levenloos

een van de activiteiten die organismen definiëren, is dat ze op een bepaald moment in hun leven of in het hele leven groeien. De groei vereist de aanwinst van materie en zowel de aanwinst van materie als de opneming van dit materiaal in een levende vorm (d.w.z., in biomoleculen) impliceert energie. Zowel materie als energie zijn nodig, maar het is belangrijk om in gedachten te houden dat ze twee verschillende entiteiten zijn die niet onderling veranderlijk zijn. De energietransformaties die organismen uitvoeren omvatten manipulaties van materie, maar ze omvatten niet het omzetten van materie in energie. Energie wordt verkregen door materie te herschikken, meestal door koolhydraten en zuurstof om te zetten in kooldioxide en water. Wat het begrijpen bemoeilijkt is dat materie op twee manieren nodig is (Fig. 1): (1) materieel, mits de materialen die deel gaan uitmaken van het grotere organisme: organismen worden gemaakt van koolhydraten, (2) energetisch, omdat energie beschikbaar kan worden gemaakt als materie wordt herschikt, bijv. het omzetten van koolhydraten en zuurstof in kooldioxide en water. Hoewel materie wordt herschikt, wordt het niet getransformeerd in energie.

materie, energie en de wetten van de thermodynamica

materie en energie zijn belangrijke spelers in het levensproces op alle niveaus: cel, organisme en ecosysteem. Zowel materie als energie zijn bekende ideeën, maar misvattingen komen vaak voor, vooral over energie en de wisselwerking tussen materie en energie in biologische systemen. Materie is eenvoudig: het heeft massa, neemt ruimte in en kan worden gecategoriseerd in elementen (bijvoorbeeld koolstof, waterstof, zuurstof) die vaak meestal aanwezig zijn in specifieke mengsels genoemd moleculen (bijvoorbeeld kooldioxide, glucose) die een karakteristieke samenstelling van elementen hebben en zijn gerangschikt op specifieke manieren. Levende dingen worden gemaakt van materie en hebben een kenmerkende materiaalsamenstelling, die van biomoleculen zoals proteã nen, koolhydraten, en nucleic zuren wordt gemaakt. Het leven kan gedeeltelijk worden gedefinieerd door het vermogen van levende dingen (organismen) om materie te verwerven en op te nemen in zichzelf, dat wil zeggen, om te groeien. Leven kan ook worden gedefinieerd op basis van zijn vermogen om materie te manipuleren op karakteristieke manieren die energie-overdracht impliceren.

hoewel materie een eenvoudig begrip is, is energie veel ongrijpbaarder; overweeg het volgende::

1. energie kan materie beïnvloeden door het te herschikken of van de ene plaats naar de andere te verplaatsen.
2. energie is dynamisch en de energie die wordt geassocieerd met een bepaald stukje materie, bijvoorbeeld een molecuul, hangt af van de omstandigheden; het is een functie van de situatie waarin materie zich bevindt, de snelheid waarmee het beweegt, de locatie waar het zich bevindt, in het bijzonder zijn positie ten opzichte van andere materie of ten opzichte van elektrische, magnetische en gravitatievelden (die door materie worden beheerst).
3. energie is een eigenschap van systemen, d.w.z., een verzameling van materie op een bepaalde plaats en met specifieke relaties met elkaar.
4. energie beschrijft het vermogen van een bepaalde verzameling materie (een “systeem”) om de organisatie van een ander stukje materie (een ander “systeem” of misschien “de omgeving”) te veranderen.
5. energie kan ervoor zorgen dat atomen of moleculen in relatie tot elkaar bewegen, bijvoorbeeld een chemische reactie, of dat een object van positie verandert in een gravitatieveld (stijgen of vallen), of dat een geladen molecuul of object van positie verandert in een elektrisch veld.
6. net zoals energie beweging van materie kan veroorzaken, verandert de beweging van materie (d.w.z. van plaats veranderen van materie) de energie-inhoud en maakt het mogelijk dat energie wordt ‘overgedragen’ van het ene systeem naar het andere of van een molecuul naar een ander
7. energie kan ook worden overgedragen aan materiaal via elektromagnetische straling, golven van elektriciteit en magnetisme die worden afgegeven door een Bit materie met een temperatuur boven het absolute nulpunt (d.w.z. elk bit materie!!!). Elektromagnetische straling is een “vorm” van energie die van belang is voor alle levensvormen, maar vooral voor fotosynthetische organismen. Elektromagnetische straling heeft een dubbele aard en kan worden beschreven als (1) een ritme van elektrische en magnetische velden, een reeks golven met een bepaalde frequentie en golflengte, bewegen met een constante snelheid, De snelheid van het licht, of (2) pakketten energie genoemd fotonen. De energie in een pakket (een foton) is gerelateerd aan de golflengte van de golven van elektriciteit en magnetisme. Merk op dat deze fotonen/golven van elektriciteit en magnetisme in staat zijn om te interageren met materie en te transformeren, waardoor energie wordt overgedragen aan de materie.
8. twee andere concepten met betrekking tot energie zijn warmte, die de materie kan beïnvloeden door zijn kinetische energie te veranderen, waardoor de gemiddelde snelheid van de moleculen wordt gewijzigd, en werk, dat de positie van objecten in een gravitatieveld kan veranderen, of misschien chemicaliën op een bepaalde plek kan concentreren (chemisch werk). Terwijl zowel warmte als werk verbonden zijn met energie en soms als ‘vormen’ van energie worden beschouwd, kunnen ze beter worden omschreven als interacties tussen systemen of tussen een systeem en zijn omgeving.

