az egyik tevékenység, amely meghatározza az organizmusokat, az, hogy életük egy bizonyos pontján vagy egész életében növekednek. A növekedés megköveteli az anyag megszerzését, és mind az anyag megszerzése, mind ennek az anyagnak az élő formába (azaz biomolekulákba) történő beépítése energiát igényel. Mind anyagra, mind energiára szükség van, de fontos szem előtt tartani, hogy ezek két különálló entitás, amelyek nem konvertálhatók. Az organizmusok által végrehajtott energiaátalakítások az anyag manipulációjával járnak, de nem járnak az anyag energiává alakításával. Az energiát az anyag átrendezésével nyerik, leginkább a szénhidrátok és az oxigén szén-dioxiddá és vízzé alakításával. Ami megnehezíti a megértést, hogy az ügyre kétféleképpen van szükség (ábra. 1): (1) anyagilag, a nagyobb organizmus részévé váló anyagok biztosítása: az organizmusok szénhidrátokból készülnek, (2) energetikailag, mert az anyag átrendeződésével az energia rendelkezésre bocsátható, pl. a szénhidrátokat és az oxigént szén-dioxiddá és vízzé alakítja. Bár az anyag átrendeződik, nem alakul át energiává.
anyag, energia és a termodinamika törvényei
az anyag és az energia kulcsszerepet játszanak az élet folyamatában minden szinten: a sejtben, a szervezetben és az ökoszisztémában. Mind az anyag, mind az energia ismerős ötletek, mégis gyakoriak a téves elképzelések, különösen az energiával és az anyag és az energia kölcsönhatásával kapcsolatban a biológiai rendszerekben. Az anyag egyszerű: tömege van, helyet foglal el, és elemekbe (pl. szén, hidrogén, oxigén) sorolható, amelyek gyakran jelen vannak bizonyos molekuláknak nevezett keverékekben (pl. szén-dioxid, glükóz), amelyek jellegzetes elemösszetételűek és meghatározott módon vannak elrendezve. Az élőlények anyagból készülnek, és jellegzetes anyagösszetételük biomolekulákból, például fehérjékből, szénhidrátokból és nukleinsavakból áll. Az életet részben az élőlények (organizmusok) azon képessége határozhatja meg, hogy anyagot szerezzenek, és azt magukba foglalják, azaz növekedjenek. Az élet az alapján is meghatározható, hogy képes-e az anyagot olyan jellegzetes módon manipulálni, amely magában foglalja az energiaátadást.
míg az anyag könnyű fogalom, az energia sokkal megfoghatatlanabb; fontolja meg a következőket:
- az energia képes befolyásolni az anyagot azáltal, hogy átrendezi vagy áthelyezi egyik helyről a másikra.
- az energia dinamikus, és az adott anyagrészhez, pl. egy molekulához kapcsolódó energia a körülményektől függ; ez a helyzet függvénye, amelyben az anyag találja magát, a sebesség, amelyben mozog, a hely, amelyben van, különösen a helyzete más anyaghoz vagy az elektromos, mágneses és gravitációs mezőkhöz képest (amelyeket az anyag irányít).
- az energia a rendszerek tulajdonsága, azaz., az anyag együttese egy adott helyen, meghatározott kapcsolatokkal egymással.
- az energia leírja egy adott anyagegyüttes (egy ‘rendszer’) azon képességét, hogy megváltoztassa egy másik anyagrész (egy másik ‘rendszer’ vagy talán ‘környezet’) szerveződését.
- az energia atomok vagy molekulák egymáshoz viszonyított mozgását okozhatja, pl. kémiai reakció, vagy egy tárgy helyzetét megváltoztathatja egy gravitációs mezőben (emelkedés vagy esés), vagy egy töltött molekula vagy tárgy helyzetét megváltoztathatja egy elektromos mezőben.
- ahogy az energia az anyag mozgását okozhatja, úgy az anyag mozgása (azaz az anyag változó helyzete) megváltoztatja az energiatartalmat, és lehetővé teszi az energia ‘átvitelét’ egyik rendszerből a másikba vagy egyik molekulából a másikba
- az energia átvihető az anyagba elektromágneses sugárzás, elektromosság és mágnesesség hullámai révén is, amelyeket bármely olyan anyag bocsát ki, amelynek hőmérséklete meghaladja az abszolút nulla értéket (azaz minden anyagdarabot!!!).
