Unbelebtes Leben

Eine der Aktivitäten, die Organismen definieren, ist, dass sie irgendwann in ihrem Leben oder während ihres gesamten Lebens wachsen. Wachstum erfordert den Erwerb von Materie, und sowohl der Erwerb von Materie als auch der Einbau dieses Materials in eine lebende Form (d. H. In Biomoleküle) beinhalten Energie. Sowohl Materie als auch Energie werden benötigt, aber es ist wichtig zu bedenken, dass es sich um zwei verschiedene Einheiten handelt, die NICHT miteinander konvertierbar sind. Die Energieumwandlungen, die Organismen durchführen, beinhalten Manipulationen der Materie, aber sie beinhalten NICHT die Umwandlung von Materie in Energie. Energie wird durch Umlagerung von Materie gewonnen, hauptsächlich durch Umwandlung von Kohlenhydraten und Sauerstoff in Kohlendioxid und Wasser. Was das Verständnis erschwert, ist, dass Materie auf zwei Arten benötigt wird (Abb. 1): (1) materiell, Bereitstellung der Materialien, die Teil des größeren Organismus werden: Organismen bestehen aus Kohlenhydraten, (2) energetisch, weil Energie zur Verfügung gestellt werden kann, wenn Materie neu angeordnet wird, z., Kohlenhydrate und Sauerstoff in Kohlendioxyd und Wasser umwandelnd. Obwohl Materie neu angeordnet wird, wird sie nicht in Energie umgewandelt.

Materie, Energie und die Gesetze der Thermodynamik

Materie und Energie sind Schlüsselakteure im Lebensprozess auf allen Ebenen: Zelle, Organismus und Ökosystem. Sowohl Materie als auch Energie sind bekannte Ideen, aber Missverständnisse sind weit verbreitet, insbesondere über Energie und das Zusammenspiel von Materie und Energie in biologischen Systemen. Materie ist einfach: Sie hat Masse, nimmt Raum ein und kann in Elemente (z. B. Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff) eingeteilt werden, die häufig in bestimmten Mischungen vorliegen, die als Moleküle (z. B. Kohlendioxid, Glukose) bezeichnet werden und eine charakteristische Zusammensetzung von Elementen aufweisen und auf bestimmte Weise angeordnet sind. Lebewesen bestehen aus Materie und haben eine charakteristische Materialzusammensetzung, die aus Biomolekülen wie Proteinen, Kohlenhydraten und Nukleinsäuren besteht. Das Leben kann teilweise durch die Fähigkeit von Lebewesen (Organismen) definiert werden, Materie zu erwerben und in sich selbst zu integrieren, dh zu wachsen. Das Leben kann auch auf der Grundlage seiner Fähigkeit definiert werden, Materie auf charakteristische Weise zu manipulieren, die Energieübertragungen beinhaltet.

Während Materie ein einfaches Konzept ist, ist Energie viel schwerer zu fassen; Betrachten Sie Folgendes:

