Livløs Liv

En av aktivitetene som definerer organismer er at de på et tidspunkt i livet, eller gjennom det, vokser. Vekst krever oppkjøp av materie og både oppkjøp av materie og inkorporering av dette materialet i en levende form (dvs. i biomolekyler) innebærer energi. Både materie og energi er nødvendig, men det er viktig å huske på at de er to atskilte enheter som ikke er interkonverterbare. Energitransformasjonene som organismer utfører involverer manipulering av materie, men de innebærer IKKE å konvertere materie til energi. Energi oppnås ved å omorganisere materie, hovedsakelig ved å omdanne karbohydrater og oksygen til karbondioksid og vann. Det som kompliserer forståelsen er at saken er nødvendig på to måter (Fig. 1): (1) materielt, gi materialene som blir en del av den større organismen: organismer er laget av karbohydrater, (2) energisk, fordi energi kan gjøres tilgjengelig når saken omarrangeres, f. eks. omdanne karbohydrater og oksygen til karbondioksid og vann. Selv om saken blir omorganisert, blir den ikke forvandlet til energi.

Materie, Energi Og Termodynamikkens Lover

Materie og energi er sentrale aktører i livets prosess på alle nivåer: celle, organisme og økosystem. Både materie og energi er kjente ideer, men misforståelser er vanlige, spesielt om energi og samspillet mellom materie og energi i biologiske systemer. Materien er enkel: den har masse, opptar plass og kan kategoriseres i elementer (f. eks. karbon, hydrogen, oksygen) som ofte vanligvis er tilstede i bestemte blandinger kalt molekyler (f.eks. karbondioksid, glukose) som har en karakteristisk sammensetning av elementer og er ordnet på bestemte måter. Levende ting er laget av materie og har en karakteristisk materialesammensetning, som er laget av biomolekyler som proteiner, karbohydrater og nukleinsyrer. Livet kan delvis defineres av evnen til levende ting (organismer) til å skaffe seg materie og innlemme det i seg selv, dvs.å vokse. Livet kan også defineres på grunnlag av dets evne til å manipulere materie på karakteristiske måter som involverer energioverføringer.

mens materie er et enkelt konsept, er energi mye mer unnvikende; vurder følgende:

1. Energi har evnen til å påvirke saken ved å omorganisere den eller flytte den fra ett sted til et annet.
2. Energi er dynamisk og energien forbundet med en gitt bit av materie, for eksempel et molekyl, avhenger av omstendigheter; Det er en funksjon av situasjonen saken befinner seg i, hastigheten den beveger seg, plasseringen den er i, spesielt dens posisjon i forhold til andre stoffer eller i forhold til elektriske, magnetiske og gravitasjonsfelt (som styres av materie).
3. Energi er en egenskap av systemer, dvs. en samling av materie på et bestemt sted og med bestemte relasjoner med hverandre.
4. Energi beskriver evnen til en gitt samling av materie (et ‘system’) til å endre organiseringen av en annen bit av materie(et annet ‘system’ eller kanskje ‘omgivelsene’).
5. Energi kan føre til at atomer eller molekyler beveger seg i forhold til hverandre, for eksempel en kjemisk reaksjon, eller føre til at et objekt endrer posisjon i et gravitasjonsfelt (stige eller falle), eller føre til at et ladet molekyl eller objekt endrer posisjon i et elektrisk felt.
6. akkurat som energi kan forårsake bevegelse av materie, endrer bevegelsen av materie (dvs. materieendringsposisjon) energiinnholdet og tillater at energi overføres fra ett system til et annet eller ett molekyl til et annet
7. Energi kan også overføres til materiale via elektromagnetisk stråling, bølger av elektrisitet og magnetisme som avgis av enhver bit av materie med en temperatur over absolutt null (dvs. hver bit av materie!!!).
8. Elektromagnetisk stråling Er en form for energi som er viktig for alle former for liv, men spesielt for fotosyntetiske organismer. Elektromagnetisk stråling har en dobbel natur og kan beskrives som (1) en rytme av elektriske og magnetiske felt, en serie bølger med en viss frekvens og bølgelengde, som beveger seg med konstant hastighet, lysets hastighet eller (2) energipakker kalt fotoner. Energien i en pakke (en foton) er relatert til bølgelengden til bølgene av elektrisitet og magnetisme. Merk at disse fotonene / bølgene av elektrisitet og magnetisme er i stand til å samhandle med materie og forvandle det, og dermed overføre energi til saken.
9. To andre begreper knyttet til energi er varme, som kan påvirke saken ved å endre sin kinetiske energi, endre gjennomsnittshastigheten som molekylene beveger seg, og arbeid, som kan endre posisjonen til objekter i et gravitasjonsfelt, eller kanskje konsentrere kjemikalier på et bestemt sted (kjemisk arbeid). Mens både varme og arbeid er koblet til energi og noen ganger betraktes som former for energi, kan de bedre beskrives som samspill mellom systemer eller mellom et system og omgivelsene.

