eloton elämä

yksi eliöitä määrittelevistä toiminnoista on se, että ne kasvavat jossakin elämänsä vaiheessa tai koko sen alueella. Kasvu edellyttää aineen hankintaa ja sekä aineen hankinta että tämän aineen liittäminen elävään muotoon (eli biomolekyyleihin) sisältää energiaa. Tarvitaan sekä ainetta että energiaa, mutta on tärkeää pitää mielessä, että ne ovat kaksi erillistä kokonaisuutta, jotka eivät ole keskenään käännettävissä. Eliöiden toteuttamiin energiamuutoksiin liittyy aineen manipulointia, mutta niihin ei liity aineen muuntamista energiaksi. Energiaa saadaan järjestelemällä ainetta uudelleen, useimmiten muuttamalla hiilihydraatteja ja happea hiilidioksidiksi ja vedeksi. Ymmärtämistä vaikeuttaa se, että ainetta tarvitaan kahdella tavalla (Kuva. 1): (1) aineellisesti siten, että aineksista tulee osa suurempaa organismia: eliöt koostuvat hiilihydraateista, (2) energeettisesti, koska energiaa voidaan saada, kun ainetta järjestellään uudelleen, esim., muuntaa hiilihydraatteja ja happea hiilidioksidiksi ja vedeksi. Vaikka ainetta järjestellään uudelleen, sitä ei muuteta energiaksi.

aine, Energia ja termodynamiikan lait

aine ja energia ovat elämän prosessin avaintekijöitä kaikilla tasoilla: solussa, organismissa ja ekosysteemissä. Sekä aine että energia ovat tuttuja käsityksiä, mutta harhaluulot ovat yleisiä erityisesti energiasta ja aineen ja energian vuorovaikutuksesta biologisissa järjestelmissä. Asia on suoraviivainen: se on massa, vie tilaa ja voidaan luokitella elementtejä (esim., hiili, vety, happi), jotka usein ovat yleensä läsnä erityisiä seoksia kutsutaan molekyylejä (esim, hiilidioksidi, glukoosi), joilla on tyypillinen koostumus elementtejä ja on järjestetty tietyllä tavalla. Elävät olennot koostuvat aineesta, ja niillä on tunnusomainen ainekoostumus, koska ne on valmistettu biomolekyyleistä, kuten proteiineista, hiilihydraateista ja nukleiinihapoista. Elämää voi osaltaan määritellä elollisten (eliöiden) kyky hankkia materiaa ja sisällyttää se itseensä eli kasvaa. Elämä voidaan määritellä myös sen perusteella, että se kykenee manipuloimaan ainetta tyypillisillä tavoilla, joihin liittyy energian siirtoja.

vaikka aine on helppo käsite, energia on paljon vaikeasti tavoitettava; harkitse seuraavaa:

