livløst liv

en af de aktiviteter, der definerer organismer, er, at de på et eller andet tidspunkt i deres liv eller i hele det vokser. Vækst kræver erhvervelse af stof, og både erhvervelse af stof og inkorporering af dette materiale i en levende form (dvs.i biomolekyler) involverer energi. Både stof og energi er nødvendige, men det er vigtigt at huske på, at de er to forskellige enheder, der ikke er interkonvertible. De energitransformationer, som organismer udfører, involverer manipulationer af stof, men de involverer ikke omdannelse af stof til energi. Energi opnås ved at omarrangere stof, hovedsagelig ved at omdanne kulhydrater og ilt til kulsyre og vand. Hvad komplicerer forståelse er, at sagen er nødvendig på to måder (Fig. 1): (1) materielt, tilvejebringelse af de materialer, der bliver en del af den større organisme: organismer er lavet af kulhydrater, (2) energisk, fordi energi kan stilles til rådighed, når Stof omarrangeres, f. eks., omdannelse af kulhydrater og ilt til kulsyre og vand. Selvom materie omarrangeres, omdannes det ikke til energi.

stof, energi og termodynamikens Love

stof og energi er nøgleaktører i livets proces på alle niveauer: celle, organisme og økosystem. Både stof og energi er velkendte ideer, men alligevel er misforståelser almindelige, især om energi og samspillet mellem stof og energi i biologiske systemer. Stof er ligetil: det har masse, optager plads og kan kategoriseres i grundstoffer (f.eks. kulstof, brint, ilt), der ofte normalt er til stede i specifikke blandinger betegnet molekyler (f. eks. kulsyre, glukose), der har en karakteristisk sammensætning af grundstoffer og er arrangeret på specifikke måder. Levende ting er lavet af stof og har en karakteristisk materialesammensætning, der er lavet af biomolekyler såsom proteiner, kulhydrater og nukleinsyrer. Livet kan delvis defineres af levende ting (organismer) evne til at erhverve stof og indarbejde det i sig selv, dvs.at vokse. Livet kan også defineres ud fra dets evne til at manipulere stof på karakteristiske måder, der involverer energioverførsler.

mens materie er et let koncept, er energi meget mere undvigende; overvej følgende:

1. energi har evnen til at påvirke stof ved at omarrangere det eller flytte det fra et sted til et andet.
2. energi er dynamisk, og den energi, der er forbundet med en given bit stof, f.eks. et molekyle, afhænger af omstændighederne; det er en funktion af den situation, materien befinder sig i, den hastighed, den bevæger sig, den placering, den befinder sig i, især dens position i forhold til andet stof eller i forhold til elektriske, magnetiske og tyngdefelter (som styres af stof).
3. energi er en egenskab af systemer, dvs., en samling af stof på et bestemt sted og med specifikke forhold til hinanden.
4. energi beskriver en given samling af stof (et ‘system’) evne til at ændre organiseringen af en anden smule stof (et andet ‘system’ eller måske ‘omgivelserne’).
5. energi kan få atomer eller molekyler til at bevæge sig i forhold til hinanden, f.eks. en kemisk reaktion, eller få et objekt til at ændre position i et tyngdefelt (stigning eller fald) eller få et ladet molekyle eller objekt til at ændre position i et elektrisk felt.
6. ligesom energi kan forårsage bevægelse af stof, ændrer bevægelsen af stof (dvs. stofændrende position) energiindholdet og tillader energi at blive ‘overført’ fra et system til et andet eller et molekyle til et andet
7. energi kan også overføres til materiale via elektromagnetisk stråling, bølger af elektricitet og magnetisme, der afgives af enhver smule stof med en temperatur over absolut nul (dvs. hver bit stof!!!).
8. elektromagnetisk stråling er en ‘form’ af energi, der er vigtig for alle former for liv, men især for fotosyntetiske organismer. Elektromagnetisk stråling har en dobbelt karakter og kan beskrives som (1) en rytme af elektriske og magnetiske felter, en række bølger med en bestemt frekvens og bølgelængde, der bevæger sig med en konstant hastighed, lysets hastighed eller (2) pakker af energi kaldet fotoner. Energien i en pakke (en foton) er relateret til bølgelængden af bølgerne af elektricitet og magnetisme. Bemærk, at disse fotoner/bølger af elektricitet og magnetisme er i stand til at interagere med stof og transformere det og derved overføre energi til sagen.
9. to andre begreber relateret til energi er varme, som kan påvirke stof ved at ændre dets kinetiske energi, ændre den gennemsnitlige hastighed, som molekyler bevæger sig, og arbejde, som kan ændre placeringen af objekter i et tyngdefelt eller måske koncentrere kemikalier på et bestemt sted (kemisk arbejde). Mens både varme og arbejde er forbundet med energi og undertiden betragtes som ‘former’ for energi, kan de bedre beskrives som interaktioner mellem systemer eller mellem et system og dets omgivelser.