een gemeenschappelijk kenmerk van zowel materie als energie is dat beide behouden blijven, iets wat beschreven wordt in wat bekend staat als de eerste wet van de thermodynamica. Hoewel de moderne fysica heeft aangetoond dat materie in energie kan worden omgezet en dat het hun collectieve entiteit (materie + energie) is die behouden blijft, worden in biologische systemen materie en energie nooit in elkaar omgezet en kunnen we dus elk als behouden beschouwen—er is altijd dezelfde hoeveelheid materie en dezelfde hoeveelheid energie, geen van beide wordt gecreëerd, vernietigd of ‘opgebruikt’.”Het behoud van materie is gemakkelijk te begrijpen, materie kan worden verplaatst van de ene plaats naar de andere, bijvoorbeeld geaccumuleerd in een organisme, verloren (of verkregen) door diffusie van (of naar) een organisme. Elementen kunnen worden herschikt, b.v. koolstof omgezet van koolhydraat in koolstofdioxide in het proces van cellulaire ademhaling, maar de hoeveelheid materie is constant—hetzelfde aantal koolstof, waterstof en zuurstof. Op dezelfde manier (en veel minder gewaardeerd) wordt energie behouden. Het kan worden ‘verplaatst’ van plaats naar plaats, of getransformeerd van de ene vorm naar de andere (als moleculen worden herschikt of verplaatst ten opzichte van elkaar en ten opzichte van gravitationele, elektrische en magnetische velden), maar de hoeveelheid energie is constant, onveranderlijk. Levende systemen, niet-levende systemen en combinaties van levende en niet-levende systemen herschikken materie, en door materie te herschikken herverdelen ze energie. Maar de eerste wet van de thermodynamica stelt dat er in al deze herschikkingen een beperking is: na elke herschikking moet de hoeveelheid materie en de hoeveelheid energie hetzelfde zijn als in het begin.

levende dingen reorganiseren materie voortdurend: moleculen combineren, moleculen scheiden in stukken, moleculen verplaatsen zich van de ene plaats naar de andere. In al deze transformaties moet materie behouden blijven. Bovendien moet de energie worden behouden; bijgevolg kunnen organismen energie vrijgeven tijdens sommige transformaties (omdat de uiteindelijke rangschikking van materiaal in het organisme minder energie heeft dan de oorspronkelijke rangschikking); of, als de uiteindelijke rangschikking meer energie heeft dan de oorspronkelijke rangschikking, moeten de organismen op de een of andere manier energie hebben verworven om de transformatie tot stand te brengen.