- az elektromágneses sugárzás az élet minden formája számára fontos energia, de különösen a fotoszintetikus organizmusok számára. Az elektromágneses sugárzás kettős természetű, és úgy írható le, mint (1) az elektromos és mágneses mezők ritmusa, egy bizonyos frekvenciájú és hullámhosszú hullámok sorozata, állandó sebességgel mozog, a fénysebesség, vagy (2) fotonoknak nevezett energiacsomagok. A csomagban lévő energia (foton) összefügg az elektromosság és a mágnesesség hullámhosszával. Vegye figyelembe, hogy ezek a fotonok/hullámok az elektromosság és a mágnesesség képesek kölcsönhatásba lépni az anyaggal és átalakítani azt, ezáltal energiát továbbítva az anyagba.
- az energiával kapcsolatos két másik fogalom a hő, amely befolyásolhatja az anyagot annak mozgási energiájának megváltoztatásával, a molekulák mozgásának átlagos sebességének megváltoztatásával és a munkával, amely megváltoztathatja a tárgyak helyzetét egy gravitációs mezőben, vagy esetleg koncentrálhatja a vegyi anyagokat egy adott helyre (kémiai munka). Bár mind a hő, mind a munka kapcsolódik az energiához, és néha az energia ‘formáinak’ tekintik őket, jobban leírható a rendszerek vagy a rendszer és környezete közötti kölcsönhatásként.
mind az anyag, mind az energia közös jellemzője, hogy mindkettő konzervált, amit a termodinamika első törvénye ismertet. Bár a modern fizika bebizonyította, hogy az anyag energiává alakítható, és a kollektív entitásuk (anyag + energia) konzerválódik, a biológiai rendszerekben az anyag és az energia soha nem alakul át egyikből a másikba, következésképpen mindegyiket konzerváltnak tekinthetjük—mindig ugyanannyi anyag és ugyanannyi energia van, egyiket sem teremtik meg, pusztítják el vagy használják fel. Az anyag megőrzése könnyen érthető, az anyag áthelyezhető egyik helyről a másikra, például felhalmozódhat egy szervezetben, elveszhet (vagy nyerhet) egy szervezetből (vagy oda) történő diffúzióval. Az elemek átrendezhetők, például a szén szénhidrátból széndioxiddá alakul át a sejtlégzés során, de az anyag mennyisége állandó—ugyanannyi szén, hidrogén és oxigén. Hasonlóképpen (és sokkal kevésbé értékelik) az energia megőrződik. Lehet ‘mozgatni’ egyik helyről a másikra, vagy átalakítani egyik formából a másikba (mivel a molekulák egymáshoz és a gravitációs, elektromos és mágneses mezőkhöz képest átrendeződnek vagy mozognak), de az energia mennyisége állandó, változatlan. Az élő rendszerek, az élettelen rendszerek, valamint az élő és élettelen rendszerek kombinációi átrendezik az anyagot, és az anyag átrendezésével újra elosztják az energiát. De a termodinamika első törvénye kimondja, hogy mindezen átrendeződésekben van egy kényszer: minden átrendeződés után az anyag mennyiségének és az energia mennyiségének ugyanolyannak kell lennie, mint az elején.
az élőlények folyamatosan átszervezik az anyagot: a molekulák egyesülnek, a molekulák darabokra válnak szét, a molekulák egyik helyről a másikra mozognak. Mindezen átalakulások során az anyagot meg kell őrizni. Ezenkívül az energiát meg kell őrizni; következésképpen az organizmusok bizonyos átalakulások során energiát szabadíthatnak fel (mert az anyag végső elrendezésének a szervezetben kevesebb energiája van, mint a kezdeti elrendezésnek); vagy ha a végső elrendezésnek több energiája van, mint a kezdeti elrendezésnek, akkor az organizmusoknak valahogy energiát kell szerezniük az átalakulás megvalósításához.