1. Energialla on kyky vaikuttaa aineeseen järjestämällä sitä uudelleen tai siirtämällä sitä paikasta toiseen.
2. energia on dynaamista ja tiettyyn ainepalaan, esim.molekyyliin, liittyvä energia riippuu olosuhteista; se on sen tilanteen funktio, jossa aine on, kuinka nopeasti se liikkuu, missä paikassa se on, erityisesti sen sijainti suhteessa muuhun aineeseen tai suhteessa sähkö -, magneetti-ja gravitaatiokenttään (joita aine ohjaa).
3. energia on systeemien ominaisuus, ts., aineen kokoontuminen tiettyyn paikkaan ja erityiset suhteet toisiinsa.
4. Energia kuvaa tietyn ainekokoonpanon (”systeemi”) kykyä muuttaa jonkin toisen aineen (toinen ”systeemi” tai ehkä ”ympäristö”) organisaatiota.
5. energia voi aiheuttaa atomien tai molekyylien liikkumisen suhteessa toisiinsa, esimerkiksi kemiallisen reaktion, tai saada kappaleen muuttamaan sijaintiaan gravitaatiokentässä (nousemaan tai putoamaan), tai aiheuttaa varautuneen molekyylin tai kappaleen muuttamaan sijaintiaan sähkökentässä.
6. aivan kuten energia voi aiheuttaa aineen liikettä, aineen liike (eli aineen vaihtuva asento) muuttaa energiasisältöä ja mahdollistaa energian ”siirtämisen” systeemistä toiseen tai molekyylistä toiseen
7. energiaa voidaan siirtää materiaaliin myös sähkömagneettisen säteilyn, sähköaaltojen ja magnetismin kautta, joita syntyy mistä tahansa aineen hiukkasesta, jonka lämpötila on yli absoluuttisen nollan (eli jokaisen aineen hiukkasen!!!).
8. sähkömagneettinen säteily on energian ”muoto”, joka on tärkeä kaikille elämänmuodoille, mutta erityisesti fotosynteettisille eliöille. Sähkömagneettisella säteilyllä on kaksijakoinen luonne, ja sitä voidaan kuvata 1) sähkö-ja magneettikenttien rytmeinä, tietyn taajuuden ja aallonpituuden omaavina aaltoina, jotka liikkuvat vakionopeudella, valonnopeudella, tai 2) energiapaketteina, joita kutsutaan fotoneiksi. Paketin energia (fotoni) liittyy sähkön ja magnetismin aaltojen aallonpituuteen. Huomaa, että nämä fotonit/sähköaallot ja magnetismi kykenevät vuorovaikutukseen aineen kanssa ja muuntamaan sitä, jolloin energia siirtyy aineeseen.
9. kaksi muuta energiaan liittyvää käsitettä ovat lämpö, joka voi vaikuttaa aineeseen muuttamalla sen liike-energiaa, muuttamalla molekyylien keskinopeutta, ja työ, joka voi muuttaa kappaleiden sijaintia gravitaatiokentässä tai ehkä keskittää kemikaaleja tiettyyn kohtaan (kemiallinen työ). Vaikka sekä lämpö että työ ovat yhteydessä energiaan ja niitä pidetään joskus energian ”muotoina”, ne voitaisiin paremmin kuvata järjestelmien välisinä tai systeemin ja sen ympäristön välisinä vuorovaikutuksina.

yhteistä sekä aineelle että energialle on se, että molemmat ovat säilyneet, mikä kuvataan niin sanotussa termodynamiikan ensimmäisessä laissa. Vaikka nykyaikainen fysiikka on osoittanut, että aine voidaan muuttaa energiaksi ja että se on niiden kollektiivinen olio (aine + energia), joka säilyy, biologisissa järjestelmissä aine ja energia eivät koskaan muutu toisiksi, ja näin ollen voimme pitää kumpaakin säilyvänä—aineesta on aina sama määrä ja sama määrä energiaa, eikä kumpaakaan luoda, tuhota tai ’kuluttaa loppuun.”Aineen säilyminen on helposti ymmärrettävissä, ainetta voidaan siirtää paikasta toiseen, esimerkiksi kertyneenä eliöön, kadotettuna (tai saatuna) leviämällä eliöstä (tai eliöön). Alkuaineet voidaan järjestää uudelleen, esimerkiksi hiili muuttuu hiilihydraatista hiilidioksidiksi soluhengityksen yhteydessä, mutta ainemäärä on vakio—sama määrä hiiliä, vetyä ja happea. Samoin (ja paljon vähemmän arvostettuna) energiaa säästyy. Sitä voidaan ’siirtää’ paikasta toiseen tai muuttaa muodosta toiseen (molekyylien järjestyessä uudelleen tai siirtyessä suhteessa toisiinsa ja suhteessa gravitaatio -, sähkö-ja magneettikenttään), mutta energian määrä on vakio, muuttumaton. Elävät järjestelmät, ei-elävät järjestelmät sekä elävien ja ei-elävien järjestelmien yhdistelmät järjestelevät ainetta uudelleen, ja järjestämällä ainetta uudelleen ne jakavat energiaa. Mutta termodynamiikan ensimmäinen laki sanoo, että kaikissa näissä uudelleenjärjestelyissä on rajoite: minkä tahansa uudelleenjärjestelyn jälkeen aineen määrän ja energian määrän on oltava sama kuin alussa.

