życie nieożywione

jedną z czynności definiujących organizmy jest to, że w pewnym momencie ich życia lub w jego trakcie rosną. Wzrost wymaga nabycia materii i zarówno nabycie materii i włączenie tego materiału w żywej formie (to znaczy, w biomolekuł) wymaga energii. Zarówno Materia, jak i energia są potrzebne, ale ważne jest, aby pamiętać, że są to dwa odrębne byty, które nie są wzajemnie powiązane. Przemiany energii, które przeprowadzają organizmy, obejmują manipulacje materią, ale nie obejmują przekształcania materii w energię. Energia jest uzyskiwana przez przestawianie materii, głównie przez przekształcanie węglowodanów i tlenu w dwutlenek węgla i wodę. Co komplikuje zrozumienie jest to, że materia jest potrzebna na dwa sposoby (rys. 1): (1) materialnie, zapewniając materiały, które stają się częścią większego organizmu: organizmy są zbudowane z węglowodanów, (2) energetycznie, ponieważ energia może być udostępniona w miarę przekształcania materii, np., przekształcając węglowodany i tlen w dwutlenek węgla i wodę. Chociaż Materia jest przearanżowana, nie jest przekształcana w energię.

Materia, energia i prawa termodynamiki

Materia i energia są kluczowymi graczami w procesie życia na wszystkich poziomach: komórki, organizmu i ekosystemu. Zarówno Materia, jak i energia są znajomymi ideami, ale powszechne są błędne wyobrażenia, zwłaszcza dotyczące energii i interakcji między materią a energią w systemach biologicznych. Materia jest prosta: ma masę, zajmuje przestrzeń i może być podzielona na pierwiastki (np. węgiel, wodór, tlen), które często są zwykle obecne w określonych mieszaninach nazywanych cząsteczkami (np. dwutlenek węgla, glukoza), które mają charakterystyczny skład pierwiastków i są ułożone w określony sposób. Żywe istoty są zbudowane z materii i mają charakterystyczny skład materiałowy, są wykonane z biomolekuł, takich jak białka, węglowodany i kwasy nukleinowe. Życie może być częściowo zdefiniowane przez zdolność istot żywych (organizmów) do pozyskiwania materii i włączania jej do siebie, tj. do wzrostu. Życie można również zdefiniować na podstawie jego zdolności do manipulowania materią w charakterystyczny sposób, który wiąże się z transferem energii.

podczas gdy Materia jest łatwym pojęciem, energia jest znacznie bardziej nieuchwytna; rozważ następujące rzeczy:

1. energia ma zdolność wpływania na materię, zmieniając ją lub przenosząc z jednego miejsca do drugiego.
2. energia jest dynamiczna i energia związana z danym kawałkiem materii, np. cząsteczką, zależy od okoliczności; jest funkcją sytuacji, w której Materia się znajduje, prędkości, w jakiej się porusza, położenia, w którym się znajduje, w szczególności jej położenia względem innej materii lub względem pól elektrycznych, magnetycznych i grawitacyjnych (które są kontrolowane przez materię).
3. energia jest własnością systemów, tj., zbiór materii w określonym miejscu i o specyficznych relacjach ze sobą.
4. Energia opisuje zdolność danego zespołu materii (’systemu’) do zmiany organizacji innego kawałka materii (innego 'systemu’, a może 'otoczenia’).
5. energia może spowodować, że atomy lub cząsteczki poruszają się względem siebie, np. reakcja chemiczna, lub spowodować zmianę pozycji obiektu w polu grawitacyjnym (wzrost lub upadek), lub spowodować zmianę pozycji naładowanej cząsteczki lub obiektu w polu elektrycznym.
6. tak jak energia może powodować ruch materii, ruch materii (tj. zmiana położenia materii) zmienia zawartość energii i pozwala na „przeniesienie” energii z jednego układu do drugiego lub z jednej cząsteczki do drugiej
7. energia może być również przenoszona do materiału poprzez promieniowanie elektromagnetyczne, fale elektryczności i magnetyzm, które są emitowane przez dowolny kawałek materii o temperaturze powyżej zera bezwzględnego (tj. każdy kawałek materii!!!).
8. promieniowanie elektromagnetyczne jest „formą” energii, która jest ważna dla wszystkich form życia, a zwłaszcza dla organizmów fotosyntetycznych. Promieniowanie elektromagnetyczne ma podwójną naturę i można je opisać jako (1) rytm pól elektrycznych i magnetycznych, serię fal o określonej częstotliwości i długości fali, poruszających się ze stałą prędkością, prędkością światła lub (2) pakiety energii zwane fotonami. Energia w pakiecie (fotonie) jest związana z długością fali fal elektryczności i magnetyzmu. Zauważ, że te fotony / fale elektryczności i magnetyzmu są w stanie oddziaływać z materią i przekształcać ją, przenosząc w ten sposób energię do materii.
9. dwa inne pojęcia związane z energią to ciepło, które może wpływać na materię, zmieniając jej energię kinetyczną, zmieniając średnią prędkość poruszania się cząsteczek i pracę, która może zmieniać położenie obiektów w polu grawitacyjnym, lub być może koncentrować chemikalia w określonym miejscu (praca chemiczna). Podczas gdy zarówno ciepło, jak i praca są połączone z energią i są czasami uważane za „formy” energii, można je lepiej opisać jako interakcje między systemami lub między Systemem a jego otoczeniem.