mivel az anyag és az energia zéró összegű játékokban játszik, akkor azt gondolhatnánk, hogy átalakulásuk meglehetősen unalmas és potenciálisan kör alakú, az egyik helyszínen bekövetkező veszteségek pontosan megegyeznek a máshol elért nyereségekkel, és annak lehetősége, hogy pontosan ott végződnek, ahol elkezdted. Ez nem így van, van egy irány az átalakulásokhoz, és ez szigorúan egyirányú áramlás: soha nem térhetsz vissza a kiindulási ponthoz. Ezt a kényszert a termodinamika második törvénye diktálja, amely kimondja, hogy annak ellenére, hogy az energia konzerválódik, a munkához felhasználható energia mennyisége mindig csökken. A legtöbb ember számára ez az állítás megdöbbentő, mert azt feltételezik, hogy minden energiát munkára lehet használni; de bizonyos energia nem ‘hasznos’, és a második törvény kimondja, hogy a ‘haszontalan’ energia mennyisége mindig növekszik. A termodinamika második törvénye rendkívül erős, és ez tükröződik abban a tényben, hogy sokféleképpen definiálható. Alapvetően hasznossága abban rejlik, hogy nyilat helyez az anyag átrendeződésére. Két lehetséges elrendezést figyelembe véve, A-tól B-ig, amelyek mindegyike azonos mennyiségű anyaggal és energiával rendelkezik, a második törvény azt írja elő, hogy az átrendeződés iránya mindig egy olyan helyzet felé irányul, amelynek kevésbé hasznos energiája van. A második törvény rámutat arra, hogy az anyag milyen átrendeződései lesznek ‘spontán’, azaz önmagukban következnek be. Az ellenkező irányú (nem spontán irányú) átrendeződések csak akkor következnek be, ha energiát, hasznos energiát szolgáltatnak.
a második törvény egy második korlátot ad az átalakulásokhoz; nemcsak az anyagot és az energiát kell megőrizni, hanem a hasznos energia mennyiségét is csökkenteni kell. Gondoljunk csak egy a rendszerre, amelyben egyszerre van egy bizonyos mennyiségű anyag és energia, egy és ugyanaz a rendszer, amelyet most A’ – nak hívnak, egy idővel később; a második törvény azt diktálja, hogy a környezettel való kölcsönhatást kizárva az A-ban az egyetlen lehetséges változás, amikor az a’ – ra való átmenet során csökken a munka elvégzéséhez rendelkezésre álló energia; így ha egyszer elhagyod az A helyzetet, nem tudsz visszatérni hozzá (azaz A’ – ból vissza a-ba). Bár mindkettőben ugyanaz az energia, a munkához rendelkezésre álló energia mennyisége csökken, amikor a-ról A-ra vált.’ ez tükrözi a második törvény egyik leggyakoribb módját: nincsenek örökmozgó gépek. Egy eszköz nem juthat vissza oda, ahonnan indult, külső energia nélkül.
organizmusok, anyag és energia
hogyan jelent mindez az organizmusok számára?? Az organizmusokat részben a növekedési képességük határozza meg, és mivel a növekedés megköveteli az anyag megszerzését, minden organizmusnak képesnek kell lennie arra, hogy megszerezze azokat a konkrét anyagokat, amelyekkel maguk építik fel magukat. Sőt, a növekedés hasznos energiát igényel, mivel a legtöbb új molekula felépítésében munkát végeznek a növekedés érdekében. A megértést bonyolítja, hogy az anyag (‘étel’) kettős szerepet játszik: (1) anyagilag biztosítja azokat az anyagokat, amelyek a nagyobb organizmus részévé válnak, (2) energetikailag biztosítja az energiát, amely az anyag átrendeződésekor rendelkezésre áll. Az anyag átalakulása és az organizmusok által végrehajtott energiaátadás olyan módon összefonódik, hogy a tévhitek könnyen megszerezhetők legyenek, de fontos megjegyezni, hogy az anyag és az energia két különböző entitás.
de nem a növekedés az egyetlen oka annak, hogy az organizmusoknak anyagra van szükségük, és nem ez az egyetlen oka annak, hogy az organizmusoknak energiára van szükségük.
miért van szükségük az organizmusoknak energiára
- amellett, hogy energiára van szükségük a növekedéshez az organizmusoknak energiára van szükségük, mert fizikai/kémiai értelemben dolgoznak. Elektrokémiai potenciált hoznak létre, nyomást fejlesztenek ki, olyan erőket generálnak, amelyek mozgást eredményeznek. Különösen jelentős, hogy növekedésük során kémiai munkát végeznek: sok biomolekula olyan anyagrendezésekből áll, amelyek hasznosabb energiát tartalmaznak, mint azok az anyagok, amelyekből ezeket a molekulákat felépítik, ezért energiára van szükség azok szintetizálásához. A növekedés folyamata megköveteli, hogy az organizmusok átrendezzék az anyagot, áthelyezzék azt oly módon, hogy az új anyag hasznosabb energiával rendelkezzen, mint amiből készült. Ez csak akkor lehetséges, ha az organizmusoknak van ‘energiaellátásuk’, és az általuk végzett munka azért lehetséges, mert az energiaellátás egy részét az anyagok átrendeződésének lehetővé tételére használják fel. Ne feledje, hogy az energia konzerválódik, de a hasznos energia mennyisége, a munkához felhasználható mennyiség csökken.