et fælles træk ved både stof og energi er, at begge er konserveret, noget beskrevet i det, der er kendt som termodynamikens første lov. Selvom moderne fysik har vist, at materie kan omdannes til energi, og det er deres kollektive enhed (materie + energi), der bevares, omdannes materie og energi i biologiske systemer aldrig til hinanden, og derfor kan vi betragte hver som bevaret—der er altid den samme mængde stof og den samme mængde energi, ingen af dem er skabt, ødelagt eller ‘brugt op.’Bevarelsen af stof er let at forstå, stof kan flyttes fra et sted til et andet, f.eks. akkumuleret i en organisme, tabt (eller opnået) ved diffusion fra (eller til) en organisme. Elementer kan omarrangeres, f.eks. kulstof omdannes fra kulhydrat til kulsyre i processen med cellulær respiration, men mængden af stof er konstant—det samme antal kulstoffer, hydrogener og iltgener. På samme måde (og meget mindre værdsat) bevares energi. Det kan ‘flyttes’ fra sted til sted eller omdannes fra en form til en anden (som molekyler omarrangeres eller flyttes i forhold til hinanden og i forhold til gravitations -, elektriske og magnetiske felter), men mængden af energi er konstant, uforanderlig. Levende systemer, ikke-levende systemer og kombinationer af levende og ikke-levende systemer omarrangerer stof, og ved at omarrangere stof omfordeler de energi. Men den første lov om termodynamik siger, at der i alle disse omlægninger er en begrænsning: efter enhver omlægning skal mængden af stof og mængden af energi være den samme som den var i begyndelsen.

levende ting omorganiserer konstant stof: molekyler kombineres, molekyler adskilles i stykker, molekyler bevæger sig fra et sted til et andet. I alle disse transformationer skal materien bevares. Derudover skal energien bevares; følgelig kan organismer frigive energi under nogle transformationer (fordi det endelige arrangement af materiale i organismen har mindre energi end det oprindelige arrangement); eller hvis det endelige arrangement har mere energi end det oprindelige, skal organismerne på en eller anden måde have erhvervet energi for at skabe transformationen.

da stof og energi spiller i nulsumsspil, kan man måske tro, at deres transformationer er temmelig kedelige og potentielt cirkulære, hvor tab på et sted nøjagtigt matches af gevinster et andet sted, og potentialet for at ende nøjagtigt, hvor du startede. Dette er ikke tilfældet, Der er en retning til transformationerne, og det er strengt en envejsstrøm: du kan aldrig vende tilbage til udgangspunktet. Denne begrænsning dikteres af termodynamikens anden lov, der siger, at på trods af det faktum, at energi er bevaret, falder mængden af energi, der kan bruges til at udføre arbejde, altid. For de fleste er denne erklæring overraskende, fordi de antager, at al energi kan bruges til at udføre arbejde; men noget energi er ikke ‘nyttigt’, og den anden lov siger, at mængden af ‘ubrugelig’ energi altid stiger. Termodynamikens anden lov er ekstremt kraftig, og dette afspejles i, at det kan defineres på forskellige måder. Grundlæggende hviler dets anvendelighed i det faktum, at det sætter en pil på omlægninger af materie. I betragtning af to mulige arrangementer, A til B, hver med samme mængde stof og energi, dikterer den anden lov, at omlægningens retning altid vil være i en situation, der har mindre nyttig energi. Den anden lov påpeger, hvilke omlægninger af materie der vil være ‘spontane’, dvs.forekomme ‘alene.’Omlægninger i den modsatte retning (den ikke-spontane retning) vil kun forekomme, hvis der tilføres energi, nyttig energi.

den anden lov tilføjer en anden begrænsning på transformationer; ikke kun skal materie og energi bevares, men mængden af nyttig energi skal falde. Overvej et system A med en vis mængde stof og energi ad gangen, et og samme system, nu kaldet A’, en tid senere; den anden lov dikterer, at den eneste ændring i A, der er mulig, når den overgår til A’, er en, hvor der er et fald i energi til rådighed til at udføre arbejde; således når du forlader situation A, kan du ikke vende tilbage til det (dvs.komme fra A’ tilbage til a). Selvom energien i begge er den samme, mindskes mængden af energi, der er tilgængelig til at udføre arbejde, når den overgår fra A til A.’ Dette afspejler en af de almindelige måder, hvorpå den anden lov kan siges: der er ingen maskiner til evig bevægelse. En enhed kan ikke komme tilbage til, hvor den startede uden energi udefra.

