無生物

生物を定義する活動の一つは、人生のある時点で、またはそれを通して、彼らが成長するということです。 成長には物質の獲得が必要であり、物質の獲得とこの物質の生きた形態への取り込み（すなわち生体分子への）の両方にはエネルギーが必要である。 物質とエネルギーの両方が必要ですが、それらは相互変換できない二つの別個の実体であることに留意することが重要です。 生物が行うエネルギー変換は、物質の操作を伴うが、彼らはエネルギーに物質を変換することを伴わない。 エネルギーは、主に炭水化物と酸素を二酸化炭素と水に変換することによって、物質を再配置することによって得られます。 理解を複雑にするのは、物質が二つの方法で必要とされるということです（図。 1):(1)物質的に,より大きな生物の一部になる材料を提供する:生物は炭水化物で作られています,(2)エネルギー的に,物質が再配置されるようにエネルギーが利用可能にすることができるので、,例えば. 炭水化物と酸素を二酸化炭素と水に変換します。 物質は再配置されていますが、エネルギーに変換されていません。

物質、エネルギー、熱力学の法則

物質とエネルギーは、細胞、生物、生態系のあらゆるレベルでの生命の過程における重要なプレーヤーです。 物質とエネルギーの両方はよく知られたアイデアですが、特にエネルギーと生物系における物質とエネルギーの相互作用についての誤解は一般的です。 物質は簡単です：それは質量を持ち、空間を占有し、多くの場合、通常、要素の特徴的な組成を有し、特定の方法で配置されている分子（例えば、二酸化炭素、グルー 生物は物質でできており、タンパク質、炭水化物、核酸などの生体分子でできている特徴的な材料組成を持っています。 生命は、生物（生物）が物質を獲得し、それを自分自身に組み込む能力、すなわち成長する能力によって部分的に定義される可能性があります。 生命はまた、エネルギー移動を伴う特徴的な方法で物質を操作する能力に基づいて定義することができる。

物質は簡単な概念ですが、エネルギーははるかにとらえどころのないものです。:

1. エネルギーは、物質を並べ替えたり、ある場所から別の場所に移動したりすることによって物質に影響を与える能力を持っています。
2. エネルギーは動的であり、物質の与えられたビット、例えば分子に関連するエネルギーは状況に依存する;それは、物質が自分自身を見つける状況、それが動いている速度、それが存在する位置、特に他の物質に対する相対的な位置、または電気、磁気および重力場（物質によって制御される）に対する相対的な位置の関数である。
3. エネルギーはシステムの性質である。、特定の場所で、お互いに特定の関係を持つ物質の集合。
4. エネルギーは、特定の物質の集合体（「システム」）が別の物質（別の「システム」またはおそらく「周囲」）の組織を変える能力を表しています。
5. エネルギーは、化学反応などの関係で原子や分子を移動させたり、重力場での位置を変化させたり（上昇または下降）、荷電した分子や物体を電場での位置を変化させたりする可能性がある。
6. エネルギーが物質の動きを引き起こすのと同じように、物質の動き（すなわち、物質の位置を変える）はエネルギー含有量を変化させ、エネルギーをあるシステムから別のシステムへ、またはある分子から別の
7. エネルギーは、絶対零度を超える温度を持つ物質の任意のビット（すなわち、物質のすべてのビット）によって放出される電磁放射、電気波、磁気を介して物質に伝達することもできる。!!).
8. 電磁放射は、あらゆる生命体にとって重要なエネルギーの「形態」であるが、特に光合成生物にとっては重要である。 電磁放射は二重の性質を持ち、（1）電場と磁場のリズム、一定の周波数と波長を持つ一連の波、一定の速度、光の速度、または（2）光子と呼ばれるエネルギーのパケ パケット（光子）内のエネルギーは、電気と磁気の波の波長に関連しています。 これらの光子/電気と磁気の波は、物質と相互作用してそれを変換し、それによってエネルギーを物質に伝達することができることに注意してくださ
9. エネルギーに関連する他の二つの概念は、その運動エネルギーを変更することにより、物質に影響を与えることができる熱、分子が移動している平均速度を変更すること、および重力場内の物体の位置を変更することができる仕事、またはおそらく特定の場所に化学物質を集中させることができる（化学的仕事）である。 熱と仕事の両方がエネルギーに接続されており、時にはエネルギーの”形態”と考えられていますが、システム間またはシステムとその周囲との間の相互作用