et felles trekk ved både materie og energi er at begge er bevart, noe som er beskrevet i det som er kjent som termodynamikkens første lov. Selv om moderne fysikk har vist at materie kan konverteres til energi, og det er deres kollektive enhet (materie + energi) som er bevart, i biologiske systemer blir materie OG energi aldri konvertert til hverandre, og følgelig kan vi vurdere hver for å bli bevart—det er alltid samme mengde materie og samme mengde energi, ingen er opprettet, ødelagt eller ‘ brukt opp. Bevaring av materie er lett å forstå, materie kan flyttes fra ett sted til et annet, f.eks. akkumulert i en organisme, tapt (eller oppnådd) ved diffusjon fra (eller til) en organisme. Elementer kan omarrangeres, for eksempel karbon transformert fra karbohydrat til karbondioksid i prosessen med cellulær respirasjon, men mengden materie er konstant – det samme antall karboner,hydrogen og oksygen. På samme måte (og mye mindre verdsatt), er energi bevart. Det kan flyttes fra sted til sted, eller transformeres fra en form til en annen (ettersom molekyler omarrangeres eller flyttes i forhold til hverandre og i forhold til gravitasjons -, elektriske og magnetiske felt), men mengden energi er konstant, uforanderlig. Levende systemer, ikke-levende systemer og kombinasjoner av levende og ikke-levende systemer omorganisere saken, og ved å omorganisere saken de omfordele energi. Men termodynamikkens første lov sier at i alle disse omleggingene er det en begrensning: etter en omlegging må mengden materie og mengden energi være den samme som i begynnelsen.

Levende ting reorganiserer kontinuerlig materie: molekyler kombinerer, molekyler skiller seg i stykker, molekyler beveger seg fra ett sted til et annet. I alle disse transformasjonene må saken bevares. I tillegg må energien bevares; følgelig kan organismer frigjøre energi under noen transformasjoner (fordi det endelige arrangementet av materiale i organismen har mindre energi enn det opprinnelige arrangementet); eller, hvis det endelige arrangementet har mer energi enn det første, må organismene på en eller annen måte ha oppnådd energi for å få til transformasjonen.

siden materie og energi spiller i nullsumspill, kan man tro at deres transformasjoner er ganske kjedelige og potensielt sirkulære, med tap på ett sted blir nøyaktig matchet av gevinster et annet sted, og potensialet for å ende opp akkurat der du startet. Dette er ikke tilfelle, det er en retning til transformasjonene, og det er strengt en enveisflyt: du kan aldri gå tilbake til utgangspunktet. Denne begrensningen er diktert av termodynamikkens andre lov som sier at til tross for det faktum at energi er bevart, er mengden energi som kan brukes til å gjøre arbeid alltid avtagende. For de fleste er denne uttalelsen oppsiktsvekkende fordi de antar at all energi kan brukes til å gjøre arbeid; men noe energi er ikke ‘nyttig’ og den andre loven sier at mengden ‘ubrukelig’ energi alltid øker. Den andre loven om termodynamikk er ekstremt kraftig, og dette gjenspeiles i det faktum at den kan defineres på en rekke måter. I utgangspunktet hviler verktøyet i det faktum at det legger en pil på omlegginger av materie. Gitt to mulige ordninger, A Til B, hver med samme mengde materie og energi, dikterer den andre loven at omleggingsretningen alltid vil være til en situasjon som har mindre nyttig energi. Den andre loven peker på hvilke omarrangementer av materie som vil være ‘spontane’, dvs. skje ‘ på egen hånd. Omarrangementer i motsatt retning (den ikke-spontane retningen) vil bare skje hvis energi, nyttig energi, leveres.

den andre loven legger til en annen begrensning på transformasjoner; ikke bare må materie og energi bevares, men mengden nyttig energi må reduseres. Tenk på et system A med en viss mengde materie og energi om gangen, ett og samme system, nå kalt A, en tid senere; den andre loven dikterer at den eneste forandringen I a som er mulig når den overgår Til A, er en der det er en nedgang i energi tilgjengelig for å gjøre arbeid; så når du forlater situasjon A, kan du ikke gå tilbake til det (dvs.komme fra a tilbake til A). Selv om energien i begge er den samme, blir mengden energi som er tilgjengelig for å utføre arbeid, redusert når den går over Fra A Til A. ‘ Dette gjenspeiler en av de vanlige måtene som den andre loven kan angis på: det er ingen evigvarende bevegelsesmaskiner. En enhet kan ikke komme tilbake til der den startet uten energi fra utsiden.