omdat materie en energie in nulsomspellen spelen, zou men kunnen denken dat hun transformaties nogal vervelend en potentieel cirkelvormig zijn, waarbij verliezen op één plek precies worden geëvenaard door winsten ergens anders, en het potentieel om precies te eindigen waar je begon. Dit is niet het geval, er is een richting naar de transformaties en het is strikt een eenrichtingsstroom: je kunt nooit terugkeren naar het beginpunt. Deze beperking wordt gedicteerd door de tweede wet van de thermodynamica die stelt dat ondanks het feit dat energie wordt behouden, de hoeveelheid energie die kan worden gebruikt om werk te doen steeds afneemt. Voor de meesten is deze uitspraak verrassend omdat ze aannemen dat alle energie kan worden gebruikt om werk te doen; maar sommige energie is niet ‘nuttig’ en de tweede wet stelt dat de hoeveelheid ‘nutteloze’ energie altijd toeneemt. De tweede wet van de thermodynamica is zeer krachtig en dit wordt weerspiegeld in het feit dat het op verschillende manieren kan worden gedefinieerd. Fundamenteel is het nut ervan gelegen in het feit dat het een pijl zet op herschikkingen van materie. Gegeven twee mogelijke arrangementen, A tot B, elk met dezelfde hoeveelheid materie en energie, bepaalt de tweede wet dat de richting van de herschikking altijd zal zijn naar een situatie die minder bruikbare energie heeft. De tweede wet geeft aan welke herschikkingen van de materie ‘spontaan’ zullen zijn, dat wil zeggen ‘op zichzelf zullen plaatsvinden.’Herschikkingen in de tegenovergestelde richting (de niet-spontane richting) zullen alleen plaatsvinden als er energie, nuttige energie, wordt geleverd.

de tweede wet voegt een tweede beperking op transformaties toe; niet alleen moet materie en energie worden behouden, maar de hoeveelheid nuttige energie moet afnemen. Beschouw een systeem A met een bepaalde hoeveelheid materie en energie tegelijk, één en hetzelfde systeem, nu A’ genoemd, een tijd later; de tweede wet schrijft voor dat, met uitzondering van interactie met de omgeving, de enige verandering in a die mogelijk is als het overgaat naar A’ er een is waar er een afname in energie beschikbaar is om te werken; dus als je eenmaal situatie a verlaat, kun je er niet meer naar terugkeren (d.w.z. van A’ terug naar A). Hoewel de energie in beide hetzelfde is, neemt de hoeveelheid energie die beschikbaar is om werk te doen af bij de overgang van A naar A.’ Dit weerspiegelt een van de gebruikelijke manieren waarop de tweede wet kan worden gesteld: er zijn geen Perpetuum motion machines. Een apparaat kan niet terug naar waar het begon zonder energie van buitenaf.

organismen, materie en energie

Hoe is dit allemaal van belang voor organismen?? Organismen worden gedeeltelijk gedefinieerd door hun vermogen om te groeien en aangezien groei de verwerving van materie vereist, moeten alle organismen in staat zijn om de specifieke materialen te verwerven waarmee ze zichzelf construeren. Bovendien vereist groei nuttige energie omdat er gewerkt wordt aan de bouw van de meeste nieuwe moleculen voor groei. Wat het begrijpen bemoeilijkt is dat materie (‘voedsel’) een dubbele rol speelt: (1) materieel, het verschaffen van de materialen die deel gaan uitmaken van het grotere organisme, (2) energetisch, het leveren van energie die beschikbaar wordt gesteld als materie wordt herschikt. De transformaties van materie en de overdracht van energie uitgevoerd door organismen zijn verweven op manieren die het mogelijk maken misvattingen gemakkelijk worden verkregen, maar het is belangrijk om te onthouden dat materie en energie twee verschillende entiteiten zijn.

maar groei is niet de enige reden dat organismen materie nodig hebben en het is niet de enige reden waarom organismen energie nodig hebben.