物質とエネルギーの両方の共通の特徴は、両方が保存されていることであり、熱力学の第一法則として知られているものに記載されています。 現代の物理学は、物質がエネルギーに変換することができ、それが保存されている彼らの集合体（物質+エネルギー）であることを実証しているが、生物学的システ「物質の保存は容易に理解され、物質はある場所から別の場所に移動することができ、例えば生物に蓄積され、生物からの（または生物への）拡散によって失われた（または獲得された）。 例えば、細胞呼吸の過程で炭水化物から二酸化炭素に変換された炭素であるが、物質の量は一定であり、炭素、水素および酸素の数は同じである。 同様に（そしてあまり高く評価されていない）、エネルギーは保存されています。 それは、場所から場所へ「移動」することも、ある形態から別の形態へと変換することもできます（分子が互いに相対的に、重力、電気、磁場に対して再配置され、移動されるように）が、エネルギーの量は一定で、不変です。 生きているシステム、非生きているシステムおよび生きているおよび非生きているシステムの組合せは問題を再配列し、問題を再配列することに しかし、熱力学の第一法則は、これらのすべての再配置には制約があると述べています：再配置の後、物質の量とエネルギーの量は最初と同じでなければ

生物は常に物質を再編成する：分子は結合し、分子は断片に分離し、分子はある場所から別の場所に移動する。 これらの変換のすべてにおいて、物質は保存されなければならない。 さらに、エネルギーは保存されなければならない;その結果、生物はある変形の間にエネルギーを解放するかもしれない(生物の物質の最終的な整理が最初の整理よりより少ないエネルギーを有するので);または、最終的な整理が最初のものよりより多くのエネルギーを有すれば、生物はどうにかして変形をもたらすためにエネルギーを得なければならない。

物質とエネルギーはゼロサムゲームでプレーするので、それらの変換はむしろ退屈で潜在的に循環的であり、ある場所での損失は他の場所での利益と これはそうではなく、変換への方向があり、厳密には一方向の流れです：あなたは出発点に戻ることはできません。 この制約は、エネルギーが保存されているにもかかわらず、仕事をするために使用できるエネルギーの量が常に減少していることを示す熱力学の第二 ほとんどに、この声明はすべてのエネルギーが仕事をするのに使用することができると仮定するので驚くべきである;しかしエネルギーは’有用’でないし、第二の法律は’無用の’エネルギーの量が常に増加していることを示す。 熱力学の第二法則は非常に強力であり、これはさまざまな方法で定義できるという事実に反映されています。 基本的に、その有用性は、それが物質の再配置に矢印を置くという事実にかかっています。 二つの可能な配置、AからB、それぞれが同じ量の物質とエネルギーを持つことを考えると、第二の法則は、再配置の方向は常に有用なエネルギーが少ない状況になることを指示する。 第二の法則は、物質の再配置が”自発的”であること、すなわち”自分自身で”起こることを指摘している。 逆方向（非自発的な方向）の再配置は、エネルギー、有用なエネルギーが供給されている場合にのみ発生します。

第二の法則は、変換に第二の制約を追加します。 一度に一定量の物質とエネルギーを持つシステムAを考えてみましょう,一つと同じシステム,今呼ばれていますA’,後の時間;第二の法則は、ことを指示します,周囲との相互作用を除きます,それがaに移行するように可能である唯一の変化’仕事をするために利用可能なエネルギーの減少があるものです;したがって、あなたが状況Aを離れると,あなたはそれに戻ることはできません(すなわち,Aから取得’バックaに). 両方のエネルギーは同じですが、作業を行うために利用可能なエネルギーの量は、それがAからAに移行するにつれて減少します”これは、第二の法則が言 デバイスは、”外部”からのエネルギーなしで開始した場所に戻ることはできません。

