Una de las actividades que definen a los organismos es que en algún momento de su vida, o a lo largo de ella, crecen. El crecimiento requiere la adquisición de materia y tanto la adquisición de materia como la incorporación de este material en una forma viva (es decir, en biomoléculas) implica energía. Tanto la materia como la energía son necesarias, pero es importante tener en cuenta que son dos entidades distintas que NO son interconvertibles. Las transformaciones de energía que llevan a cabo los organismos implican manipulaciones de la materia, pero NO implican convertir la materia en energía. La energía se obtiene reorganizando la materia, principalmente convirtiendo los carbohidratos y el oxígeno en dióxido de carbono y agua. Lo que complica la comprensión es que la materia se necesita de dos maneras (Fig. 1): (1) materialmente, proporcionando los materiales que se convierten en parte del organismo más grande: los organismos están hechos de carbohidratos, (2) energéticamente, porque la energía puede estar disponible a medida que la materia se reorganiza, p. ej., convirtiendo carbohidratos y oxígeno en dióxido de carbono y agua. Aunque la materia se está reorganizando, no se está transformando en energía.
La materia, la Energía y las Leyes de la Termodinámica
La materia y la energía son actores clave en el proceso de la vida en todos los niveles: célula, organismo y ecosistema. Tanto la materia como la energía son ideas familiares, sin embargo, los conceptos erróneos son comunes, especialmente sobre la energía y la interacción entre la materia y la energía en los sistemas biológicos. La materia es sencilla: tiene masa, ocupa espacio y se puede clasificar en elementos (por ejemplo, carbono, hidrógeno, oxígeno) que a menudo están presentes en mezclas específicas denominadas moléculas (por ejemplo, dióxido de carbono, glucosa) que tienen una composición característica de elementos y están dispuestas de maneras específicas. Los seres vivos están hechos de materia y tienen una composición material característica, que está hecha de biomoléculas como proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos. La vida puede definirse en parte por la capacidad de los seres vivos (organismos) para adquirir materia e incorporarla a sí mismos, es decir, para crecer. La vida también se puede definir sobre la base de su capacidad para manipular la materia de formas características que implican transferencias de energía.
Mientras que la materia es un concepto fácil, la energía es mucho más difícil de alcanzar; considere lo siguiente:
- La energía tiene la capacidad de afectar a la materia reorganizándola o moviéndola de un lugar a otro.
- La energía es dinámica y la energía asociada a un pedazo de materia dado, por ejemplo, una molécula, depende de las circunstancias; es una función de la situación en la que se encuentra la materia, la velocidad en la que se mueve, la ubicación en la que se encuentra, en particular su posición con respecto a otra materia o con respecto a los campos eléctricos, magnéticos y gravitacionales (que son controlados por la materia).
- la Energía es una propiedad de los sistemas, es decir,, un conjunto de materia en un lugar en particular y con relaciones específicas entre sí.
- La energía describe la capacidad de un conjunto dado de materia (un ‘sistema’) para cambiar la organización de otro pedazo de materia (otro ‘sistema’ o quizás ‘el entorno’).
- La energía podría causar que átomos o moléculas se muevan en relación entre sí, por ejemplo, una reacción química, o que un objeto cambie de posición en un campo gravitacional (subida o bajada), o que una molécula u objeto cargado cambie de posición en un campo eléctrico.
- Así como la energía puede causar movimiento de la materia, el movimiento de la materia (es decir, la posición cambiante de la materia) cambia el contenido de energía y permite que la energía se «transfiera» de un sistema a otro o de una molécula a otra
- La energía también se puede transferir al material a través de radiación electromagnética, ondas de electricidad y magnetismo que son emitidas por cualquier bit de materia con una temperatura por encima del cero absoluto (es decir, ¡cada bit de materia!!!).
- La radiación electromagnética es una «forma» de energía que es importante para todas las formas de vida, pero especialmente para los organismos fotosintéticos. La radiación electromagnética tiene una naturaleza dual y se puede describir como (1) un ritmo de campos eléctricos y magnéticos, una serie de ondas con una cierta frecuencia y longitud de onda, que se mueven a una velocidad constante, la velocidad de la luz, o (2) paquetes de energía llamados fotones. La energía en un paquete (un fotón) está relacionada con la longitud de onda de las ondas de electricidad y magnetismo. Tenga en cuenta que estos fotones/ondas de electricidad y magnetismo son capaces de interactuar con la materia y transformarla, transfiriendo así energía a la materia.
- Otros dos conceptos relacionados con la energía son el calor, que puede afectar a la materia cambiando su energía cinética, cambiando la velocidad media de movimiento de las moléculas, y el trabajo, que puede cambiar la posición de los objetos en un campo gravitacional, o tal vez concentrar productos químicos en un punto en particular (trabajo químico). Si bien tanto el calor como el trabajo están conectados a la energía y a veces se consideran «formas» de energía, es mejor describirlas como interacciones entre sistemas o entre un sistema y su entorno.