Organismer, materie og energi

hvordan er alt dette viktig for organismer?? Organismer er definert delvis av deres evne til å vokse, og siden vekst krever oppkjøpet av saken, alle organismer må være i stand til å tilegne seg de spesifikke materialer som de konstruere seg med. Videre krever vekst nyttig energi fordi arbeid er gjort i konstruksjonen av de fleste nye molekyler for vekst. Det som kompliserer forståelsen er at materie (‘mat’) spiller en dobbel rolle: (1) materielt, gir materialene som blir en del av den større organismen, (2) energisk, gir energi som gjøres tilgjengelig når saken er omorganisert. Transformasjonene av materie og overføring av energi utført av organismer er sammenflettet på måter som gjør at misforståelser lett kan oppnås, men det er viktig å huske at materie og energi er to forskjellige enheter.

men vekst er ikke den eneste grunnen til at organismer trenger materie, og det er ikke den eneste grunnen til at organismer trenger energi.

hvorfor organismer trenger energi

1. i Tillegg til å trenge energi for vekst organismer trenger energi fordi de ‘gjør arbeid’ i en fysisk/kjemisk forstand. De skaper elektrokjemiske potensialer, de utvikler press, de genererer krefter som resulterer i bevegelse. Spesielt viktig er at de utfører kjemisk arbeid når de vokser: mange biomolekyler består av arrangementer av materie som inneholder mer nyttig energi enn materialene disse molekylene er konstruert av, og derfor er det nødvendig med energi for å syntetisere dem. Prosessen med vekst krever organismer å omorganisere materiale, reposisjonere det, på måter som forårsaker at det nye materialet har mer nyttig energi enn hva det ble laget av. Dette er bare mulig hvis organismer har en ’tilførsel av energi’ og arbeidet som de gjør er mulig fordi en del av energien i denne forsyningen er ‘brukt’ for å tillate omorganisering av materialer. Merk at energi er bevart, men mengden nyttig energi, mengden som kan brukes til å gjøre arbeid, er redusert.
2. Men selv i den hypotetiske situasjonen hvor en organisme ikke vokser (gjør flere biomolekyler) og ikke gjør arbeid(f. eks. Organismer eksisterer i en organisert tilstand som spontant nedbrytes til en mindre organisert tilstand. Vedlikehold av den organiserte staten krever energi. Et lettforståelig eksempel på dette innebærer ladningsforskjellen funnet over cellemembranen, med innsiden negativ i forhold til utsiden. Denne organiserte situasjonen bryter spontant ned til en mindre organisert fordi elektriske krefter skyver negative ioner ut over membranen og positive ioner inn. Vedlikehold av den organiserte staten krever energi fordi prosessen med å organisere (i dette tilfellet flytte ioner over en membran slik at de er mer konsentrert på ett sted enn et annet) krever energi.

hvordan organismer oppnår energi

Organismers energiske behov blir i stor grad tilfredsstilt ved å anskaffe biomolekyler (mat), generelt karbohydrater, og behandle dem i en gruppe reaksjoner kalt cellulær respirasjon. Cellulær respirasjon (Kapittel 19) er en kontrollert brennende prosess hvor karbohydrater reagerer med oksygen( karbohydrater oksideres), og produserer karbondioksid og vann. Hvis man sammenligner energiinnholdet i ekvivalente mengder karbohydrat pluss oksygen til det i karbondioksid pluss vann, er det vesentlig mindre energi i karbondioksid pluss vann. Hvis du brenner karbohydrater i en brann, frigjøres forskjellen i energi som varme og lys, men i cellulær respirasjon frigjøres mindre energi som varme, og ingen som lys, fordi noe energi er ‘fanget’ i kjemikalier, spesielt EN KALT ATP. Fordi reaksjonsproduktene (karbondioksid og vann) er usynlige gasser, tror mange at cellulær respirasjon omdanner materie til energi. Men dette er umulig, den første loven forbyr det! Det opprinnelige karbon, oksygen og hydrogen er fortsatt til stede, akkurat nå i forskjellige former. På samme måte forblir den opprinnelige energien, men er nå tilstede I ATP som dannes og varmeenergien som frigjøres.

hvorfor organismer mister materiale på grunn av deres energiske behov

som en organisme utfører cellulær respirasjon, produserer den to materialer (vann og karbondioksid) som lett går tapt og noen ganger med vilje elimineres (f. eks. hos mennesker hvor pust, dvs. ventilasjon, letter tap av vann og karbondioksid). Som en konsekvens av cellulær respirasjon mister organismer kontinuerlig materie som karbondioksid og vann, og dermed mister de også vekt. For å opprettholde sin vekt må en respirerende organisme derfor skaffe seg mer ‘mat’.