1. Energie hat die Fähigkeit, Materie zu beeinflussen, indem sie sie neu anordnet oder von einem Ort zum anderen bewegt.
2. Energie ist dynamisch und die Energie, die mit einem bestimmten Stück Materie, z. B. einem Molekül, verbunden ist, hängt von den Umständen ab; Es ist eine Funktion der Situation, in der sich die Materie befindet, der Geschwindigkeit, in der sie sich bewegt, des Ortes, an dem sie sich befindet, insbesondere ihrer Position relativ zu anderer Materie oder relativ zu elektrischen, magnetischen und Gravitationsfeldern (die von Materie gesteuert werden).
3. Energie ist eine Eigenschaft von Systemen, d.h., eine Ansammlung von Materie an einem bestimmten Ort und mit spezifischen Beziehungen zueinander.
4. Energie beschreibt die Fähigkeit einer gegebenen Ansammlung von Materie (eines ‚Systems‘), die Organisation eines anderen Teils der Materie (eines anderen ‚Systems‘ oder vielleicht ‚der Umgebung‘) zu verändern.
5. Energie kann dazu führen, dass sich Atome oder Moleküle in Beziehung zueinander bewegen, z. B. eine chemische Reaktion, oder dass ein Objekt seine Position in einem Gravitationsfeld ändert (steigen oder fallen) oder dass ein geladenes Molekül oder Objekt seine Position in einem elektrischen Feld ändert.
6. So wie Energie eine Bewegung der Materie verursachen kann, ändert die Bewegung der Materie (d. H. die Position der Materie) den Energieinhalt und ermöglicht die Übertragung von Energie von einem System zum anderen oder von einem Molekül zum anderen
7. Energie kann auch über elektromagnetische Strahlung, Elektrizitätswellen und Magnetismus auf Material übertragen werden, die von jedem Stück Materie mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt abgegeben werden (d. H. Jedes Stück Materie!!!).
8. Elektromagnetische Strahlung ist eine Energieform, die für alle Lebensformen wichtig ist, insbesondere aber für photosynthetische Organismen. Elektromagnetische Strahlung hat eine doppelte Natur und kann beschrieben werden als (1) ein Rhythmus von elektrischen und magnetischen Feldern, eine Reihe von Wellen mit einer bestimmten Frequenz und Wellenlänge, die sich mit einer konstanten Geschwindigkeit, der Lichtgeschwindigkeit, bewegen, oder (2) Energiepakete, die Photonen genannt werden. Die Energie in einem Paket (einem Photon) hängt mit der Wellenlänge der Wellen von Elektrizität und Magnetismus zusammen. Beachten Sie, dass diese Photonen / Wellen von Elektrizität und Magnetismus in der Lage sind, mit Materie zu interagieren und sie umzuwandeln, wodurch Energie auf die Materie übertragen wird.
9. Zwei weitere Konzepte im Zusammenhang mit Energie sind Wärme, die Materie beeinflussen kann, indem sie ihre kinetische Energie ändert, die durchschnittliche Geschwindigkeit ändert, mit der sich Moleküle bewegen, und Arbeit, die die Position von Objekten in einem Gravitationsfeld ändern oder möglicherweise Chemikalien an einem bestimmten Ort konzentrieren kann (chemische Arbeit). Während sowohl Wärme als auch Arbeit mit Energie verbunden sind und manchmal als Energieformen betrachtet werden, können sie besser als Wechselwirkungen zwischen Systemen oder zwischen einem System und seiner Umgebung beschrieben werden.

Ein gemeinsames Merkmal von Materie und Energie ist, dass beide konserviert sind, was im sogenannten ersten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben wird. Obwohl die moderne Physik gezeigt hat, dass Materie in Energie umgewandelt werden kann und es ihre kollektive Einheit (Materie + Energie) ist, die konserviert wird, werden Materie und Energie in biologischen Systemen NIEMALS ineinander umgewandelt, und folglich können wir jede als konserviert betrachten — es gibt immer die gleiche Menge an Materie und die gleiche Menge an Energie, keine wird erzeugt, zerstört oder verbraucht. Die Erhaltung der Materie ist leicht zu verstehen, Materie kann von einem Ort zum anderen bewegt werden, z.B. in einem Organismus angesammelt, verloren (oder gewonnen) durch Diffusion von (oder zu) einem Organismus. Elemente können neu angeordnet werden, z. B. Kohlenstoff, der bei der Zellatmung von Kohlenhydraten in Kohlendioxid umgewandelt wird, aber die Menge der Materie ist konstant — die gleiche Anzahl von Kohlenstoffen, Wasserstoffen und Sauerstoffstoffen. In ähnlicher Weise (und viel weniger geschätzt) wird Energie gespart. Es kann von Ort zu Ort ‚bewegt‘ oder von einer Form in eine andere umgewandelt werden (da Moleküle relativ zueinander und relativ zu Gravitations-, elektrischen und magnetischen Feldern neu angeordnet oder bewegt werden), aber die Energiemenge ist konstant und unveränderlich. Lebende Systeme, nicht lebende Systeme und Kombinationen von lebenden und nicht lebenden Systemen ordnen Materie neu an, und durch die Neuordnung von Materie verteilen sie Energie neu. Aber der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass es bei all diesen Umlagerungen eine Einschränkung gibt: Nach jeder Umlagerung müssen die Menge an Materie und die Menge an Energie dieselbe sein wie am Anfang.