elolliset järjestelevät ainesta jatkuvasti uudelleen: molekyylit yhdistyvät, molekyylit erkanevat kappaleiksi, molekyylit liikkuvat paikasta toiseen. Kaikissa näissä muunnoksissa aine on säilytettävä. Lisäksi energiaa on säilytettävä; näin ollen eliöt voivat vapauttaa energiaa joidenkin muunnosten aikana (koska eliössä olevan materiaalin lopullisessa järjestelyssä on vähemmän energiaa kuin alkuperäisessä järjestelyssä); tai jos lopullisessa järjestelyssä on enemmän energiaa kuin alkuperäisessä järjestelyssä, eliöiden on jollakin tavalla hankittava energiaa muutoksen aikaansaamiseksi.

koska Materia ja energia pelaavat nollasummapeleissä, niin voisi ajatella, että niiden muunnokset ovat melko tylsiä ja potentiaalisesti pyöreitä, ja tappiot yhdessä paikassa vastaavat täsmälleen voittoja jossain muualla, ja mahdollisuudet päätyä juuri sinne, mistä aloitit. Näin ei ole, murroksille on suunta ja se on puhtaasti yksisuuntainen virtaus: lähtöpisteeseen ei voi koskaan palata. Tätä rajoitetta sanelee termodynamiikan toinen laki, jonka mukaan energian säilymisestä huolimatta työn tekemiseen käytettävä energiamäärä vähenee koko ajan. Useimmille tämä lausunto on hätkähdyttävä, koska he olettavat, että kaikki energia voidaan käyttää työhön; mutta osa energiasta ei ole ’hyödyllistä’, ja toisen lain mukaan ’hyödyttömän’ energian määrä kasvaa koko ajan. Termodynamiikan toinen laki on äärimmäisen voimakas ja tämä näkyy siinä, että se voidaan määritellä monin eri tavoin. Pohjimmiltaan sen hyödyllisyys perustuu siihen, että se panee nuolen aineen uudelleenjärjestelyihin. Kun otetaan huomioon kaksi mahdollista järjestelyä, A-B, joissa molemmissa on sama määrä ainetta ja energiaa, toinen laki määrää, että uudelleenjärjestelyn suunta on aina tilanteeseen, jossa on vähemmän hyötyenergiaa. Toinen laki osoittaa, mitkä aineen uudelleenjärjestelyt ovat ’spontaaneja’, ts.tapahtuvat ’ itsestään.”Uudelleenjärjestelyjä vastakkaiseen suuntaan (ei-spontaaniin suuntaan) tapahtuu vain, jos energiaa, hyötyenergiaa, syötetään.

toinen laki lisää toisen rajoituksen muunnoksille; paitsi aineen ja energian on säilyttävä, myös käyttökelpoisen energian määrän on vähennyttävä. Tarkastellaan järjestelmää A, jossa on tietty määrä ainetta ja energiaa kerrallaan, yhtä ja samaa järjestelmää, jota nyt kutsutaan A’: ksi, aikaa myöhemmin; toinen laki määrää, että ilman vuorovaikutusta ympäristön kanssa ainoa muutos A: ssa, joka on mahdollinen, kun se siirtyy A: han’, on sellainen, jossa työn tekemiseen käytettävissä oleva energia vähenee; Niinpä kun lähdet tilanteesta A, et voi palata siihen (eli päästä A: sta’ takaisin A: han). Vaikka molempien energia on sama, työn tekemiseen käytettävissä oleva energiamäärä vähenee sen siirtyessä paikasta A paikkaan A. ” Tämä kuvastaa yhtä yleistä tapaa, jolla toinen laki voidaan todeta: ikiliikkujia ei ole. Laite ei pääse takaisin lähtöpisteeseensä ilman ”ulkopuolelta” tulevaa energiaa.