Una característica común de la materia y la energía es que ambas se conservan, algo descrito en lo que se conoce como la primera ley de la termodinámica. Aunque la física moderna ha demostrado que la materia se puede convertir en energía y que es su entidad colectiva (materia + energía) la que se conserva, en los sistemas biológicos la materia y la energía NUNCA se convierten una a la otra y, en consecuencia, podemos considerar que cada una se conserva: siempre hay la misma cantidad de materia y la misma cantidad de energía, ninguna de las dos es creada, destruida o «agotada».»La conservación de la materia es fácil de entender, la materia se puede mover de un lugar a otro, por ejemplo, acumulada en un organismo, perdida (o ganada) por difusión desde (o hacia) un organismo. Los elementos se pueden reorganizar, por ejemplo, el carbono se transforma de carbohidrato a dióxido de carbono en el proceso de respiración celular, pero la cantidad de materia es constante, el mismo número de carbonos, hidrógenos y oxígenos. De manera similar (y mucho menos apreciada), la energía se conserva. Se puede «mover» de un lugar a otro, o transformarse de una forma a otra (a medida que las moléculas se reorganizan o se mueven entre sí y en relación con los campos gravitacionales, eléctricos y magnéticos), pero la cantidad de energía es constante e inmutable. Los sistemas vivos, los sistemas no vivos y las combinaciones de sistemas vivos y no vivos reorganizan la materia, y al reorganizar la materia redistribuyen la energía. Pero la primera ley de la termodinámica establece que en todos estos reordenamientos hay una restricción: después de cualquier reordenamiento, la cantidad de materia y la cantidad de energía deben ser las mismas que en el principio.
Los seres vivos reorganizan constantemente la materia: las moléculas se combinan, las moléculas se separan en pedazos, las moléculas se mueven de un lugar a otro. En todas estas transformaciones, la materia debe ser conservada. Además, la energía debe conservarse; en consecuencia, los organismos pueden liberar energía durante algunas transformaciones (porque la disposición final del material en el organismo tiene menos energía que la disposición inicial); o, si la disposición final tiene más energía que la inicial, los organismos deben de alguna manera haber adquirido energía para provocar la transformación.
Dado que la materia y la energía juegan en juegos de suma cero, uno podría pensar que sus transformaciones son bastante tediosas y potencialmente circulares, con pérdidas en un lugar que se igualan exactamente con ganancias en otro lugar, y el potencial de terminar exactamente donde comenzó. Este no es el caso, hay una dirección para las transformaciones y es estrictamente un flujo unidireccional: nunca se puede volver al punto de partida. Esta restricción está dictada por la segunda ley de la termodinámica, que establece que a pesar del hecho de que la energía se conserva, la cantidad de energía que se puede usar para hacer el trabajo siempre está disminuyendo. Para la mayoría, esta afirmación es sorprendente porque asumen que toda la energía se puede usar para hacer trabajo; pero alguna energía no es ‘útil’ y la segunda ley establece que la cantidad de energía ‘inútil’ siempre está aumentando. La segunda ley de la termodinámica es extremadamente poderosa y esto se refleja en el hecho de que se puede definir de varias maneras. Fundamentalmente, su utilidad radica en el hecho de que pone una flecha en los reordenamientos de la materia. Dados dos arreglos posibles, de A a B, cada uno con la misma cantidad de materia y energía, la segunda ley dicta que la dirección del reordenamiento siempre será hacia una situación que tenga menos energía útil. La segunda ley señala qué reorganizaciones de la materia serán ‘espontáneas’, es decir, ocurrirán ‘ por sí solas.’Los reordenamientos en la dirección opuesta (la dirección no espontánea) solo ocurrirán si se suministra energía, energía útil.
La segunda ley añade una segunda restricción a las transformaciones; no solo se debe conservar la materia y la energía, sino que la cantidad de energía útil debe disminuir. Considere un sistema A con una cierta cantidad de materia y energía a la vez, uno y el mismo sistema, ahora llamado A’, un tiempo después; la segunda ley dicta que, salvo interacción con el entorno, el único cambio en A que es posible a medida que transita a A’ es uno en el que hay una disminución en la energía disponible para hacer el trabajo; por lo tanto, una vez que sale de la situación A, no puede regresar a ella (es decir, pasar de A’ a A). Aunque la energía en ambos es la misma, la cantidad de energía disponible para hacer el trabajo disminuye a medida que transita de A a A.’ Esto refleja una de las formas comunes en que se puede establecer la segunda ley: no hay máquinas de movimiento perpetuo. Un dispositivo no puede volver a donde empezó sin energía del ‘exterior’.