wspólną cechą zarówno materii, jak i energii jest to, że obie są zachowane, coś opisanego w tym, co jest znane jako pierwsze prawo termodynamiki. Chociaż współczesna fizyka wykazała, że materię można przekształcić w energię i to ich zbiorowy byt (Materia + energia) jest zachowany, w systemach biologicznych Materia i energia nigdy nie są przekształcane jeden w drugi, a zatem możemy uznać każdy za zachowany—zawsze istnieje ta sama ilość materii i ta sama ilość energii, żadna z nich nie jest tworzona, niszczona ani „zużywana”.”Zachowanie materii jest łatwo zrozumiałe, Materia może być przenoszona z jednego miejsca do drugiego, np. nagromadzona w organizmie, utracona (lub zyskana) przez dyfuzję z (lub do) organizmu. Pierwiastki mogą ulegać rearanżacji, np. węgiel przekształcony z węglowodanów w dwutlenek węgla w procesie oddychania komórkowego, ale ilość materii jest stała—taka sama liczba atomów węgla, wodoru i tlenu. Podobnie (i znacznie mniej doceniane), energia jest zachowywana. Może być „przenoszona” z miejsca na miejsce, lub przekształcana z jednej formy do drugiej (jak cząsteczki są uporządkowane lub przemieszczane względem siebie i względem pola grawitacyjnego, elektrycznego i magnetycznego), ale ilość energii jest stała, niezmienna. Systemy żywe, systemy nieożywione oraz kombinacje systemów żywych i nieożywionych przekształcają materię, a poprzez ich uporządkowanie redystrybuują energię. Ale pierwsze prawo termodynamiki mówi, że we wszystkich tych przegrupowaniach istnieje ograniczenie: po każdym przegrupowaniu ilość materii i ilość energii muszą być takie same, jak na początku.

istoty żywe nieustannie reorganizują materię: cząsteczki łączą się, cząsteczki rozdzielają się na kawałki, cząsteczki przemieszczają się z jednego miejsca do drugiego. We wszystkich tych przemianach Materia musi być zachowana. Ponadto energia musi być zachowana; w konsekwencji organizmy mogą uwalniać energię podczas pewnych przekształceń (ponieważ końcowy układ materiału w organizmie ma mniej energii niż układ początkowy); lub, jeśli układ końcowy ma więcej energii niż układ początkowy, organizmy muszą w jakiś sposób zdobyć energię, aby doprowadzić do transformacji.

