유기체를 정의하는 활동 중 하나는 그들의 삶의 어느 시점에서,또는 그것 전체에서 그들이 성장한다는 것입니다. 성장은 물질의 획득을 필요로하며,물질의 획득과이 물질을 살아있는 형태(즉,생체 분자)로 통합하는 것은 에너지를 포함합니다. 물질과 에너지는 모두 필요하지만 상호 전환 할 수없는 두 가지 별개의 실체라는 것을 명심하는 것이 중요합니다. 유기체가 수행하는 에너지 변환은 물질의 조작을 포함하지만 물질을 에너지로 변환하는 것을 포함하지 않습니다. 에너지는 주로 이산화탄소와 물으로 탄수화물과 산소를 변환 하 여 문제를 재배치 하 여 얻을 수 있습니다. 이해를 복잡하게 만드는 것은 문제가 두 가지 방법으로 필요하다는 것입니다(그림 1). 1):(1)물질적으로,더 큰 유기체의 일부가되는 물질 제공:유기체는 탄수화물로 만들어지며,(2)에너지가 재 배열 될 때 에너지를 사용할 수 있기 때문에 예를 들어,탄수화물과 산소를 이산화탄소와 물으로 전환. 물질이 재 배열되고 있지만 에너지로 변환되는 것은 아닙니다.
물질,에너지 및 열역학 법칙
물질과 에너지는 세포,유기체 및 생태계와 같은 모든 수준에서 생명 과정의 핵심 요소입니다. 물질과 에너지는 모두 익숙한 아이디어이지만,특히 에너지와 생물학적 시스템에서 물질과 에너지 사이의 상호 작용에 대한 오해가 일반적입니다. 물질은 간단하다:그것은 질량을 가지고,공간을 차지하고 종종 일반적으로 특정 혼합물에 존재하는 요소(예를 들어,탄소,수소,산소)로 분류 할 수있다 분자(예를 들어,이산화탄소,포도당)요소의 특성 구성을 가지고 특정 방식으로 배열된다. 생명체는 물질로 만들어지며 단백질,탄수화물 및 핵산과 같은 생체 분자로 만들어지는 특징적인 물질 구성을 가지고 있습니다. 생명은 부분적으로 생명체(유기체)가 물질을 획득하고 그것을 스스로 통합하는 능력,즉 성장하는 능력에 의해 정의 될 수 있습니다. 생명체는 또한 에너지 전달과 관련된 특징적인 방식으로 물질을 조작하는 능력에 기초하여 정의 될 수 있습니다.
물질은 쉬운 개념이지만 에너지는 훨씬 더 애매합니다.:
- 에너지는 물질을 재배치하거나 한 곳에서 다른 곳으로 이동시킴으로써 물질에 영향을 줄 수있는 능력을 가지고 있습니다.
- 에너지는 역동적이며 주어진 물질 비트(예:분자)와 관련된 에너지는 상황에 따라 달라집니다;그것은 물질이 자신을 발견하는 상황,움직이는 속도,위치,특히 다른 물질과 상대적인 위치 또는 전기,자기 및 중력장(물질에 의해 제어 됨)에 대한 함수입니다.
- 에너지는 시스템의 속성입니다.,특정 장소에서 그리고 서로 특정 관계를 가진 물질의 집합.
- 에너지는 주어진 물질 집합(‘시스템’)이 다른 물질(또 다른’시스템’또는 아마도’주변 환경’)의 조직을 변화시키는 능력을 설명합니다.
- 에너지는 원자 또는 분자가 화학 반응과 같이 서로 관계를 맺거나 물체가 중력장(상승 또는 하강)에서 위치를 변경하거나 대전 된 분자 또는 물체가 전기장에서 위치를 변경하게 할 수 있습니다.
- 에너지가 물질의 움직임을 일으킬 수있는 것처럼,물질의 움직임(즉,물질의 위치가 바뀜)은 에너지 함량을 변화시키고 에너지를 한 시스템에서 다른 시스템으로 또는 한 분자로 다른 시스템으로’전달’할 수있게 해줍니다.
- 에너지는 또한 전자기파,전기 및 자력을 통해 물질로 전달 될 수 있습니다.이 에너지는 절대 영도(즉,물질의 모든 비트)이상의 온도를 가진 물질의 비트에 의해 방출됩니다!!!).