organismit, aine ja energia

miten tämä kaikki on eliöille merkittävää?? Eliöt määritellään osittain niiden kasvukyvyn perusteella, ja koska kasvu edellyttää aineen hankkimista, kaikkien eliöiden on kyettävä hankkimaan ne määrätyt materiaalit, joilla ne rakentavat itsensä. Lisäksi kasvu vaatii hyötyenergiaa, koska työtä tehdään useimpien uusien kasvua edistävien molekyylien rakentamisessa. Ymmärtämistä vaikeuttaa se, että materialla (’ruoalla’) on kaksinainen rooli: 1) aineellisesti se, että se antaa suuremman eliön osaksi tulevat Ainekset, 2) energeettisesti se tuottaa energiaa, joka tulee saataville sitä mukaa kuin aine järjestyy uudelleen. Aineen muunnokset ja eliöiden suorittamat energian siirrot kietoutuvat toisiinsa tavoilla, jotka mahdollistavat väärinkäsitysten helposti omaksumisen, mutta on tärkeää muistaa, että aine ja energia ovat kaksi eri kokonaisuutta.

mutta kasvu ei ole ainoa syy, miksi eliöt tarvitsevat ainetta, eikä se ole ainoa syy, miksi eliöt tarvitsevat energiaa.

miksi eliöt tarvitsevat energiaa

1. sen lisäksi, että tarvitsevat kasvuenergiaa, eliöt tarvitsevat energiaa, koska ne ”toimivat” fysikaalis-kemiallisessa mielessä. Ne luovat sähkökemiallisia potentiaaleja, ne kehittävät painetta, ne tuottavat voimia, jotka johtavat liikkeeseen. Erityisen merkittävää on, että ne tekevät kemiallista työtä kasvaessaan: monet Biomolekyylit koostuvat aineesta koostuvista järjestelyistä, jotka sisältävät enemmän käyttökelpoista energiaa kuin ne materiaalit, joista nämä molekyylit on rakennettu, ja siksi niiden syntetisoimiseen tarvitaan energiaa. Kasvuprosessi vaatii eliöitä uudelleenjärjestelemään materiaalia, sijoittamaan sen uudelleen tavoilla, jotka saavat uuden materiaalin omaamaan enemmän käyttökelpoista energiaa kuin mistä se on tehty. Tämä on mahdollista vain, jos eliöillä on ’energiansaanti’ ja niiden tekemä työ on mahdollista, koska osa tämän energiansaannin energiasta ”käytetään” materiaalien uudelleenjärjestelyn mahdollistamiseen. Huomaa, että energiaa säästyy, mutta hyödyllisen energian määrä, määrä, joka voidaan käyttää työhön, vähenee.
2. mutta jopa hypoteettisessa tilanteessa, jossa eliö ei kasva (tekee enemmän biomolekyylejä) eikä tee työtä (esim.liikuttelee itseään tai materiaalejaan itsessään), se tarvitsee silti energiaa vain ylläpitääkseen itseään. Eliöt ovat järjestäytyneessä tilassa, joka hajoaa spontaanisti vähemmän järjestäytyneeksi. Järjestäytyneen tilan ylläpito vaatii energiaa. Helposti ymmärrettävä esimerkki tästä on solukalvon poikki löydetty varausero, jossa sisäpuoli on negatiivinen suhteessa ulkoiseen. Tämä järjestäytynyt tilanne ’hajoaa’ spontaanisti vähemmän järjestäytyneeksi, koska sähkövoimat työntävät negatiiviset ionit ulos kalvon poikki ja positiiviset ionit sisään. Järjestäytyneen tilan ylläpitäminen vaatii energiaa, koska järjestäytymisprosessi (tässä tapauksessa ionien siirtäminen kalvon yli niin, että ne ovat keskittyneempiä yhteen paikkaan kuin toiseen) vaatii energiaa.