- de még abban a hipotetikus helyzetben is, amikor egy szervezet nem növekszik (több biomolekulát hoz létre), és nem végez munkát (például mozgatja magát vagy anyagokat önmagában), akkor is energiára lenne szüksége, hogy fenntartsa magát. Az organizmusok szervezett állapotban léteznek, amely spontán lebomlik egy kevésbé szervezett állapotba. A szervezett állam fenntartása energiát igényel. Ennek könnyen érthető példája magában foglalja a sejtmembránon található töltéskülönbséget, a belseje negatív a külsőhöz képest. Ez a szervezett helyzet spontán ‘lebomlik’ egy kevésbé szervezettre, mert az elektromos erők kiszorítják a negatív ionokat a membránon keresztül, a pozitív ionokat pedig befelé. A szervezett állapot fenntartása energiát igényel, mert a szerveződés folyamata (ebben az esetben az ionok membránon történő mozgatása, így az egyik helyen koncentráltabbak, mint a másikban) energiát igényel.
hogyan nyerik az organizmusok az energiát?
az organizmusok energetikai szükségleteit nagyrészt biomolekulák (élelmiszer), általában szénhidrátok beszerzésével és a sejtlégzésnek nevezett reakciók csoportjában történő feldolgozásával elégítik ki. A sejtlégzés (19. fejezet) egy szabályozott ‘égési’ folyamat, melynek során a szénhidrátok oxigénnel reagálnak (a szénhidrátok oxidálódnak), szén-dioxidot és vizet hozva létre. Ha összehasonlítjuk az ekvivalens mennyiségű szénhidrát plusz oxigén energiatartalmát a szén-dioxid plusz víz energiatartalmával, akkor lényegesen kevesebb energia van a szén-dioxid plusz vízben. Ha szénhidrátot égetünk a tűzben, az energiakülönbség hő és fény formájában szabadul fel, de a sejtlégzésben kevesebb energia szabadul fel hő formájában, és semmi sem fényként, mert bizonyos energiát a vegyi anyagok, különösen az ATP-nek nevezett energia vesz fel. Mivel a reakció termékei (szén-dioxid és víz) láthatatlan gázok, sokan úgy vélik, hogy a sejtlégzés az anyagot energiává alakítja. De ez lehetetlen, az első törvény tiltja! Az eredeti szén, oxigén és hidrogén még mindig jelen van, csak most különböző formákban. Hasonlóképpen, az eredeti energia megmarad, de most jelen van a képződő ATP-ben és a felszabaduló hőenergiában.
miért veszítenek anyagot az organizmusok energetikai szükségleteik miatt?
mivel egy szervezet sejtlégzést végez, két olyan anyagot (vizet és szén-dioxidot) termel, amelyek könnyen elvesznek, és néha szándékosan eliminálódnak (pl. az emberekben, ahol a légzés, azaz a szellőzés megkönnyíti a víz és a szén-dioxid elvesztését). A sejtlégzés következtében az organizmusok szén-dioxidként és vízként folyamatosan veszítenek anyagukból, következésképpen fogynak is. Így a súlyának fenntartása érdekében a lélegző szervezetnek több táplálékot kell szereznie.
anyag és energia megszerzése
energetikai szükségleteik kielégítése érdekében a szervezetnek szüksége van a szénhidrátok (vagy más biomolekulák) ellátására a sejtlégzéshez. Ezeket a szénhidrátokat két alapvető módon lehet előállítani: (1) olyan biomolekulák fogyasztásával, amelyeket más élőlények állítottak elő—szénhidrátok vagy molekulák, például fehérjék, amelyek metabolizálhatók szénhidrátok előállítására, vagy (2) saját készítésű szénhidrátok fogyasztásával, amelyek reakciókban keletkeznek (általában fotoszintetikus reakciók), amelyek szénhidrátokat szintetizálnak szén-dioxidból és vízből. Az ilyen reakciók energiaforrásokat (például napfényt) használnak, amelyek lehetővé teszik a kémiai reakció bekövetkezését, ahol a termékek több energiával rendelkeznek, mint a reagensek. A szintetizált szénhidrátokat ezután a sejtlégzés táplálására használják, azaz. ezek szén-dioxiddá és vízzé alakulnak vissza. Azt a csoportot, amely más organizmusok által termelt szénhidrátokat fogyaszt, heterotrófoknak nevezzük (hetero-other, troph-eat; szó szerint’ egyél másokat’), és azokat az organizmusokat, amelyek saját szénhidrátjaikat’ enni ‘nevezik autotrófoknak (auto-self, troph-eat; szó szerint’önevők’). Fontos felismerni, hogy a sejtlégzés mindkét csoportban előfordul, csak abban különböznek egymástól, hogy miként szereznek szénhidrátokat, amelyek oxidálódnak a sejtlégzésben.