ponieważ Materia i energia grają w grach o sumie zerowej, można by pomyśleć, że ich transformacje są raczej żmudne i potencjalnie koliste, a straty w jednym miejscu są dokładnie dopasowane do zysków gdzie indziej, a potencjał zakończenia dokładnie tam, gdzie zacząłeś. To nie jest przypadek, istnieje kierunek transformacji i jest to przepływ ściśle jednokierunkowy: nigdy nie można wrócić do punktu wyjścia. Ograniczenie to jest podyktowane drugim prawem termodynamiki, które stwierdza, że pomimo zachowania energii, ilość energii jaka może być wykorzystana do pracy zawsze maleje. Dla większości to stwierdzenie jest zaskakujące, ponieważ zakładają, że cała energia może być wykorzystana do pracy; ale część energii nie jest „użyteczna”, a drugie prawo stwierdza, że ilość „bezużytecznej” energii zawsze rośnie. Drugie prawo termodynamiki jest niezwykle potężne i znajduje to odzwierciedlenie w tym, że można je zdefiniować na wiele sposobów. Zasadniczo jego użyteczność polega na tym, że stawia strzałkę na przearanżowania materii. Biorąc pod uwagę dwa możliwe układy, A do B, każdy z taką samą ilością materii i energii, drugie prawo nakazuje, że kierunek przegrupowania będzie zawsze do sytuacji, która ma mniej użyteczną energię. Drugie prawo wskazuje na to, jakie przearanżowania materii będą „spontaniczne”, tzn. nastąpią ” same z siebie.”Przestawianie w kierunku przeciwnym (kierunek nie spontaniczny) nastąpi tylko wtedy, gdy zostanie dostarczona energia użyteczna.

drugie prawo dodaje drugie ograniczenie do przekształceń; nie tylko musi być zachowana Materia i energia, ale ilość użytecznej energii musi się zmniejszać. Rozważmy system a z pewną ilością materii i energii naraz, jeden i ten sam system, teraz zwany A’, po pewnym czasie; drugie prawo nakazuje, że, z wyjątkiem interakcji z otoczeniem, jedyną zmianą w A, która jest możliwa, gdy przechodzi do A’, jest taka, w której występuje spadek energii dostępnej do pracy; tak więc po opuszczeniu sytuacji a, nie możesz do niej wrócić (tj. dostać się z’ z powrotem do a). Chociaż energia w obu jest taka sama, ilość energii dostępnej do wykonania pracy zmniejsza się, gdy przechodzi z A do A. ” odzwierciedla to jeden z powszechnych sposobów, w jaki można stwierdzić drugie prawo: nie ma maszyn perpetuum mobile. Urządzenie nie może wrócić tam, gdzie się zaczęło bez energii z „zewnątrz”.

organizmy, Materia i energia

Jak to wszystko ma znaczenie dla organizmów?? Organizmy są po części definiowane przez ich zdolność do wzrostu, a ponieważ wzrost wymaga nabycia materii, wszystkie organizmy muszą być w stanie nabyć konkretne materiały, z których się budują. Co więcej, wzrost wymaga użytecznej energii, ponieważ praca jest wykonywana w budowie większości nowych cząsteczek dla wzrostu. To, co komplikuje zrozumienie, to fakt, że materia (’żywność’) odgrywa podwójną rolę: (1) materialnie, dostarczając materiałów, które stają się częścią większego organizmu, (2) energetycznie, dostarczając energii, która jest udostępniana w miarę przekształcania materii. Przemiany materii i transfery energii dokonywane przez organizmy są splecione w sposób, który pozwala łatwo uzyskać błędne wyobrażenia, ale ważne jest, aby pamiętać, że materia i energia to dwa różne byty.

ale wzrost nie jest jedynym powodem, dla którego organizmy potrzebują materii i nie jest jedynym powodem, dla którego organizmy potrzebują energii.

