“ z místa na místo nebo přeměněna z jedné formy na druhou (protože molekuly jsou přeskupeny nebo přesunuty vůči sobě navzájem a vzhledem k gravitačním, elektrickým a magnetickým polím), ale množství energie je konstantní, neměnné. Živé systémy, neživé systémy a kombinace živých a neživých systémů přeskupují hmotu a přeskupením hmoty přerozdělují energii. První zákon termodynamiky však uvádí, že ve všech těchto přeskupeních existuje omezení: po jakémkoli přeskupení musí být množství hmoty a množství energie stejné jako na začátku.

živé věci neustále reorganizují hmotu: molekuly se kombinují, molekuly se oddělují na kousky, molekuly se pohybují z jednoho místa na druhé. Ve všech těchto transformacích musí být hmota zachována. Kromě toho musí být energie zachována; v důsledku toho mohou organismy během některých transformací uvolňovat energii (protože konečné uspořádání materiálu v organismu má méně energie než původní uspořádání); nebo, pokud má konečné uspořádání více energie než původní, organismy musí nějak získat energii, aby provedly transformaci.

vzhledem k tomu, že hmota a energie hrají v hrách s nulovým součtem, pak si člověk může myslet, že jejich transformace jsou poněkud únavné a potenciálně kruhové, přičemž ztráty na jednom místě jsou přesně spojeny se zisky někde jinde a potenciálem skončit přesně tam,kde jste začali. Není tomu tak, existuje směr transformací a je to přísně jednosměrný tok: nikdy se nemůžete vrátit do výchozího bodu. Toto omezení je diktováno druhým zákonem termodynamiky, který uvádí, že navzdory skutečnosti, že energie je zachována, množství energie, které lze použít k práci, vždy klesá. Pro většinu je toto tvrzení překvapivé, protože předpokládají, že veškerá energie může být použita k práci; ale některá energie není „užitečná“ a druhý zákon uvádí, že množství „zbytečné“ energie se neustále zvyšuje. Druhý zákon termodynamiky je extrémně silný a to se odráží ve skutečnosti, že může být definován různými způsoby. Jeho užitečnost spočívá v tom, že dává šipku na přeskupení hmoty. Vzhledem ke dvěma možným uspořádáním, A až B, každé se stejným množstvím hmoty a energie, druhý zákon diktuje, že směr přeskupení bude vždy v situaci, která má méně užitečnou energii. Druhý zákon poukazuje na to, jaké přeskupení hmoty bude „spontánní“, tj.“Přeskupení v opačném směru (ne-spontánní směr) nastane pouze tehdy, je-li dodána energie, užitečná energie.

druhý zákon přidává druhé omezení transformací; nejenže musí být zachována hmota a energie, ale musí se snížit množství užitečné energie. Vezměme si systém A s určitým množstvím hmoty a energie najednou, jeden a tentýž systém, nyní nazývaný A‘, o čas později; druhý zákon nařizuje, že s výjimkou interakce s okolím je jediná změna v A, která je možná při přechodu na a‘, taková, kde dochází ke snížení energie dostupné pro práci; takže jakmile opustíte situaci A,nemůžete se k ní vrátit (tj. dostat se z a ‚ zpět do A). Ačkoli energie v obou je stejná, množství energie dostupné pro práci se snižuje při přechodu z A do A. “ to odráží jeden z běžných způsobů, jak lze uvést druhý zákon: neexistují žádné stroje s neustálým pohybem. Zařízení se nemůže vrátit tam, kde začalo, bez energie zvenčí.

organismy, hmota a energie

jak je to všechno významné pro organismy?? Organismy jsou částečně definovány svou schopností růstu a protože růst vyžaduje získání hmoty, všechny organismy musí být schopny získat specifické materiály, se kterými se konstruují. Růst navíc vyžaduje užitečnou energii, protože práce se provádí při konstrukci většiny nových molekul pro růst. Co komplikuje pochopení, je to, že hmota („jídlo“) hraje dvojí roli: (1) materiálně poskytuje materiály, které se stávají součástí většího organismu, (2) energicky poskytuje energii, která je k dispozici, když je hmota přeskupena. Transformace hmoty a přenosy energie prováděné organismy jsou vzájemně propojeny způsoby, které umožňují snadné získání mylných představ, ale je důležité si uvědomit, že hmota a energie jsou dvě různé entity.

růst však není jediným důvodem, proč organismy potřebují hmotu, a není to jediný důvod, proč organismy potřebují energii.