eliöiden energiantarve

eliöiden energiantarve tyydytetään suurelta osin hankkimalla biomolekyylejä (elintarvikkeita), yleensä hiilihydraatteja, ja käsittelemällä niitä soluhengitykseksi kutsutussa reaktioryhmässä. Soluhengitys (Luku 19) on hallittu ”palamisprosessi”, jossa hiilihydraatit reagoivat hapen kanssa (hiilihydraatit hapettuvat) tuottaen hiilidioksidia ja vettä. Jos verrataan vastaavien hiilihydraatti-ja happimäärien energiasisältöä hiilidioksidin ja veden energiasisältöön, hiilidioksidissa ja vedessä on huomattavasti vähemmän energiaa. Jos poltat hiilihydraatteja tulipalossa, energiaero vapautuu lämpönä ja valona, mutta soluhengityksessä vähemmän energiaa vapautuu lämpönä eikä yhtään valona, koska osa energiasta ”kaapataan” kemikaaleihin, erityisesti ATP: ksi kutsuttuun. Koska reaktion tuotteet (hiilidioksidi ja vesi) ovat näkymättömiä kaasuja, monet uskovat, että soluhengitys muuttaa aineen energiaksi. Mutta tämä on mahdotonta, ensimmäinen laki kieltää sen! Alkuperäinen hiili, happi ja vety ovat edelleen läsnä, juuri nyt eri muodoissa. Samoin alkuperäinen energia säilyy, mutta on nyt muodostuvassa ATP: ssä ja vapautuvassa lämpöenergiassa.

miksi eliöt menettävät materiaalia energiantarpeensa vuoksi

eliön suorittaessa soluhengitystä se tuottaa kahta ainetta (vettä ja hiilidioksidia), jotka helposti häviävät ja joskus ”tarkoituksellisesti” eliminoituvat (esim.ihmisillä, joissa hengitys eli ilmanvaihto helpottaa veden ja hiilidioksidin häviämistä). Soluhengityksen seurauksena eliöt menettävät jatkuvasti ainettaan hiilidioksidina ja vetenä, minkä vuoksi ne myös laihtuvat. Jotta hengittävä eliö siis voisi säilyttää painonsa, sen on hankittava enemmän ”ruokaa”.

aineen ja energian saaminen

tyydyttääkseen energiantarpeensa eliö tarvitsee hiilihydraatteja (tai muita biomolekyylejä), joita se käyttää soluhengityksessä. Näitä hiilihydraatteja voi saada kahdella perustavalla tavalla: (1) kuluttamalla biomolekyylejä, joita muut elolliset ovat tuottaneet—hiilihydraatteja tai molekyylejä, kuten proteiineja, jotka voivat metaboloitua tuottamaan hiilihydraatteja, tai (2) kuluttamalla itse rakennettuja hiilihydraatteja, joita syntyy reaktioissa (yleensä yhteyttävissä reaktioissa), jotka syntetisoivat hiilihydraatteja hiilidioksidista ja vedestä. Tällaisissa reaktioissa käytetään energianlähteitä (esim.auringonvaloa), jotka mahdollistavat kemiallisen reaktion, jossa tuotteilla on enemmän energiaa kuin reagoivilla aineilla. Syntetisoituja hiilihydraatteja käytetään sitten soluhengitykseen, ts., ne muuttuvat Takaisin hiilidioksidiksi ja vedeksi. Ryhmää, joka kuluttaa muiden eliöiden tuottamia hiilihydraatteja, kutsutaan heterotrofeiksi (hetero-other, troph-eat; kirjaimellisesti ’eat other’), ja eliöitä, jotka tekevät omat hiilihydraattinsa ’eat’, kutsutaan autotrofeiksi (auto-self, troph-eat; kirjaimellisesti ’itsesyöjät’). On tärkeää ymmärtää soluhengitystä tapahtuu molemmissa ryhmissä, ne eroavat vain siinä, miten ne saavat hiilihydraatteja hapettumaan soluhengityksessä.