- 전자기 방사선은 모든 생명체에 중요한 에너지의’형태’이지만 광합성 유기체에게는 특히 그러하다. 전자기 방사선은 이중 특성을 가지고 있으며(1)전기 및 자기장의 리듬,일정한 속도,빛의 속도 또는(2)광자라고 불리는 에너지의 패킷으로 움직이는 특정 주파수 및 파장을 가진 일련의 파동으로 설명 할 수 있습니다. 패킷(광자)의 에너지는 전기 및 자기 파장의 파장과 관련이 있습니다. 이 광자/전기 및 자기 파는 물질과 상호 작용하여 에너지를 물질로 변환 할 수 있습니다.
- 에너지와 관련된 다른 두 가지 개념은 열이며,이는 운동 에너지를 변화시키고,분자가 움직이는 평균 속도를 변화 시키며,중력장에서 물체의 위치를 변화 시키거나 특정 지점에 화학 물질을 집중시킬 수있는 작업입니다(화학 작업). 열과 작업 모두 에너지에 연결되어 있으며 때로는 에너지의’형태’로 간주되지만 시스템 간 또는 시스템과 주변 환경 간의 상호 작용으로 더 잘 설명 될 수 있습니다.
물질과 에너지 모두의 공통적인 특징은 둘 다 보존되어 있다는 것인데,열역학 제 1 법칙에 기술되어 있다. 현대 물리학은 물질이 에너지로 변환 될 수 있고 보존되는 것은 그들의 집단적 실체(물질+에너지)라는 것을 보여 주었지만,생물학적 시스템에서 물질과 에너지는 결코 서로 변환되지 않으며 결과적으로 우리는 각각을 보존한다고 생각할 수 있습니다—항상 같은 양의 물질과 같은 양의 에너지가 있으며,어느 것도 생성되거나 파괴되거나 사용되지 않습니다.’물질의 보존은 쉽게 이해되며,물질은 한 곳에서 다른 곳으로 이동할 수 있습니다(예:유기체에 축적되거나,유기체로부터(또는 유기체로)확산에 의해 손실(또는 획득)됩니다. 원소는 세포 호흡 과정에서 탄수화물에서 이산화탄소로 변형 된 탄소와 같이 재 배열 될 수 있지만 물질의 양은 일정합니다—탄소,수소 및 산소의 수는 동일합니다. 마찬가지로(그리고 훨씬 덜 감사),에너지는 보존됩니다. 그것은 장소에서 장소로’이동’하거나 한 형태에서 다른 형태로 변형 될 수 있지만(분자가 서로 상대적으로 중력,전기 및 자기장에 상대적으로 재배치되거나 이동됨에 따라)에너지의 양은 일정하고 변하지 않습니다. 생활 시스템,비 생활 시스템 및 생활 시스템과 비 생활 시스템의 조합은 물질을 재배열하고 물질을 재배열함으로써 에너지를 재분배합니다. 그러나 열역학 제 1 법칙은 이러한 모든 재배치에 제약이 있다고 말합니다:어떤 재배치 후에도 물질의 양과 에너지의 양은 처음에 있었던 것과 동일해야합니다.
생명체는 끊임없이 물질을 재구성한다:분자는 결합하고,분자는 조각으로 분리되며,분자는 한 곳에서 다른 곳으로 이동한다. 이러한 모든 변형에서 물질은 보존되어야합니다. 또한,에너지는 보존되어야 한다;결과적으로,유기체는 어떤 변형 동안 에너지를 방출할 수 있다(왜냐하면 유기체 내의 물질의 최종 배열은 초기 배열보다 적은 에너지를 가지기 때문이다);또는,최종 배열이 초기 배열보다 더 많은 에너지를 가진다면,유기체는 어떻게든 그 변형을 초래하기 위해 에너지를 획득해야 한다.