proč organismy potřebují energii

1. kromě toho, že potřebují energii pro růst organismy potřebují energii, protože „pracují“ ve fyzikálně-chemickém smyslu. Vytvářejí elektrochemické potenciály, vyvíjejí tlak, vytvářejí síly, které vedou k pohybu. Zvláště významné je, že při růstu provádějí chemickou práci: mnoho biomolekul se skládá z uspořádání hmoty, která obsahuje užitečnější energii než materiály, z nichž jsou tyto molekuly konstruovány,a proto je k jejich syntéze zapotřebí energie. Proces růstu vyžaduje, aby organismy přeskupily materiál, přemístily ho způsobem, který způsobí, že nový materiál bude mít užitečnější energii, než z čeho byl vyroben. To je možné pouze tehdy, pokud organismy mají „přísun energie“ a práce, kterou vykonávají, je možná, protože část energie v této dodávce je „použita“ k umožnění přeskupení materiálů. Všimněte si, že energie je zachována, ale množství užitečné energie, množství, které lze použít k práci, je sníženo.
2. ale i v hypotetické situaci, kdy organismus neroste (vytváří více biomolekul) a nedělá práci (např. pohybuje se sám nebo materiály v sobě), by stále potřeboval energii, aby se udržel. Organismy existují v organizovaném stavu, který spontánně degraduje na méně organizovaný stav. Udržování organizovaného stavu vyžaduje energii. Snadno pochopitelný příklad toho zahrnuje rozdíl náboje nalezený napříč buněčnou membránou, přičemž vnitřek je negativní vzhledem k vnějšímu povrchu. Tato organizovaná situace se spontánně „rozpadá“ na méně organizovanou, protože elektrické síly vytlačují záporné ionty přes membránu a kladné ionty dovnitř. Udržování organizovaného stavu vyžaduje energii, protože proces organizování (v tomto případě pohybující se ionty přes membránu, takže jsou koncentrovanější na jednom místě než na jiném) vyžaduje energii.

jak organismy získávají energii

energetické potřeby organismů jsou do značné míry uspokojeny získáním biomolekul (potravin), obecně sacharidů, a jejich zpracováním ve skupině reakcí nazývaných buněčné dýchání. Buněčné dýchání (Kapitola 19) je řízený proces „spalování“, při kterém sacharidy reagují s kyslíkem (sacharidy jsou oxidovány) a produkují oxid uhličitý a vodu. Porovnáme-li energetický obsah ekvivalentních množství uhlohydrátů plus kyslíku s obsahem oxidu uhličitého plus vody, je v oxidu uhličitém plus vodě podstatně méně energie. Pokud spálíte sacharidy v ohni, rozdíl v energii se uvolňuje jako teplo a světlo, ale v buněčném dýchání se uvolňuje méně energie jako teplo a žádná jako světlo, protože určitá energie je „zachycena“ v chemikáliích, zejména v ATP. Protože produkty reakce (oxid uhličitý a voda) jsou neviditelné plyny, mnozí věří, že buněčné dýchání přeměňuje hmotu na energii. Ale to je nemožné, první zákon to zakazuje! Původní uhlík, kyslík a vodík jsou stále přítomny, právě teď v různých formách. Podobně původní energie zůstává, ale nyní je přítomna v ATP, která se tvoří, a v uvolněné tepelné energii.

proč organismy ztrácejí materiál kvůli svým energetickým potřebám

vzhledem k tomu, že organismus provádí buněčné dýchání, produkuje dva materiály (vodu a oxid uhličitý), které se snadno ztrácejí a někdy „záměrně“ eliminují (např. u lidí, kde dýchání, tj. ventilace, usnadňuje ztrátu vody a oxidu uhličitého). V důsledku buněčného dýchání organismy neustále ztrácejí hmotu jako oxid uhličitý a vodu a v důsledku toho také ztrácejí váhu. Aby si tedy respirační organismus udržel svou váhu, musí získat více „jídla“.