on tärkeää pitää mielessä, että aine ja energia ovat kaksi eri asiaa, mutta ne kietoutuvat toisiinsa. Hiilihydraateissa ja hapessa oleva energia voi ”vapautua”, kun materiaali järjestyy uudelleen hiilidioksidiksi ja vedeksi. Vapautunut energia voi päätyä lämmöksi tai työksi tai molekyylien uuteen järjestykseen (esimerkiksi ATP on uudelleenjärjestelty versio ADP: stä ja epäorgaanisesta fosfaatista). Toinen laki kuitenkin edellyttää, että uuden järjestelyn kokonaisenergiamäärä (esim., hiilidioksidi, vesi ja ATP) on oltava vähemmän kykyä tehdä työtä kuin aikaisempi järjestely (tässä esimerkissä, hiilihydraatti Plus happi plus ADP plus epäorgaaninen fosfaatti).

arvostavat sitä, että ”ravinto”, jonka eliöt saavat joko löytämällä sen (heterotrofit) tai tekemällä siitä (autotrofit), palvelee kaksitoimista tehtävää, sillä se tuottaa 1) energiaa (soluhengityksen kautta) ja 2) materiaalia (erilaisten aineenvaihduntareittien kautta, joissa hiilihydraatit konfiguroidaan uudelleen tuottamaan muita biomolekyylejä (proteiineja, rasvoja, nukleiinihappoja). Jos ruoka tuottaa energiaa soluhengitysprosessin kautta, se muuttuu hiilidioksidiksi ja vedeksi, eikä näitä voida käyttää aineellisesti biomolekyylien valmistamiseen. Vaihtoehtoisesti ruoka voi tarjota ”rakennusmateriaaleja”, joista saadaan lisää solukalvoja, soluseiniä, soluentsyymejä, mutta tämä ruoka ei ”tarjoa energiaa”. Ruuasta ei voi saada samanaikaisesti sekä energiaa että rakennusmateriaaleja! Et voi ’saada’ kakkuasi (rakentaa sen kanssa) ja ’syödä’ sitä myös (käyttää sitä soluhengitykseen).

tässä eliöiden kasvua koskevassa jaksossa käsiteltävät pääaiheet on esitetty alla lihavoituna. Kasvulla on sekä aineellisia että energisiä tarpeita. Kuten edellä on kuvattu, lähes kaikkien eliöiden lähes kaikki energeettiset tarpeet saavutetaan soluhengityksellä (Luku 18)—hiilihydraattien hapettamisella hapen avulla, tuottaen hiilidioksidia ja vettä. Heterotrofisten eliöiden aineellisten tarpeiden tyydyttäminen on suhteellisen yksinkertainen tarina; se on kuitenkin monimutkaisempaa autotrofeille, joissa siihen liittyy sekä fotosynteesi (Luku 19) että mineraalien ravinto (Luku 22), kivennäisaineiden kuten typen ja fosforin hankinta. Vaikka useimmat prokaryootit täyttävät materiaaliset ja energeettiset tarpeensa tyypillisellä heterotroph-tai autotroph-tavalla, tarkastelemme myös joitakin metabolisen monimuotoisuuden (Luku 21), joka löytyy joistakin prokaryooteista, jotka paljastavat hyvin erilaisia malleja energian ja materiaalin tarpeiden tyydyttämiseksi. Monimuotoisuus on mielenkiintoinen vastakohta tutuille, normaaleille elintavoille ja sillä on myös merkittävä rooli kasvien ravitsemuksessa vaikuttamalla kasviravinteiden saatavuuteen. Tarkastelemme lyhyesti, miten organismit siirtävät materiaaleja kehossaan (Luku 24), prosessi, joka yleensä (mutta ei aina!) ”vaatii energiaa”. Tarkastelemme myös maaperän luonnetta (Luku 23), joka toimii kasvien tarvitsemien ravinteiden ja veden varastoina. Viimeinen kasvun näkökohta, jota tarkastelemme, on kasvurytmi (Luku 25), jota eliöt, erityisesti kasvit, esittävät, ja se, miten tätä kasvua voitaisiin mallintaa.