물질과 에너지는 제로섬 게임에서 놀기 때문에 그 변화는 다소 지루하고 잠재적으로 순환 적이며,한 지점에서의 손실은 다른 곳의 이익과 정확히 일치하며,당신이 시작한 곳에서 정확히 끝날 잠재력이라고 생각할 수 있습니다. 이것은 사실이 아니다,이 변환에 대한 방향이며 엄격하게 단방향 흐름입니다:당신은 시작 지점으로 돌아갈 수 없다. 이 제약은 에너지가 보존된다는 사실에도 불구하고 작업을 수행하는 데 사용할 수있는 에너지의 양이 항상 감소하고 있음을 명시하는 열역학 제 2 법칙에 의해 결정됩니다. 대부분의 경우,이 진술은 모든 에너지가 작업을 수행하는 데 사용될 수 있다고 가정하기 때문에 놀랍습니다.하지만 일부 에너지는’유용하지 않다’고 제 2 법칙은’쓸모없는’에너지의 양이 항상 증가하고 있다고 말합니다. 열역학 제 2 법칙은 매우 강력하며 이것은 다양한 방식으로 정의 될 수 있다는 사실에 반영됩니다. 근본적으로,그 유틸리티는 그것이 물질의 재배치에 화살표를두고 있다는 사실에 달려있다. 주어진 두 가지 가능한 배열,ㅏ 에 비,각각 같은 양의 물질과 에너지를 가진 두 번째 법칙은 재배열의 방향이 항상 덜 유용한 에너지를 갖는 상황이되도록 지시합니다. 두 번째 법칙은 물질의 재배열이’자발적’일 것,즉’스스로 발생’하는 것을 지적합니다.’반대 방향(자발적이지 않은 방향)으로의 재배열은 에너지,유용한 에너지가 공급되는 경우에만 발생합니다.
제 2 법칙은 변형에 대한 두 번째 제약을 추가한다;물질과 에너지는 보존되어야 할 뿐만 아니라 유용한 에너지의 양은 감소되어야 한다. 한 번에 물질과 에너지의 일정 금액으로 시스템을 고려,하나의 동일한 시스템,지금 불리는’,시간 후;두 번째 법칙은 지시,주변과의 상호 작용을 금지,그것은에 전환으로 가능 한 유일한 변화’일을 할 수 있는 에너지의 감소가 하나;따라서 일단 상황을 떠나,당신은 그것을 반환할 수 없습니다.(즉,에서 얻을’다시). ‘이것은 제 2 법칙이 진술될 수 있는 일반적인 방법의 한을 반영한다:영원한 운동 기계가 없다. 장치는’외부’의 에너지 없이는 시작된 곳으로 돌아갈 수 없습니다.
유기체,물질 및 에너지
이 모든 것이 유기체에게 어떻게 중요합니까?? 유기체는 부분적으로 성장하는 능력에 의해 정의되며 성장은 물질의 획득을 필요로하기 때문에 모든 유기체는 스스로 구성하는 특정 물질을 획득 할 수 있어야합니다. 또한 성장에는 성장을 위해 대부분의 새로운 분자의 구성에서 작업이 이루어지기 때문에 유용한 에너지가 필요합니다. 이해를 복잡하게 만드는 것은 물질(‘음식’)이 이중 역할을한다는 것입니다:(1)물질적으로,더 큰 유기체의 일부가되는 물질을 제공하고,(2)정력적으로,물질이 재 배열 될 때 이용할 수있는 에너지를 제공합니다. 물질의 변형과 유기체에 의해 수행되는 에너지의 전달은 오해를 쉽게 습득 할 수있는 방식으로 얽혀 있지만 물질과 에너지는 서로 다른 두 가지 존재라는 것을 기억하는 것이 중요합니다.
그러나 생물이 물질을 필요로하는 유일한 이유는 성장이 아니며 생물이 에너지를 필요로하는 유일한 이유는 아닙니다.
생물에 에너지가 필요한 이유
- 생장에 에너지가 필요한 것 외에도 유기체는 물리적/화학적 의미에서’일하기’때문에 에너지가 필요합니다. 그들은 전기 화학적 잠재력을 만들고,압력을 발생 시키며,움직임을 유발하는 힘을 생성합니다. 특히 중요한 것은 그들이 성장함에 따라 화학 작업을 수행한다는 것입니다:많은 생체 분자는 이러한 분자가 구성되는 물질보다 더 유용한 에너지를 포함하는 물질의 배열로 구성되므로 에너지를 합성하는 데 필요합니다. 성장 과정은 유기체가 물질을 재배치하고,재배치하며,새로운 물질이 만들어진 것보다 더 유용한 에너지를 갖도록 만드는 방식으로 필요합니다. 이것은 유기체가’에너지 공급’을 가지고 있고,이 공급의 에너지 중 일부가 재료의 재배치를 허용하기 위해’사용’되기 때문에 그들이 할 일이 가능한 경우에만 가능합니다. 에너지는 보존되지만 유용한 에너지의 양,즉 일을 하는 데 사용할 수 있는 양은 줄어듭니다.