Lebewesen organisieren Materie ständig neu: Moleküle verbinden sich, Moleküle trennen sich in Stücke, Moleküle bewegen sich von einem Ort zum anderen. Bei all diesen Transformationen muss Materie konserviert werden. Außerdem muss die Energie konserviert werden; Folglich können Organismen während einiger Transformationen Energie freisetzen (weil die endgültige Anordnung des Materials im Organismus weniger Energie hat als die ursprüngliche Anordnung); oder, wenn die endgültige Anordnung mehr Energie hat als die ursprüngliche, müssen die Organismen irgendwie Energie gewonnen haben, um die Transformation herbeizuführen.

Da Materie und Energie in Nullsummenspielen spielen, könnte man denken, dass ihre Transformationen ziemlich langwierig und potenziell kreisförmig sind, wobei Verluste an einer Stelle genau mit Gewinnen an einer anderen Stelle übereinstimmen und das Potenzial besteht, genau dort zu enden, wo Sie angefangen haben. Dies ist nicht der Fall, es gibt eine Richtung für die Transformationen und es handelt sich ausschließlich um einen Einwegfluss: Sie können niemals zum Ausgangspunkt zurückkehren. Diese Einschränkung wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik diktiert, der besagt, dass trotz der Tatsache, dass Energie konserviert wird, die Energiemenge, die für die Arbeit verwendet werden kann, immer abnimmt. Für die meisten ist diese Aussage verblüffend, weil sie annehmen, dass alle Energie verwendet werden kann, um Arbeit zu verrichten; aber einige Energie ist nicht ’nützlich‘ und das zweite Gesetz besagt, dass die Menge an ’nutzloser‘ Energie immer zunimmt. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist extrem mächtig und dies spiegelt sich in der Tatsache wider, dass er auf verschiedene Arten definiert werden kann. Grundsätzlich liegt sein Nutzen in der Tatsache, dass es einen Pfeil auf Umlagerungen der Materie legt. Bei zwei möglichen Anordnungen, A bis B, jeweils mit der gleichen Menge an Materie und Energie, schreibt das zweite Gesetz vor, dass die Richtung der Umlagerung immer zu einer Situation führt, die weniger nützliche Energie hat. Das zweite Gesetz weist darauf hin, welche Umlagerungen der Materie ’spontan‘ sein werden, d.h. ‚von selbst‘ auftreten werden. Umlagerungen in die entgegengesetzte Richtung (die nicht spontane Richtung) treten nur auf, wenn Energie, nützliche Energie, zugeführt wird.

Das zweite Gesetz fügt eine zweite Einschränkung für Transformationen hinzu; Materie und Energie müssen nicht nur konserviert werden, sondern auch die Menge an nützlicher Energie muss abnehmen. Betrachten Sie ein System A mit einer bestimmten Menge an Materie und Energie zu einem Zeitpunkt, ein und dasselbe System, das jetzt A‘ genannt wird, eine Zeit später; Das zweite Gesetz schreibt vor, dass, abgesehen von der Interaktion mit der Umgebung, die einzige Änderung in A, die möglich ist, wenn es zu A‘ übergeht, eine ist, bei der die Energie abnimmt, die zur Verfügung steht, um Arbeit zu verrichten; Sobald Sie also Situation A verlassen, können Sie nicht mehr dorthin zurückkehren (dh von A ‚ zurück zu A gelangen). Obwohl die Energie in beiden gleich ist, verringert sich die Menge an Energie, die für die Arbeit zur Verfügung steht, wenn sie von A nach A übergeht. Ein Gerät kann ohne Energie von außen nicht dorthin zurückkehren, wo es angefangen hat.