waarom organismen energie nodig hebben

1. naast energie voor groei hebben organismen energie nodig omdat ze in fysisch-chemische zin’ werken’. Ze creëren elektrochemische potentialen, ze ontwikkelen druk, ze genereren krachten die resulteren in beweging. Bijzonder belangrijk is dat ze chemisch werk uitvoeren terwijl ze groeien: veel biomoleculen bestaan uit regelingen van materie die meer nuttige energie bevatten dan de materialen waaruit deze moleculen zijn opgebouwd, en daarom is energie nodig om ze te synthetiseren. Het groeiproces vereist dat organismen materiaal herschikken, herpositioneren, op manieren die ervoor zorgen dat het nieuwe materiaal meer bruikbare energie bezit dan waar het van gemaakt is. Dit is alleen mogelijk als organismen een ’toevoer van energie’ hebben en het werk dat ze doen mogelijk is omdat een deel van de energie in deze toevoer wordt ‘gebruikt’ om de herschikkingen van materialen mogelijk te maken. Merk op dat energie wordt behouden, maar de hoeveelheid nuttige energie, de hoeveelheid die kan worden gebruikt om werk te doen, is verminderd.
2. maar zelfs in de hypothetische situatie waarin een organisme niet groeit (meer biomoleculen maakt) en geen werk doet (bijvoorbeeld zichzelf of materialen in zichzelf beweegt), zou het nog steeds energie nodig hebben om zichzelf in stand te houden. Organismen bestaan in een georganiseerde staat die spontaan degradeert tot een minder georganiseerde staat. Het behoud van de georganiseerde staat vereist energie. Een gemakkelijk begrepen voorbeeld van dit impliceert het ladingsverschil gevonden over het celmembraan, met de binnenkant die negatief ten opzichte van de buitenkant zijn. Deze georganiseerde situatie ‘breekt’ spontaan af naar een minder georganiseerde situatie omdat elektrische krachten negatieve ionen over het membraan duwen en positieve ionen naar binnen. Onderhoud van de georganiseerde toestand vereist energie omdat het proces van organiseren (in dit geval het verplaatsen van ionen over een membraan zodat ze meer geconcentreerd zijn op een plaats dan een andere) energie vereist.

hoe organismen energie verkrijgen

in de energetische behoeften van organismen wordt grotendeels voorzien door het verkrijgen van biomoleculen (voedsel), in het algemeen koolhydraten, en deze te verwerken in een groep reacties die cellulaire ademhaling wordt genoemd. Cellulaire ademhaling (hoofdstuk 19) is een gecontroleerd ‘verbrandingsproces’ waarbij koolhydraten reageren met zuurstof (de koolhydraten worden geoxideerd), waardoor kooldioxide en water worden geproduceerd. Als men de energie-inhoud van equivalente hoeveelheden koolhydraten plus zuurstof vergelijkt met die in kooldioxide plus water, is er aanzienlijk minder energie in kooldioxide plus water. Als je koolhydraten verbrandt in een vuur komt het verschil in energie vrij als warmte en licht, maar in cellulaire ademhaling komt er minder energie vrij als warmte, en geen Als licht, omdat sommige energie wordt ‘opgevangen’ in chemicaliën, in het bijzonder een zogenaamde ATP. Omdat de producten van de reactie (kooldioxide en water) onzichtbare gassen zijn geloven velen dat cellulaire ademhaling materie omzet in energie. Maar dit is onmogelijk, de eerste wet verbiedt het! De oorspronkelijke koolstof, zuurstof en waterstof zijn nog steeds aanwezig, op dit moment in verschillende vormen. Ook de oorspronkelijke energie blijft, maar is nu aanwezig in de ATP die wordt gevormd en de warmte-energie die wordt vrijgegeven.

waarom organismen materiaal verliezen vanwege hun energetische behoeften

omdat een organisme cellulaire ademhaling uitvoert, produceert het twee materialen (water en kooldioxide) die gemakkelijk verloren gaan en soms ‘doelbewust’ worden geëlimineerd (bijvoorbeeld bij mensen waar de ademhaling, d.w.z. ventilatie, het verlies van water en kooldioxide vergemakkelijkt). Als gevolg van cellulaire ademhaling verliezen organismen voortdurend materie als kooldioxide en water en verliezen daardoor ook gewicht. Dus, om zijn gewicht te behouden, moet een ademend organisme meer ‘voedsel’verwerven.

het verkrijgen van materie en energie

om in hun energetische behoeften te voorzien, heeft een organisme een toevoer van koolhydraten (of andere biomoleculen) nodig voor gebruik in de cellulaire ademhaling. Deze koolhydraten kunnen op twee fundamentele manieren worden verkregen: (1) door het consumeren van biomoleculen die zijn geproduceerd door andere levende dingen—koolhydraten of moleculen zoals eiwitten die kunnen worden gemetaboliseerd om koolhydraten te produceren of (2) door het consumeren van ‘zelfgebouwde’ koolhydraten die worden geproduceerd in reacties (meestal fotosynthetische reacties) die koolhydraten synthetiseren uit kooldioxide en water. Dergelijke reacties maken gebruik van’ bronnen ‘ van energie (bijvoorbeeld zonlicht) die een chemische reactie mogelijk maken wanneer de producten meer energie hebben dan de reagentia. De gesynthetiseerde koolhydraten worden dan gebruikt om cellulaire ademhaling, d.w.z. ze worden omgezet in kooldioxide en water. De groep die koolhydraten consumeert die andere organismen hebben geproduceerd worden heterotrofen genoemd (heterooverig, troph-eat; letterlijk ‘eet anderen’), en de organismen die hun eigen koolhydraten maken om te ‘eten’ worden autotrofen genoemd (auto-zelf, troph-eat; letterlijk ‘zelf-eters’). Het is belangrijk om cellulaire ademhaling te realiseren komt in beide groepen voor, verschillen zij slechts in hoe zij koolhydraten verwerven om in cellulaire ademhaling te worden geoxideerd.