- 그러나 유기체가 성장하지 않고(더 많은 생체 분자를 만드는)일을하지 않는 가상의 상황에서도(예:스스로 움직이거나 자체 내부의 물질),그것은 단순히 스스로를 유지하기 위해 여전히 에너지가 필요합니다. 유기체는 자발적으로 덜 조직 된 상태로 저하되는 조직 된 상태로 존재합니다. 조직 된 국가의 유지 보수에는 에너지가 필요합니다. 이것의 쉽게 이해한 보기는 내부에 세포막의 맞은편에 찾아낸 책임 다름을,외부에 부정적인 관계되는 상태에서 관련시킵니다. 전기 힘이 막 및 긍정적인 이온의 맞은편에 부정적인 이온을 안으로 밀기 때문에 이 편성한 상황은 보다 적게 편성한 것에 자발적으로’나눕니다’. 조직화 된 상태의 유지에는 조직화 과정(이 경우 막을 가로 질러 이온을 이동시켜 다른 곳보다 한 곳에 더 집중)에 에너지가 필요하기 때문에 에너지가 필요합니다.
유기체가 에너지를 얻는 방법
유기체의 에너지 요구는 생체 분자(음식),일반적으로 탄수화물을 획득하고 세포 호흡이라고 불리는 반응 그룹에서 처리함으로써 크게 충족됩니다. 세포 호흡(19 장)은 탄수화물이 산소(탄수화물이 산화 됨)와 반응하여 이산화탄소와 물 및 기간을 생성하는 제어 된’연소’과정입니다. 하나는 이산화탄소 플러스 물,이산화탄소에 실질적으로 적은 에너지 플러스 물 탄수화물 플러스 산소의 동등한 양의 에너지 콘텐츠를 비교 하는 경우. 너가 불안에 탄수화물을 점화하면 에너지안에 다름은 열과 빛으로 풀어 놓는다,그러나 세포질 호흡안에,더 적은 에너지는 열로 풀어 놓고지 않,어떤 에너지가 화학제품안에’붙잡기’이기 때문에,빛으로 아무도. 반응 생성물(이산화탄소와 물)은 보이지 않는 가스이기 때문에 많은 사람들은 세포 호흡이 물질을 에너지로 전환한다고 믿습니다. 그러나 이것은 불가능합니다,첫 번째 법은 그것을 금지합니다! 원래의 탄소,산소 및 수소는 여전히 다른 형태로 존재합니다. 마찬가지로,원래의 에너지는 남아 있지만 현재 형성되는 에너지 원과 방출되는 열 에너지에 존재합니다.
유기체가 에너지적 필요 때문에 물질을 잃는 이유
유기체가 세포 호흡을 수행함에 따라,그것은 쉽게 손실되고 때로는’의도적으로’제거되는 두 가지 물질(물 및 이산화탄소)을 생성한다(예를 들어,호흡,즉 환기가 물 및 이산화탄소의 손실을 촉진하는 인간에서). 세포질 호흡의 결과로,유기체는 이산화탄소와 물으로 계속해서 사정을 잃고 그리고 그 결과로 또한 무게를 잃고 있다. 따라서 체중을 유지하기 위해 호흡하는 유기체는 더 많은’음식’을 얻어야합니다.