Organismen, Materie und Energie

Wie ist all dies für Organismen von Bedeutung?? Organismen werden zum Teil durch ihre Fähigkeit zu wachsen definiert, und da Wachstum den Erwerb von Materie erfordert, müssen alle Organismen in der Lage sein, die spezifischen Materialien zu erwerben, mit denen sie sich selbst konstruieren. Darüber hinaus erfordert Wachstum nützliche Energie, da bei der Konstruktion der meisten neuen Moleküle für das Wachstum gearbeitet wird. Was das Verständnis erschwert, ist, dass Materie (‚Nahrung‘) eine doppelte Rolle spielt: (1) materiell, Bereitstellung der Materialien, die Teil des größeren Organismus werden, (2) energetisch, Bereitstellung von Energie, die verfügbar gemacht wird, wenn Materie neu angeordnet wird. Die Umwandlungen von Materie und die von Organismen durchgeführten Energietransfers sind auf eine Weise miteinander verflochten, die es leicht macht, Missverständnisse zu erwerben, aber es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass Materie und Energie zwei verschiedene Entitäten sind.

Aber Wachstum ist nicht der einzige Grund, warum Organismen Materie brauchen, und es ist nicht der einzige Grund, warum Organismen Energie brauchen.

Warum Organismen Energie brauchen

1. Zusätzlich zum Energiebedarf für das Wachstum benötigen Organismen Energie, weil sie physikalisch / chemisch ‚arbeiten‘. Sie erzeugen elektrochemische Potentiale, sie entwickeln Druck, sie erzeugen Kräfte, die zu Bewegung führen. Besonders bedeutsam ist, dass sie chemische Arbeit leisten, während sie wachsen: Viele Biomoleküle bestehen aus Anordnungen von Materie, die mehr nützliche Energie enthalten als die Materialien, aus denen diese Moleküle aufgebaut sind, und daher wird Energie benötigt, um sie zu synthetisieren. Der Wachstumsprozess erfordert, dass Organismen das Material neu anordnen und neu positionieren, so dass das neue Material mehr nützliche Energie besitzt als das, woraus es hergestellt wurde. Dies ist nur möglich, wenn Organismen eine ‚Energieversorgung‘ haben und die Arbeit, die sie leisten, möglich ist, weil ein Teil der Energie in dieser Versorgung ‚verwendet‘ wird, um die Umlagerung von Materialien zu ermöglichen. Beachten Sie, dass Energie konserviert wird, aber die Menge an nützlicher Energie, die Menge, die verwendet werden kann, um Arbeit zu verrichten, wird verringert.
2. Aber selbst in der hypothetischen Situation, in der ein Organismus nicht wächst (mehr Biomoleküle herstellt) und keine Arbeit verrichtet (z. B. sich selbst oder Materialien in sich selbst bewegt), würde er immer noch Energie benötigen, um sich selbst zu erhalten. Organismen existieren in einem organisierten Zustand, der spontan zu einem weniger organisierten Zustand degradiert. Die Aufrechterhaltung des organisierten Zustands erfordert Energie. Ein leicht verständliches Beispiel hierfür ist die Ladungsdifferenz, die über die Zellmembran gefunden wird, wobei die Innenseite relativ zur Außenseite negativ ist. Diese organisierte Situation ‚bricht‘ spontan zu einer weniger organisierten zusammen, weil elektrische Kräfte negative Ionen über die Membran und positive Ionen hineindrücken. Die Aufrechterhaltung des organisierten Zustands erfordert Energie, da der Prozess der Organisation (in diesem Fall das Bewegen von Ionen über eine Membran, so dass sie an einem Ort konzentrierter sind als an einem anderen) Energie erfordert.