Organismos, materia y energía
¿Cómo es todo esto significativo para los organismos?? Los organismos se definen en parte por su capacidad de crecer y, dado que el crecimiento requiere la adquisición de materia, todos los organismos deben ser capaces de adquirir los materiales específicos con los que se construyen. Además, el crecimiento requiere energía útil porque se trabaja en la construcción de la mayoría de las moléculas nuevas para el crecimiento. Lo que complica la comprensión es que la materia (‘alimento’) juega un doble papel: (1) materialmente, proporcionando los materiales que se convierten en parte del organismo más grande, (2) energéticamente, proporcionando energía que se hace disponible a medida que la materia se reorganiza. Las transformaciones de la materia y las transferencias de energía realizadas por los organismos están entrelazadas de manera que permiten que se adquieran fácilmente conceptos erróneos, pero es importante recordar que la materia y la energía son dos entidades diferentes.
Pero el crecimiento no es la única razón por la que los organismos necesitan materia y no es la única razón por la que los organismos necesitan energía.
Por qué los organismos necesitan energía
- Además de necesitar energía para el crecimiento, los organismos necesitan energía porque «trabajan» en un sentido físico/químico. Crean potenciales electroquímicos, desarrollan presión, generan fuerzas que resultan en movimiento. Particularmente significativo es que realizan trabajo químico a medida que crecen: muchas biomoléculas consisten en arreglos de materia que contienen más energía útil que los materiales a partir de los cuales se construyen estas moléculas, y por lo tanto se necesita energía para sintetizarlas. El proceso de crecimiento requiere que los organismos reorganicen el material, lo reposicionen, de manera que el nuevo material posea más energía útil de la que estaba hecho. Esto solo es posible si los organismos tienen un «suministro de energía» y el trabajo que realizan es posible porque parte de la energía en este suministro se «utiliza» para permitir la reorganización de los materiales. Tenga en cuenta que la energía se conserva, pero la cantidad de energía útil, la cantidad que se puede usar para hacer el trabajo, disminuye.
- Pero incluso en la situación hipotética en la que un organismo no está creciendo (haciendo más biomoléculas) y no está haciendo trabajo (por ejemplo, moviéndose o materiales dentro de sí mismo), todavía necesitaría energía simplemente para mantenerse. Los organismos existen en un estado organizado que se degrada espontáneamente a un estado menos organizado. El mantenimiento del estado organizado requiere energía. Un ejemplo fácil de entender de esto implica la diferencia de carga que se encuentra a través de la membrana celular, con el interior negativo en relación con el exterior. Esta situación organizada espontáneamente se «descompone» en una menos organizada porque las fuerzas eléctricas empujan iones negativos a través de la membrana y los iones positivos hacia adentro. El mantenimiento del estado organizado requiere energía porque el proceso de organización (en este caso, mover iones a través de una membrana para que estén más concentrados en un lugar que en otro) requiere energía.
Cómo los organismos obtienen energía
Las necesidades energéticas de los organismos se satisfacen en gran medida mediante la adquisición de biomoléculas (alimentos), generalmente carbohidratos, y su procesamiento en un grupo de reacciones llamadas respiración celular. La respiración celular (Capítulo 19) es un proceso controlado de «combustión» en el que los carbohidratos reaccionan con el oxígeno (los carbohidratos se oxidan), produciendo dióxido de carbono y agua. Si se compara el contenido de energía de cantidades equivalentes de carbohidratos más oxígeno con el contenido de dióxido de carbono más agua, hay sustancialmente menos energía en dióxido de carbono más agua. Si quemamos carbohidratos en un incendio, la diferencia de energía se libera como calor y luz, pero en la respiración celular, se libera menos energía como calor y ninguna como luz, porque algo de energía se «captura» en productos químicos, en particular uno llamado ATP. Debido a que los productos de la reacción (dióxido de carbono y agua) son gases invisibles, muchos creen que la respiración celular convierte la materia en energía. Pero esto es imposible, la primera ley lo prohíbe! El carbono, el oxígeno y el hidrógeno originales todavía están presentes, ahora mismo en diferentes formas. De manera similar, la energía original permanece, pero ahora está presente en el ATP que se forma y en la energía térmica que se libera.
Por qué los organismos pierden material debido a sus necesidades energéticas
A medida que un organismo lleva a cabo la respiración celular, produce dos materiales (agua y dióxido de carbono) que se pierden fácilmente y, a veces, se eliminan «a propósito» (por ejemplo, en los seres humanos, donde la respiración, es decir, la ventilación, facilita la pérdida de agua y dióxido de carbono). Como consecuencia de la respiración celular, los organismos están perdiendo continuamente materia en forma de dióxido de carbono y agua y, en consecuencia, también están perdiendo peso. Por lo tanto, para mantener su peso, un organismo que respira debe adquirir más «alimento».