물질과 에너지 얻기
에너지 요구를 충족시키기 위해 유기체는 세포 호흡에 활용하기 위해 탄수화물(또는 다른 생체 분자)을 공급해야합니다. 이 탄수화물은 두 가지 기본 방법으로 얻을 수 있습니다: (1)다른 생물에 의해 생성 된 생체 분자—탄수화물 또는 탄수화물을 생산하기 위해 대사 될 수있는 단백질과 같은 분자 또는(2)이산화탄소와 물로부터 탄수화물을 합성하는 반응(일반적으로 광합성 반응)에서 생성되는’자체 생성 된’탄수화물을 섭취함으로써. 이러한 반응은 생성물이 반응물보다 더 많은 에너지를 갖는 곳에서 화학 반응이 일어날 수 있도록 하는 에너지(예:햇빛)의’소스’를 활용한다. 합성 된 탄수화물은 세포 호흡에 전력을 공급하는 데 사용됩니다.,그들은 이산화탄소와 물으로 다시 변환됩니다. 다른 유기체가 생산 한 탄수화물을 소비하는 그룹은 종속 영양 생물(헤테로-기타,트로프-먹기;문자 그대로’다른 사람을 먹는다’),그리고 자신의 탄수화물을’먹기’로 만드는 유기체는 독립 영양 생물(자동 자기,트로프-먹기;문자 그대로’자기 먹는 사람’). 그것은 세포 호흡이 두 그룹에서 발생 실현하는 것이 중요하다,그들은 단지 그들이 세포 호흡에서 산화 될 탄수화물을 취득하는 방법에 차이가 있습니다.
물질과 에너지는 서로 다른 두 가지이지만 서로 얽혀 있다는 점을 명심해야 한다. 탄수화물과 산소에 있는 에너지는 물자가 이산화탄소와 물로 재배열될 때’풀어 놓일’수 있다. ‘방출 된 에너지’는 열,또는 일 또는 새로운 분자 배열로 끝날 수 있습니다. 그러나 두 번째 법칙은 새로운 배열의 총 에너지 양(예:(이 예에서는 탄수화물+산소+물+무기 인산염).
유기체가(종속 영양 생물)을 찾거나(독립 영양 생물)을 만들어 얻는’음식’이(1)에너지(세포 호흡을 통해)와(2)물질(탄수화물이 다른 생체 분자(단백질,지방,핵산)를 생성하도록 재구성되는 다양한 대사 경로를 통해)를 제공하는 이중 기능을 제공한다는 것을 인식하십시오. 음식이 세포 호흡의 과정을 통해 에너지를 제공하는 경우에 이산화탄소로 변형되고 물과 이들은 생물 분자를 만들기 위하여 물자로 이용될 수 없습니다. 또는 음식은 더 많은 세포막,세포벽,세포 효소를 만드는 데 사용되는’건축 자재’를 제공 할 수 있지만이 음식은’에너지를 제공’하지 않습니다. 음식은 에너지와 건축 자재를 동시에 제공 할 수 없습니다! 당신은 당신의 케이크를’가질’수 없으며(그것으로 빌드)’먹을’도(세포 호흡에 사용).
생물의 성장에 관한이 섹션에서 다루어야 할 주요 주제는 아래에 굵은 글씨로 요약되어 있습니다. 성장은 물질적이고 활기찬 요구를 모두 가지고 있습니다. 위에서 설명한 바와 같이,거의 모든 유기체의 거의 모든 에너지 요구는 세포 호흡(18 장)—산소에 의한 탄수화물의 산화,이산화탄소와 물 생산에 의해 수행됩니다. 종속 영양 생물의 물질적 요구를 충족시키는 것은 비교적 간단한 이야기입니다; 그러나 그것은 광합성(19 장)과 미네랄 영양(22 장),질소와 인과 같은 미네랄 원소의 획득을 모두 포함하는 독립 영양 생물에게는 더 복잡합니다. 대부분의 원핵 생물은 전형적인 이종 트로피 또는 독립 트로피 방식으로 물질 및 에너지 요구를 충족 시키지만,우리는 또한 에너지와 재료 요구 사항을 충족시키는 매우 다른 패턴을 드러내는 일부 원핵 생물에서 발견되는 대사 다양성(21 장)을 고려할 것입니다. 이 다양성은 친숙하고 정상적인 삶의 방식과 흥미로운 대조이며 식물 영양소의 가용성에 영향을 미침으로써 식물의 영양에 중요한 역할을합니다. 우리는 유기체가 몸 전체에 물질을 어떻게 이동하는지 간단히 고려할 것입니다(24 장),일반적으로(항상 그런 것은 아니지만!)’에너지가 필요합니다’. 우리는 또한 식물이 필요로하는 영양분과 물을위한 저수지 역할을하는 토양의 성질(23 장)을 고려할 것입니다. 우리가 고려할 성장의 마지막 측면은 유기체,특히 식물이 전시하는 성장 리듬(25 장)과이 성장이 어떻게 모델링 될 수 있는지입니다.