Wie Organismen Energie erhalten

Der Energiebedarf von Organismen wird weitgehend gedeckt, indem Biomoleküle (Nahrung), im Allgemeinen Kohlenhydrate, aufgenommen und in einer Gruppe von Reaktionen verarbeitet werden, die als Zellatmung bezeichnet werden. Die Zellatmung (Kapitel 19) ist ein kontrollierter Verbrennungsprozess, bei dem Kohlenhydrate mit Sauerstoff reagieren (die Kohlenhydrate werden oxidiert) und Kohlendioxid und Wasser produzieren. Vergleicht man den Energiegehalt äquivalenter Mengen an Kohlenhydraten plus Sauerstoff mit dem von Kohlendioxid plus Wasser, so ist in Kohlendioxid plus Wasser wesentlich weniger Energie enthalten. Wenn Sie Kohlenhydrate in einem Feuer verbrennen, wird der Unterschied in der Energie als Wärme und Licht freigesetzt, aber bei der Zellatmung wird weniger Energie als Wärme und keine als Licht freigesetzt, da etwas Energie in Chemikalien, insbesondere ATP, ‚eingefangen‘ wird. Da die Reaktionsprodukte (Kohlendioxid und Wasser) unsichtbare Gase sind, glauben viele, dass die Zellatmung Materie in Energie umwandelt. Aber das ist unmöglich, das erste Gesetz verbietet es! Der ursprüngliche Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff sind immer noch vorhanden, gerade jetzt in verschiedenen Formen. In ähnlicher Weise bleibt die ursprüngliche Energie erhalten, ist aber jetzt in dem gebildeten ATP und der freigesetzten Wärmeenergie vorhanden.

Warum Organismen aufgrund ihres Energiebedarfs Material verlieren

Da ein Organismus die Zellatmung durchführt, produziert er zwei Materialien (Wasser und Kohlendioxid), die leicht verloren gehen und manchmal absichtlich eliminiert werden (z. B. Beim Menschen, wo die Atmung, dh die Belüftung, den Verlust von Wasser und Kohlendioxid erleichtert). Als Folge der Zellatmung verlieren Organismen ständig Materie wie Kohlendioxid und Wasser und verlieren folglich auch an Gewicht. Um sein Gewicht zu halten, muss ein atmender Organismus also mehr Nahrung aufnehmen.

Gewinnung von Materie und Energie

Um ihren Energiebedarf zu decken, benötigt ein Organismus eine Versorgung mit Kohlenhydraten (oder anderen Biomolekülen), die er für die Zellatmung nutzen kann. Diese Kohlenhydrate können auf zwei grundlegende Arten erhalten werden: (1) durch den Verzehr von Biomolekülen, die von anderen Lebewesen produziert wurden — Kohlenhydrate oder Moleküle wie Proteine, die metabolisiert werden können, um Kohlenhydrate zu produzieren oder (2) durch den Verzehr von ’selbst konstruierten‘ Kohlenhydraten, die in Reaktionen (in der Regel photosynthetische Reaktionen) produziert werden, die Kohlenhydrate aus Kohlendioxid und Wasser synthetisieren. Solche Reaktionen nutzen Energiequellen (z. B. Sonnenlicht), die eine chemische Reaktion ermöglichen, bei der die Produkte mehr Energie haben als die Reaktanten. Die synthetisierten Kohlenhydrate werden dann verwendet, um die Zellatmung anzutreiben, d.h., werden sie zurück zu Kohlendioxyd und Wasser umgewandelt. Die Gruppe, die Kohlenhydrate konsumiert, die andere Organismen produziert haben, wird als Heterotrophe (hetero-andere, troph-essen; wörtlich ‚andere essen‘) bezeichnet, und die Organismen, die ihre eigenen Kohlenhydrate zum ‚Essen‘ herstellen, werden als Autotrophe bezeichnet (Auto-Selbst, Troph-essen; wörtlich ‚Selbstesser‘). Es ist wichtig zu erkennen, dass die Zellatmung in beiden Gruppen auftritt, sie unterscheiden sich nur darin, wie sie Kohlenhydrate erwerben, die bei der Zellatmung oxidiert werden.