organismer, stof og energi

Hvordan er alt dette vigtigt for organismer?? Organismer defineres delvist af deres evne til at vokse, og da vækst kræver erhvervelse af stof, skal alle organismer være i stand til at erhverve de specifikke materialer, som de konstruerer sig med. Desuden kræver vækst nyttig energi, fordi der arbejdes med konstruktionen af de fleste nye molekyler til vækst. Det, der komplicerer forståelsen, er, at Stof (‘mad’) spiller en dobbelt rolle: (1) materielt, tilvejebringelse af de materialer, der bliver en del af den større organisme, (2) energisk, tilvejebringelse af energi, der stilles til rådighed, når Stof omarrangeres. Transformationerne af stof og overførsler af energi udført af organismer er sammenflettet på måder, der gør det muligt let at erhverve misforståelser, men det er vigtigt at huske, at stof og energi er to forskellige enheder.

men vækst er ikke den eneste grund til, at organismer har brug for stof, og det er ikke den eneste grund til, at organismer har brug for energi.

hvorfor organismer har brug for energi

1. ud over at have brug for energi til vækst har organismer brug for energi, fordi de ‘fungerer’ i fysisk/kemisk forstand. De skaber elektrokemiske potentialer, de udvikler tryk, de genererer kræfter, der resulterer i bevægelse. Særligt vigtigt er, at de udfører kemisk arbejde, når de vokser: mange biomolekyler består af arrangementer af stof, der indeholder mere nyttig energi end de materialer, disse molekyler er konstrueret af, og derfor er der brug for energi til at syntetisere dem. Vækstprocessen kræver, at organismer omarrangerer materiale, omplacerer det på måder, der får det nye materiale til at besidde mere nyttig energi end hvad det blev lavet af. Dette er kun muligt, hvis organismer har en ‘energiforsyning’, og det arbejde, de udfører, er muligt, fordi en del af energien i denne forsyning ‘bruges’ til at muliggøre omlægning af materialer. Bemærk, at energi er bevaret, men mængden af nyttig energi, den mængde, der kan bruges til at udføre arbejde, mindskes.
2. men selv i den hypotetiske situation, hvor en organisme ikke vokser (fremstiller flere biomolekyler) og ikke udfører arbejde (f.eks. Organismer findes i en organiseret tilstand, der spontant nedbrydes til en mindre organiseret tilstand. Vedligeholdelsen af den organiserede stat kræver energi. Et let forståeligt eksempel på dette involverer ladningsforskellen, der findes på tværs af cellemembranen, hvor indersiden er negativ i forhold til ydersiden. Denne organiserede situation bryder spontant ned til en mindre organiseret, fordi elektriske kræfter skubber negative ioner ud over membranen og positive ioner ind. Vedligeholdelse af den organiserede tilstand kræver energi, fordi processen med at organisere (i dette tilfælde flytte ioner over en membran, så de er mere koncentreret et sted end et andet) kræver energi.

hvordan organismer får energi

organismernes energiske behov opfyldes stort set ved at erhverve biomolekyler (mad), generelt kulhydrater, og behandle dem i en gruppe reaktioner kaldet cellulær respiration. Cellulær respiration (Kapitel 19) er en kontrolleret ‘brændende’ proces, hvorved kulhydrater reagerer med ilt (kulhydraterne iltes) og producerer kulsyre og vand. Hvis man sammenligner energiindholdet i ækvivalente mængder kulhydrat plus ilt med det i kulsyre plus vand, er der væsentligt mindre energi i kulsyre plus vand. Hvis du forbrænder kulhydrater i en brand, frigives forskellen i energi som varme og lys, men i cellulær respiration frigives mindre energi som varme og ingen som lys, fordi noget energi ‘fanges’ i kemikalier, især en kaldet ATP. Fordi reaktionens produkter (kulsyre og vand) er usynlige gasser, tror mange, at cellulær respiration omdanner stof til energi. Men det er umuligt, den første lov forbyder det! Det originale kulstof, ilt og brint er stadig til stede, lige nu i forskellige former. Tilsvarende forbliver den oprindelige energi, men er nu til stede i den ATP, der dannes, og den varmeenergi, der frigives.

hvorfor organismer mister materiale på grund af deres energiske behov

når en organisme udfører cellulær respiration, producerer den to materialer (vand og kulsyre), der let går tabt og undertiden ‘med vilje’ elimineres (f.eks. hos mennesker, hvor vejrtrækning, dvs. ventilation, Letter tabet af vand og kulsyre). Som følge af cellulær respiration taber organismer konstant stof som kulsyre og vand og taber derfor også vægt. For at opretholde sin vægt skal en respirerende organisme således erhverve mere ‘mad’.