生物、物質、エネルギー

このすべてが生物にとってどのように重要なのでしょうか？? 生物は、成長する能力によって部分的に定義され、成長は物質の獲得を必要とするので、すべての生物は、彼らが自分自身を構築する特定の材料を獲得 さらに、成長のためのほとんどの新しい分子の構築に作業が行われるため、成長には有用なエネルギーが必要です。 理解を複雑にするのは、物質（「食物」）が二重の役割を果たすことです：（1）物質的に、より大きな生物の一部となる物質を提供する、（2）エネルギー的に、物質が再配置されたときに利用可能になるエネルギーを提供する。 物質の変換と生物によって行われるエネルギーの移動は、誤解を容易に獲得することを可能にする方法で絡み合っているが、物質とエネルギーは二つの異

しかし、生物が物質を必要とする理由は成長だけではなく、生物がエネルギーを必要とする理由も成長だけではありません。

生物がエネルギーを必要とする理由

1. 成長にエネルギーを必要とすることに加えて、生物は物理的/化学的な意味で”働く”ためにエネルギーを必要とします。 それらは電気化学的電位を作り、圧力を発生させ、動きをもたらす力を発生させる。 多くの生体分子は、これらの分子が構成されている材料よりも有用なエネルギーを含む物質の配置で構成されているため、それらを合成するためにエ 成長のプロセスは、生物が材料を再配置し、再配置することを必要とし、新しい材料がそれが作られたものよりも有用なエネルギーを有するようにす これは、生物が”エネルギーの供給”を持っていて、この供給のエネルギーの一部が材料の再配置を可能にするために”使用”されているため、彼らが行う作業が可 エネルギーは保存されていますが、有用なエネルギーの量、仕事をするために使用することができる量は減少していることに注意してください。
2. しかし、生物が成長していない（より多くの生体分子を作る）、仕事をしていない（例えば、自分自身や物質を自分自身の中で動かす）という仮説的な状況 生物は、自発的に組織化されていない状態に分解する組織化された状態で存在する。 組織化された状態の維持にはエネルギーが必要です。 これの容易に理解された例は外側に対して否定的である内部が細胞膜を渡って、見つけられる充満相違を含みます。 電気力が膜を渡って否定的なイオンおよび肯定的なイオンを押すのでこの組織化された状態はより少なく組織されたものに自発的に”破壊する”。 組織化された状態の維持は、組織化のプロセス（この場合、イオンを膜を横切って移動させるので、別の場所よりも1つの場所に集中する）がエネルギーを必

生物がエネルギーを得る方法

生物のエネルギー的ニーズは、生体分子（食物）、一般的に炭水化物を獲得し、細胞呼吸と呼ばれる反応群で処理することによっ 細胞呼吸（第19章）は、炭水化物が酸素と反応し（炭水化物が酸化される）、二酸化炭素と水を生成する制御された”燃焼”プロセスである。 同等量の炭水化物と酸素のエネルギー含有量を二酸化炭素と水のエネルギー含有量と比較すると、二酸化炭素と水のエネルギーは実質的に少ない。 あなたが火の中で炭水化物を燃やすと、エネルギーの差は熱と光として放出されますが、細胞呼吸では、いくつかのエネルギーが化学物質、特にATPと呼ば 反応の生成物（二酸化炭素と水）は目に見えないガスであるため、多くの人は細胞呼吸が物質をエネルギーに変換すると信じています。 しかし、これは不可能です、最初の法律はそれを禁じています！ 元の炭素、酸素、水素はまだ存在していますが、今はさまざまな形で存在しています。 同様に、元のエネルギーは残っていますが、形成されたATPと放出される熱エネルギーには現在存在しています。

生物が精力的なニーズのために物質を失う理由

生物が細胞呼吸を行うとき、それは容易に失われ、時には”意図的に”排除される二つの物質（水と二酸化炭素） 細胞呼吸の結果として、生物は二酸化炭素と水のような物質を継続的に失っており、その結果、体重も減少しています。 したがって、その体重を維持するためには、呼吸する生物はより多くの”食物”を獲得しなければならない。