Es ist wichtig zu bedenken, dass Materie und Energie zwei verschiedene Dinge sind, aber sie sind miteinander verflochten. Energie, die in Kohlenhydraten und Sauerstoff vorhanden ist, kann freigesetzt werden, wenn das Material in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt wird. Die ‚freigesetzte Energie‘ könnte als Wärme oder als Arbeit oder in einer neuen Anordnung von Molekülen enden (z. B. ATP ist eine neu angeordnete Version von ADP plus anorganischem Phosphat). Das zweite Gesetz verlangt jedoch, dass die gesamte Energiemenge in der neuen Anordnung (z., Kohlendioxid, Wasser und ATP) muss weniger Arbeitsfähigkeit besitzen als die frühere Anordnung (in diesem Beispiel Kohlenhydrat plus Sauerstoff plus ADP plus anorganisches Phosphat).

Zu schätzen wissen, dass die ‚Nahrung‘, die Organismen entweder durch Auffinden (Heterotrophe) oder Herstellen (autotrophe) erhalten, eine doppelte Funktion erfüllt, nämlich (1) Energie (durch Zellatmung) und (2) Material (durch eine Vielzahl von Stoffwechselwegen, auf denen Kohlenhydrate rekonfiguriert werden, um andere Biomoleküle (Proteine, Fette, Nukleinsäuren) herzustellen. Wenn Nahrung durch den Prozess der Zellatmung Energie liefert, wird sie in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt, und diese können nicht materiell zur Herstellung von Biomolekülen verwendet werden. Alternativ kann Nahrung ‚Baumaterialien‘ bereitstellen, die verwendet werden, um mehr Zellmembranen, Zellwände und zelluläre Enzyme herzustellen, aber diese Nahrung liefert KEINE Energie. Lebensmittel können nicht gleichzeitig Energie und Baumaterial liefern! Sie können Ihren Kuchen nicht ‚haben‘ (damit bauen) und ihn auch ‚essen‘ (für die Zellatmung verwenden).

Die Hauptthemen, die in diesem Abschnitt über das Wachstum von Organismen behandelt werden sollen, sind unten fett dargestellt. Wachstum hat sowohl materielle als auch energetische Bedürfnisse. Wie oben beschrieben, werden fast alle energetischen Bedürfnisse fast aller Organismen durch Zellatmung erfüllt (Kapitel 18) — die Oxidation von Kohlenhydraten durch Sauerstoff, wodurch Kohlendioxid und Wasser erzeugt werden. Die Befriedigung der materiellen Bedürfnisse heterotropher Organismen ist eine relativ einfache Geschichte; komplizierter ist es jedoch für Autotrophe, bei denen sowohl die Photosynthese (Kapitel 19) als auch die Mineralernährung (Kapitel 22), der Erwerb mineralischer Elemente wie Stickstoff und Phosphor, eine Rolle spielen. Obwohl die meisten Prokaryoten ihre materiellen und energetischen Bedürfnisse in typischer heterotropher oder autotropher Weise befriedigen, werden wir auch einige der metabolischen Diversität (Kapitel 21) betrachten, die in einigen Prokaryoten gefunden wird, die sehr unterschiedliche Muster der Befriedigung von Energie- und Materialanforderungen zeigen. Diese Vielfalt stellt einen interessanten Kontrast zu den gewohnten, normalen Lebensweisen dar und spielt auch bei der Ernährung von Pflanzen eine bedeutende Rolle, indem sie die Verfügbarkeit von Pflanzennährstoffen beeinflusst. Wir werden kurz betrachten, wie Organismen Materialien in ihrem Körper bewegen (Kapitel 24), ein Prozess, der normalerweise (aber nicht immer!) ‚benötigt Energie‘. Wir werden auch die Natur der Böden betrachten (Kapitel 23), die als Reservoire für die Nährstoffe und das Wasser dienen, die Pflanzen benötigen. Ein letzter Aspekt des Wachstums, den wir betrachten werden, sind die Wachstumsrhythmen (Kapitel 25), die Organismen, insbesondere Pflanzen, aufweisen, und wie dieses Wachstum modelliert werden kann.