fontos szem előtt tartani, hogy az anyag és az energia két különböző dolog, de egymásba fonódnak. A szénhidrátokban és az oxigénben lévő energia felszabadulhat, ha az anyagot szén-dioxiddá és vízzé alakítják át. A felszabadult energia hő, munka vagy molekulák új elrendezésében végződhet (pl. az ATP az ADP és a szervetlen foszfát átrendezett változata). Azonban a második törvény előírja, hogy a teljes energia mennyisége az új elrendezés (pl., szén-dioxidnak, víznek és ATP-nek) kevesebb munkaképességgel kell rendelkeznie, mint a korábbi elrendezésnek (ebben a példában szénhidrát plusz oxigén plusz ADP plusz szervetlen foszfát).
értékeljük, hogy az’ élelmiszer’, amelyet az organizmusok találnak (heterotrófok) vagy előállítanak (autotrófok), kettős funkciót tölt be: (1) energiát (sejtlégzés) és (2) anyagot szolgáltat (különféle anyagcsere-utakon keresztül, ahol a szénhidrátokat átalakítják más biomolekulák (fehérjék, zsírok, nukleinsavak) előállítására. Ha az élelmiszer a sejtlégzés folyamatán keresztül energiát szolgáltat, akkor szén-dioxiddá és vízzé alakul, és ezeket nem lehet anyagilag felhasználni biomolekulák előállítására. Alternatív megoldásként az élelmiszer olyan építőanyagokat is szolgáltathat, amelyeket több sejtmembrán, sejtfal, sejtenzim előállítására használnak, de ez az élelmiszer nem biztosít energiát. Az élelmiszer nem képes egyszerre energiát és építőanyagokat biztosítani! Nem lehet ‘megenni’ a tortádat (építeni vele) és ‘megenni’ is (sejtlégzéshez használni).
az ebben a szakaszban az organizmusok növekedéséről szóló főbb témákat az alábbiakban félkövér betűkkel vázoljuk fel. A növekedésnek mind anyagi, mind energetikai igényei vannak. Amint azt fentebb leírtuk, szinte minden szervezet szinte minden energetikai szükségletét a sejtlégzés (18.fejezet)—a szénhidrátok oxigénnel történő oxidációja, szén-dioxid és víz előállítása révén-valósítja meg. A heterotróf szervezetek anyagi szükségleteinek kielégítése viszonylag egyszerű történet; az autotrófoknál azonban bonyolultabb, ahol mind a fotoszintézis (19.fejezet), mind az ásványi táplálkozás (22. fejezet) magában foglalja az ásványi elemek, például a nitrogén és a foszfor megszerzését. Bár a legtöbb prokarióta tipikus heterotróf vagy autotróf módon elégíti ki anyagi és energetikai szükségleteit, figyelembe vesszük a metabolikus sokféleséget is (21.fejezet), amely néhány prokariótában megtalálható, amelyek nagyon különböző mintákat fednek fel az energia-és anyagigény kielégítésére. Ez a sokféleség érdekes ellentétben áll az ismerős, normális életmóddal, és jelentős szerepet játszik a növények táplálkozásában is, mivel befolyásolja a növényi tápanyagok elérhetőségét. Röviden megvizsgáljuk, hogy az organizmusok hogyan mozgatják az anyagokat a testükben (24. fejezet), Ez a folyamat általában (de nem mindig!) ‘energiát igényel’. Figyelembe vesszük a talajok természetét is (23. fejezet), amelyek a növények számára szükséges tápanyagok és víz tárolóiként szolgálnak. A növekedés utolsó aspektusa, amelyet figyelembe fogunk venni, a növekedés ritmusa (25.fejezet), amelyet az organizmusok, különösen a növények mutatnak, és hogyan lehet ezt a növekedést modellezni.