het is van cruciaal belang om in gedachten te houden dat materie en energie twee verschillende dingen zijn, maar dat ze met elkaar verweven zijn. Energie die aanwezig is in koolhydraten en zuurstof kan ‘vrijkomen’ wanneer het materiaal wordt herschikt in kooldioxide en water. De’ vrijgekomen energie ‘ kan eindigen als warmte, of als werk, of in een nieuwe opstelling van moleculen (bijvoorbeeld ATP is een herschikt versie van ADP plus anorganisch fosfaat). De tweede wet vereist echter dat de totale hoeveelheid energie in de nieuwe regeling (bijv., kooldioxide, water en ATP) moet minder vermogen om werk te doen dan de eerdere regeling (in dit voorbeeld, koolhydraten plus zuurstof plus ADP plus anorganisch fosfaat).

begrijpen dat het’ voedsel ‘ dat organismen verkrijgen, hetzij door het te vinden (heterotrofen), hetzij door het te maken (autotrofen), een dubbele functie heeft, door (1) energie (door cellulaire ademhaling) en (2) materiaal (door een verscheidenheid aan metabole routes waar koolhydraten worden geherconfigureerd om andere biomoleculen (eiwitten, vetten, nucleïnezuren) te produceren. Als voedsel energie levert door het proces van cellulaire ademhaling wordt het omgezet in kooldioxide en water en deze kunnen niet materieel worden gebruikt om biomoleculen te maken. Als alternatief kan voedsel ‘bouwmaterialen’ leveren die worden gebruikt om meer celmembranen, celwanden en cellulaire enzymen te maken, maar dit voedsel zal geen ‘energie’leveren. Voedsel kan niet tegelijkertijd energie en bouwmaterialen leveren! Je kunt je taart niet ‘hebben ‘(ermee bouwen) en ook niet’ Eten ‘ (gebruik het voor cellulaire ademhaling).

de belangrijkste onderwerpen die in dit hoofdstuk over de groei van organismen moeten worden behandeld, worden hieronder vetgedrukt weergegeven. Groei heeft zowel materiële als energetische behoeften. Zoals hierboven beschreven, worden bijna alle energetische behoeften van bijna alle organismen bereikt door cellulaire ademhaling (hoofdstuk 18) – de oxidatie van koolhydraten door zuurstof, het produceren van kooldioxide en water. Voldoen aan de materiële behoeften van heterotrofe organismen is een relatief eenvoudig verhaal; het is echter ingewikkelder voor autotrophs, waar het zowel fotosynthese (hoofdstuk 19) als minerale voeding (hoofdstuk 22) betreft, de verwerving van minerale elementen zoals stikstof en fosfor. Hoewel de meeste prokaryoten voldoen aan hun materiële en energetische behoeften in typische heterotroph of autotroph mode, zullen we ook enkele van de metabolische diversiteit (hoofdstuk 21) gevonden in sommige prokaryotes die zeer verschillende patronen van het voldoen aan energie en materiële eisen onthullen. Deze diversiteit vormt een interessant contrast met de bekende, normale levenswijze en speelt ook een belangrijke rol in de voeding van planten door de beschikbaarheid van plantenvoedingsstoffen te beïnvloeden. We zullen kort bekijken hoe organismen materialen door hun lichaam verplaatsen (hoofdstuk 24), een proces dat meestal (maar niet altijd!) ‘vereist energie’. We zullen ook rekening houden met de aard van de bodem (hoofdstuk 23), die dienen als reservoirs voor de voedingsstoffen en het water dat planten nodig hebben. Een laatste aspect van de groei die we zullen overwegen is de ritmes van de groei (hoofdstuk 25) die organismen, vooral planten, vertonen en hoe deze groei kan worden gemodelleerd.