物質とエネルギーを得る

そのエネルギー的なニーズを満たすために、生物は細胞呼吸に利用するために炭水化物（または他の生体分子）の供給を必要と これらの炭水化物は、2つの基本的な方法で得ることができます: (1)他の生き物によって生成された生体分子を消費することによって—炭水化物を生成するために代謝することができるタンパク質のような糖質や分子、または(2)二酸化炭素と水から炭水化物を合成する反応（通常は光合成反応）で生成される”自己構築された”炭水化物を消費することによって。 そのような反応は、生成物が反応物よりも多くのエネルギーを有する場合に化学反応が起こることを可能にするエネルギーの「源」（例えば、日光）を利用する。 合成された炭水化物は、細胞呼吸に電力を供給するために使用されます。、それらは二酸化炭素および水に戻って変えられます。 他の生物が生産した炭水化物を消費するグループは、従属栄養（ヘテロ-他の、troph-食べる;文字通り”他を食べる”）と呼ばれ、”食べる”ために自分の炭水化物を作る生物は独立栄養（自己自己、troph-食べる;文字通り”自己食べる人”）と呼ばれる。 両方のグループで細胞呼吸が起こることを認識することが重要であり、細胞呼吸で酸化される炭水化物をどのように獲得するかが異なるだけである。

物質とエネルギーは二つの異なるものであるが、それらは絡み合っていることに留意することが重要である。 炭水化物と酸素に存在するエネルギーは、材料が二酸化炭素と水に再配置されると「放出」される可能性があります。 「放出されたエネルギー」は、熱として、または仕事として、または分子の新しい配置（例えば、ATPはADPと無機リン酸塩の再配置されたバージョンである）として終 しかし、第二の法則は、新しい配置におけるエネルギーの総量（例えば、（この例では、炭水化物プラス酸素プラスADPプラス無機リン酸）以前の配置よりも仕事をするために少ない能力を持っている必要があります。

生物が得る”食物”は、それを見つけること（従属栄養生物）またはそれを作ること（独立栄養生物）のいずれかによって、（1）エネルギー（細胞呼吸を介して）および（2）物質（炭水化物が他の生体分子（タンパク質、脂肪、核酸）を産生するために再構成される様々な代謝経路を介して）二重の機能を果たすことを感謝する。 食物が細胞呼吸のプロセスを通じてエネルギーを提供する場合、それは二酸化炭素と水に変換され、これらは生体分子を作るために物質的に使用す あるいは、食品は、より多くの細胞膜、細胞壁、細胞酵素を作るために使用される「建築材料」を提供することができるが、この食品は「エネルギーを提供する」こ 食べ物はエネルギーと建築材料の両方を同時に提供することはできません！ あなたのケーキを”持っている”ことはできません（それを使って構築します）、それを”食べる”こともできません（細胞呼吸に使用します）。

生物の成長に関するこのセクションでカバーされる主なトピックは、以下で太字で概説されています。 成長に物質的で、精力的な必要性がある。 上記のように、ほとんどすべての生物のほとんどすべての精力的な必要性は、細胞呼吸（第18章）—酸素による炭水化物の酸化、二酸化炭素と水の生成によ 従属栄養生物の物質的ニーズを満たすことは、比較的簡単な話です; しかし、光合成（第19章）とミネラル栄養（第22章）の両方を含む独立栄養生物にとっては、窒素やリンのようなミネラル元素の獲得はより複雑です。 ほとんどの原核生物は、典型的なheterotrophまたはautotrophの方法で彼らの材料とエネルギーのニーズを満たしていますが、我々はまた、エネルギーと材料の要件を満たすの非常に異なるパターンを明らかにするいくつかの原核生物に見られる代謝の多様性（第21章）のいくつかを検討します。 この多様性は、身近な、通常の生活様式とは興味深い対照的であり、植物栄養素の利用可能性に影響を与えることによって植物の栄養に重要な役割を果 我々は簡単に生物が自分の体全体に材料を移動する方法を検討します（第24章）、そのプロセスは、通常（しかし、常にではありません！）”エネルギーを必要とする”。 また、植物が必要とする栄養素と水の貯水池として機能する土壌の性質（第23章）についても検討します。 我々が検討する成長の最終的な側面は、生物、特に植物が示す成長のリズム（第25章）であり、この成長がどのようにモデル化されるかである。