opnåelse af stof og energi

for at tilfredsstille deres energiske behov kræver en organisme en tilførsel af kulhydrater (eller andre biomolekyler) til anvendelse i cellulær respiration. Disse kulhydrater kan opnås på to grundlæggende måder: (1) ved at indtage biomolekyler, der er produceret af andre levende ting—kulhydrater eller molekyler som proteiner, der kan metaboliseres til at producere kulhydrater eller (2) ved at indtage ‘selvkonstruerede’ kulhydrater, der produceres i reaktioner (normalt fotosyntetiske reaktioner), der syntetiserer kulhydrater fra kulsyre og vand. Sådanne reaktioner anvender ‘energikilder’ (f.eks. sollys), der tillader en kemisk reaktion at forekomme, hvor produkterne har mere energi end reaktanterne. De syntetiserede kulhydrater bruges derefter til at drive cellulær respiration, dvs. de omdannes til kulsyre og vand. Gruppen, der bruger kulhydrater, som andre organismer har produceret, kaldes heterotrofer (hetero-andet, troph-eat; bogstaveligt talt ‘spise andre’), og de organismer, der fremstiller deres egne kulhydrater til ‘spise’, kaldes autotrofer (auto-selv, troph-eat; bogstaveligt talt ‘selvspisere’). Det er vigtigt at indse, at cellulær respiration forekommer i begge grupper, de adskiller sig kun i, hvordan de erhverver kulhydrater, der skal iltes i cellulær respiration.

det er vigtigt at huske på, at stof og energi er to forskellige ting, men de er sammenflettet. Energi, der er til stede i kulhydrater og ilt, kan ‘frigives’, når materialet omarrangeres til kulsyre og vand. Den ‘frigivne energi’ kan ende som varme eller som arbejde eller i et nyt arrangement af molekyler (f.eks. Den anden lov kræver dog, at den samlede mængde energi i den nye ordning (f. eks. ATP) skal have mindre evne til at udføre arbejde end det tidligere arrangement (i dette eksempel kulhydrat plus ilt plus ADP plus uorganisk fosfat).

forstå, at den ‘mad’, som organismer opnår, enten ved at finde den (heterotrofer) eller gøre den (autotrofer) tjener en dobbelt funktion, der giver (1) energi (gennem cellulær respiration) og (2) materiale (gennem en række metaboliske veje, hvor kulhydrater omkonfigureres til at producere andre biomolekyler (proteiner, fedtstoffer, nukleinsyrer). Hvis mad leverer energi gennem processen med cellulær respiration, omdannes den til kulsyre og vand, og disse kan ikke bruges materielt til at fremstille biomolekyler. Alternativt kan Mad give ‘byggematerialer’, der bruges til at fremstille flere cellemembraner, cellevægge, cellulære egenskaber, men denne mad vil ikke’give energi’. Fødevarer kan ikke levere både energi og byggematerialer på samme tid! Du kan ikke ‘have’ din kage (bygge med den) og ‘spise’ den også (brug den til cellulær respiration).

de vigtigste emner, der skal dækkes i dette afsnit om vækst af organismer, er skitseret med fed skrift nedenfor. Vækst har både materielle og energiske behov. Som beskrevet ovenfor opnås næsten alle energiske behov hos næsten alle organismer ved cellulær respiration (Kapitel 18)—iltning af kulhydrater med ilt, der producerer kulsyre og vand. At tilfredsstille de materielle behov hos heterotrofe organismer er en relativt enkel historie; det er dog mere kompliceret for autotrofer, hvor det involverer både fotosyntese (Kapitel 19) og mineralernæring (Kapitel 22), erhvervelse af mineralelementer som nitrogen og fosfor. Selvom de fleste prokaryoter tilfredsstiller deres materielle og energiske behov på typisk heterotrof eller autotrof måde, vil vi også overveje noget af den metaboliske mangfoldighed (Kapitel 21), Der findes i nogle prokaryoter, der afslører meget forskellige mønstre for at tilfredsstille energi-og materialekrav. Denne mangfoldighed er en interessant kontrast til de velkendte, normale måder at leve på og spiller også en vigtig rolle i ernæring af planter ved at påvirke tilgængeligheden af plantenæringsstoffer. Vi vil kort overveje, hvordan organismer bevæger materialer gennem deres kroppe (Kapitel 24), en proces der normalt (men ikke altid!) ‘kræver energi’. Vi vil også overveje jordens natur (Kapitel 23), der tjener som reservoirer for de næringsstoffer og vand, som planter har brug for. Et sidste aspekt af vækst, som vi vil overveje, er vækstrytmerne (Kapitel 25), som organismer, især planter, udviser, og hvordan denne vækst kan modelleres.