Obtención de materia y energía
Para satisfacer sus necesidades energéticas, un organismo requiere un suministro de carbohidratos (u otras biomoléculas) para utilizarlos en la respiración celular. Estos carbohidratos se pueden obtener de dos maneras básicas: (1) mediante el consumo de biomoléculas que han sido producidas por otros seres vivos, carbohidratos o moléculas como proteínas que pueden metabolizarse para producir carbohidratos o (2) mediante el consumo de carbohidratos «autoconstruidos» que se producen en reacciones (generalmente reacciones fotosintéticas) que sintetizan carbohidratos a partir de dióxido de carbono y agua. Tales reacciones utilizan «fuentes» de energía (por ejemplo, luz solar) que permiten que ocurra una reacción química donde los productos tienen más energía que los reactivos. Los carbohidratos sintetizados se utilizan entonces para alimentar la respiración celular, es decir., se convierten de nuevo en dióxido de carbono y agua. El grupo que consume carbohidratos que otros organismos han producido se denomina heterótrofos (hetero-otros, troph-comer; literalmente ‘comer a otros’), y los organismos que fabrican sus propios carbohidratos para ‘comer’ se denominan autótrofos (auto-auto, troph-comer; literalmente ‘comedores propios’). Es importante darse cuenta de que la respiración celular ocurre en ambos grupos, que difieren solo en la forma en que adquieren carbohidratos para ser oxidados en la respiración celular.
Es fundamental tener en cuenta que la materia y la energía son dos cosas diferentes, pero están entrelazadas. La energía que está presente en los carbohidratos y el oxígeno puede «liberarse» cuando el material se reorganiza en dióxido de carbono y agua. La «energía liberada» podría terminar como calor, o como trabajo, o en una nueva disposición de moléculas (por ejemplo, ATP es una versión reorganizada de ADP más fosfato inorgánico). Sin embargo, la segunda ley requiere que la cantidad total de energía en el nuevo arreglo (p. ej., dióxido de carbono, agua y ATP) deben poseer menos capacidad para trabajar que la disposición anterior (en este ejemplo, carbohidratos más oxígeno más ADP más fosfato inorgánico).
Apreciar que el «alimento» que obtienen los organismos, ya sea encontrándolo (heterótrofos) o haciéndolo (autótrofos), cumple una doble función, proporcionando (1) energía (a través de la respiración celular) y (2) material (a través de una variedad de vías metabólicas donde los carbohidratos se reconfiguran para producir otras biomoléculas (proteínas, grasas, ácidos nucleicos). Si los alimentos proporcionan energía a través del proceso de respiración celular, se transforman en dióxido de carbono y agua, que no se pueden utilizar materialmente para fabricar biomoléculas. Alternativamente, los alimentos pueden proporcionar «materiales de construcción» que se utilizan para fabricar más membranas celulares, paredes celulares y enzimas celulares, pero estos alimentos NO «proporcionarán energía». ¡Los alimentos no pueden proporcionar energía y materiales de construcción al mismo tiempo! No puedes ‘tener’ tu pastel (construir con él) y ‘comerlo’ también (usarlo para la respiración celular).
Los principales temas que se tratarán en esta sección sobre el crecimiento de los organismos se reseñan en negrita a continuación. El crecimiento tiene necesidades materiales y energéticas. Como se describió anteriormente, casi todas las necesidades energéticas de casi todos los organismos se logran mediante la respiración celular (Capítulo 18), la oxidación de carbohidratos por oxígeno, produciendo dióxido de carbono y agua. Satisfacer las necesidades materiales de los organismos heterótrofos es una historia relativamente simple; sin embargo, es más complicado para los autótrofos, donde involucra tanto la fotosíntesis (Capítulo 19) como la nutrición mineral (Capítulo 22), la adquisición de elementos minerales como nitrógeno y fósforo. Aunque la mayoría de los procariotas satisfacen sus necesidades materiales y energéticas de manera heterótrofa o autótrofa típica, también consideraremos parte de la diversidad metabólica (Capítulo 21) que se encuentra en algunos procariotas que revelan patrones muy diferentes de satisfacer los requisitos energéticos y materiales. Esta diversidad es un contraste interesante con las formas de vida familiares y normales y también juega un papel importante en la nutrición de las plantas al influir en la disponibilidad de nutrientes para las plantas. Consideraremos brevemente cómo los organismos mueven materiales a través de sus cuerpos (Capítulo 24), un proceso que generalmente (¡pero no siempre!) «requiere energía». También consideraremos la naturaleza de los suelos (Capítulo 23), que sirven como reservorios para los nutrientes y el agua que las plantas requieren. Un aspecto final del crecimiento que consideraremos son los ritmos de crecimiento (Capítulo 25) que exhiben los organismos, especialmente las plantas, y cómo se podría modelar este crecimiento.