získání hmoty a energie

aby organismus uspokojil své energetické potřeby, vyžaduje přísun sacharidů (nebo jiných biomolekul), které se využívají při buněčném dýchání. Tyto sacharidy lze získat dvěma základními způsoby: (1) konzumací biomolekul, které byly produkovány jinými živými bytostmi—uhlohydráty nebo molekulami, jako jsou proteiny, které mohou být metabolizovány za vzniku uhlohydrátů, nebo (2) konzumací „Samostatně konstruovaných“ uhlohydrátů, které se produkují v reakcích (obvykle fotosyntetické reakce), které syntetizují uhlohydráty z oxidu uhličitého a vody. Takové reakce využívají „zdroje“ energie (např. sluneční světlo), které umožňují chemickou reakci, kde produkty mají více energie než reaktanty. Syntetizované sacharidy se pak používají k napájení buněčného dýchání, tj., jsou přeměněny zpět na oxid uhličitý a vodu. Skupina, která konzumuje sacharidy, které produkovaly jiné organismy, se nazývá heterotrofy (hetero-jiné, troph-eat; doslova „jíst ostatní“) a organismy, které vytvářejí své vlastní sacharidy k „jídlu“, se nazývají autotrofy (auto-self, troph-eat; doslova „self-eaters“). Je důležité si uvědomit, že buněčné dýchání se vyskytuje v obou skupinách, liší se pouze v tom, jak získávají sacharidy, které mají být oxidovány v buněčném dýchání.

je důležité mít na paměti, že hmota a energie jsou dvě různé věci, ale jsou vzájemně propojeny. Energie, která je přítomna v uhlohydrátech a kyslíku, může být „uvolněna“, když je materiál přeskupen na oxid uhličitý a vodu. „Uvolněná energie“ může skončit jako teplo nebo jako práce nebo v novém uspořádání molekul (např. ATP je přeskupená verze ADP plus anorganický fosfát). Druhý zákon však vyžaduje, aby celkové množství energie v novém uspořádání (např., oxid uhličitý, voda a ATP) musí mít menší schopnost pracovat než dřívější uspořádání (v tomto příkladu uhlohydrát plus kyslík plus ADP plus anorganický fosfát).

uvědomte si, že „potrava“, kterou organismy získají, buď tím, že ji najdou (heterotrofy), nebo ji vytvoří (autotrofy), slouží dvojí funkci, poskytuje (1) energii (prostřednictvím buněčného dýchání) a (2) materiál (prostřednictvím různých metabolických drah, kde jsou sacharidy rekonfigurovány tak, aby produkovaly jiné biomolekuly (bílkoviny, tuky, nukleové kyseliny). Pokud jídlo poskytuje energii procesem buněčného dýchání, přeměňuje se na oxid uhličitý a vodu a ty nelze materiálně použít k výrobě biomolekul. Alternativně mohou potraviny poskytnout „stavební materiály“, které se používají k výrobě více buněčných membrán, buněčných stěn, buněčných enzymů, ale toto jídlo nebude „poskytovat energii“. Jídlo nemůže poskytnout energii i stavební materiály současně! Nemůžete “ mít „svůj dort (stavět s ním) a „jíst“ ho také(používat jej pro buněčné dýchání).

hlavní témata, která mají být pokryta v této části o růstu organismů, jsou uvedena tučně níže. Růst má materiální i energetické potřeby. Jak je popsáno výše, téměř všechny energetické potřeby téměř všech organismů jsou prováděny buněčným dýcháním (Kapitola 18) – oxidací sacharidů kyslíkem, produkující oxid uhličitý a vodu. Uspokojování materiálních potřeb heterotrofních organismů je relativně jednoduchý příběh; je to však složitější pro autotrofy, kde zahrnuje jak fotosyntézu (Kapitola 19), tak minerální výživu (Kapitola 22), získávání minerálních prvků, jako je dusík a fosfor. Ačkoli většina prokaryot uspokojuje své materiální a energetické potřeby typickým heterotrofním nebo autotropním způsobem, budeme také zvažovat některé metabolické rozmanitosti (Kapitola 21) nalezené v některých prokaryotech, které odhalují velmi odlišné vzorce uspokojování energetických a materiálových požadavků. Tato rozmanitost je zajímavým kontrastem ke známým, normálním způsobům života a také hraje významnou roli ve výživě rostlin tím, že ovlivňuje dostupnost rostlinných živin. Stručně zvážíme, jak organismy pohybují materiály po celém těle (Kapitola 24), což je proces, který obvykle (ale ne vždy!) „vyžaduje energii“. Budeme také zvažovat povahu půd (Kapitola 23), které slouží jako nádrže pro živiny a vodu, které rostliny vyžadují. Konečným aspektem růstu, který budeme zvažovat, jsou rytmy růstu (Kapitola 25), které organismy, zejména rostliny, vykazují a jak by tento růst mohl být modelován.