Å Skaffe materie og energi

for å tilfredsstille deres energiske behov krever en organisme en tilførsel av karbohydrater (eller andre biomolekyler) for å utnytte i cellulær respirasjon. Disse karbohydrater kan oppnås på to grunnleggende måter: (1) ved å konsumere biomolekyler som er produsert av andre levende ting—karbohydrater eller molekyler som proteiner som kan metaboliseres for å produsere karbohydrater eller (2) ved å konsumere ‘selvkonstruerte’ karbohydrater som produseres i reaksjoner (vanligvis fotosyntetiske reaksjoner) som syntetiserer karbohydrater fra karbondioksid og vann. Slike reaksjoner bruker energikilder (f. eks. sollys) som gjør at en kjemisk reaksjon kan oppstå der produktene har mer energi enn reaktantene. De syntetiserte karbohydrater brukes deretter til å drive cellulær respirasjon, dvs. de omdannes tilbake til karbondioksid og vann. Gruppen som bruker karbohydrater som andre organismer har produsert kalles heterotrofer (hetero-andre, troph-eat; bokstavelig talt’ spise andre’), og organismer som lager sine egne karbohydrater til ‘spise’ kalles autotrofer(auto-self, troph-eat; bokstavelig talt ‘self-eaters’). Det er viktig å innse at cellulær respirasjon forekommer i begge grupper, de adskiller seg bare i hvordan de får karbohydrater som skal oksyderes i cellulær respirasjon.

det er viktig å huske på at materie og energi er to forskjellige ting, men de er sammenflettet. Energi som er tilstede i karbohydrater og oksygen kan frigjøres når materialet omarrangeres til karbondioksid og vann. Den frigjorte energien kan ende opp som varme, eller som arbeid, eller i et nytt arrangement av molekyler (FOR EKSEMPEL ATP er EN omarrangert versjon AV ADP pluss uorganisk fosfat). Den andre loven krever imidlertid at den totale mengden energi i den nye ordningen (f. eks., karbondioksid, VANN og ATP) må ha mindre evne til å gjøre arbeid enn det tidligere arrangementet (i dette eksemplet, karbohydrat pluss oksygen pluss ADP pluss uorganisk fosfat).

Setter Pris på at ‘maten’ som organismer oppnår, enten ved å finne den (heterotrofer) eller gjøre den (autotrofer), tjener en dobbel funksjon, og gir (1) energi (gjennom cellulær respirasjon) og (2) materiale (gjennom en rekke metabolske veier hvor karbohydrater omkonfigureres for å produsere andre biomolekyler (proteiner, fett, nukleinsyrer). Hvis mat gir energi gjennom prosessen med cellulær respirasjon, blir den omdannet til karbondioksid og vann, og disse kan ikke brukes materielt til å lage biomolekyler. Alternativt kan mat gi byggematerialer som brukes til å lage flere cellemembraner, cellevegger, cellulære enzymer, men denne maten vil ikke gi energi. Mat kan ikke gi både energi og byggematerialer samtidig! Du kan ikke ‘ha’ kaken din (bygge med den) og ‘spise’ den også (bruk den til cellulær respirasjon).

de viktigste temaene som skal dekkes i denne delen om vekst av organismer er skissert i fet skrift nedenfor. Vekst har både materielle og energiske behov. Som beskrevet ovenfor oppnås nesten alle energiske behov hos nesten alle organismer ved cellulær respirasjon (Kapittel 18) – oksidasjon av karbohydrater ved oksygen, som produserer karbondioksid og vann. Å tilfredsstille de materielle behovene til heterotrofe organismer er en relativt enkel historie; det er imidlertid mer komplisert for autotrofer, hvor det involverer både fotosyntese (Kapittel 19) og mineralernæring (Kapittel 22), oppkjøpet av mineralske elementer som nitrogen og fosfor. Selv om de fleste prokaryoter tilfredsstiller deres materielle og energiske behov på typisk heterotroph eller autotroph-måte, vil vi også vurdere noe av det metabolske mangfoldet (Kapittel 21) som finnes i noen prokaryoter som avslører svært forskjellige mønstre for å tilfredsstille energi og materielle krav. Dette mangfoldet er en interessant kontrast til de kjente, normale levemåtene og spiller også en viktig rolle i ernæringen av planter ved å påvirke tilgjengeligheten av plantenæringsstoffer. Vi vil kort vurdere hvordan organismer beveger materialer gjennom hele kroppen (Kapittel 24), en prosess som vanligvis (men ikke alltid!) ‘krever energi’. Vi vil også vurdere jordens natur (Kapittel 23), som tjener som reservoarer for næringsstoffer og vann som planter krever. Et siste aspekt av vekst som vi vil vurdere er vekstrytmene (Kapittel 25) som organismer, spesielt planter, viser og hvordan denne veksten kan modelleres.