dlaczego organizmy potrzebują energii

1. poza potrzebą energii dla wzrostu organizmy potrzebują energii, ponieważ „działają” w sensie fizyczno-chemicznym. Tworzą potencjały elektrochemiczne, rozwijają ciśnienie, wytwarzają siły, które powodują ruch. Szczególnie istotne jest to, że wykonują one prace chemiczne w miarę wzrostu: wiele biomolekuł składa się z układów materii, które zawierają więcej użytecznej energii niż materiały, z których te cząsteczki są zbudowane, a zatem energia jest potrzebna do ich syntezy. Proces wzrostu wymaga od organizmów zmiany układu materiału, zmiany jego położenia, w taki sposób, aby nowy materiał posiadał więcej użytecznej energii niż to, z czego został wykonany. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy organizmy mają „zapas energii”, a praca, którą wykonują, jest możliwa, ponieważ część energii z tego zapasu jest „zużywana”, aby umożliwić rearanżację materiałów. Zauważ, że energia jest zachowana, ale ilość użytecznej energii, ilość, którą można wykorzystać do pracy, jest zmniejszona.
2. ale nawet w hipotetycznej sytuacji, w której organizm nie rośnie (wytwarza więcej biomolekuł) i nie wykonuje pracy (np. porusza się sam lub materiały w sobie), nadal potrzebuje energii, aby się utrzymać. Organizmy istnieją w zorganizowanym stanie, który spontanicznie degraduje się do mniej zorganizowanego stanu. Utrzymanie zorganizowanego państwa wymaga energii. Łatwo zrozumiałym przykładem tego jest różnica ładunku znaleziona w błonie komórkowej, przy czym wnętrze jest ujemne w stosunku do zewnątrz. Ta zorganizowana sytuacja spontanicznie „rozpada się” na mniej zorganizowaną, ponieważ siły elektryczne wypychają jony ujemne przez membranę, a jony dodatnie do środka. Utrzymanie zorganizowanego stanu wymaga energii, ponieważ proces organizowania (w tym przypadku przenoszenie jonów przez membranę, aby były bardziej skoncentrowane w jednym miejscu niż w innym) wymaga energii.

jak organizmy uzyskują energię

potrzeby energetyczne organizmów są w dużej mierze zaspokajane przez pozyskiwanie biomolekuł (żywności), na ogół węglowodanów, i przetwarzanie ich w grupie reakcji zwanych oddychaniem komórkowym. Oddychanie komórkowe (Rozdział 19) jest kontrolowanym procesem „spalania”, w którym węglowodany reagują z tlenem (węglowodany są utleniane), wytwarzając dwutlenek węgla i wodę. Jeśli porównamy zawartość energetyczną równoważnych ilości węglowodanów plus tlen do zawartości dwutlenku węgla plus wody, dwutlenek węgla plus woda jest znacznie mniej energii. Jeśli spalasz węglowodany w pożarze, różnica w energii jest uwalniana jako ciepło i światło, ale w oddychaniu komórkowym mniej energii jest uwalniane jako ciepło, a żadna jako światło, ponieważ część energii jest „wychwytywana” w chemikaliach, w szczególności w ATP. Ponieważ produkty reakcji (dwutlenek węgla i woda) są niewidzialnymi gazami, wielu uważa, że oddychanie komórkowe przekształca materię w energię. Ale to jest niemożliwe, pierwsze prawo tego zabrania! Pierwotny węgiel, tlen i wodór są nadal obecne, tylko teraz w różnych postaciach. Podobnie pierwotna energia pozostaje, ale jest obecnie obecna w powstającym ATP i energii cieplnej, która jest uwalniana.

dlaczego organizmy tracą Materiał Ze względu na swoje potrzeby energetyczne

ponieważ organizm przeprowadza oddychanie komórkowe, wytwarza dwa materiały (wodę i dwutlenek węgla), które łatwo tracą, a czasami „celowo” eliminują (np. u ludzi, gdzie oddychanie, tj. wentylacja, ułatwia utratę wody i dwutlenku węgla). W wyniku oddychania komórkowego organizmy stale tracą materię jako dwutlenek węgla i wodę, a co za tym idzie również tracą na wadze. Tak więc, aby utrzymać swoją wagę, Oddychający organizm musi nabywać więcej „pokarmu”.

pozyskiwanie materii i energii

aby zaspokoić swoje potrzeby energetyczne, organizm wymaga podaży węglowodanów (lub innych biomolekuł) do wykorzystania w oddychaniu komórkowym. Węglowodany te można otrzymać na dwa podstawowe sposoby: (1) poprzez spożywanie biomolekuł, które zostały wyprodukowane przez inne żywe istoty—węglowodany lub cząsteczki, takie jak białka, które mogą być metabolizowane w celu wytworzenia węglowodanów lub (2) poprzez spożywanie „samodzielnie skonstruowanych” węglowodanów, które są wytwarzane w reakcjach (Zwykle reakcjach fotosyntetycznych), które syntetyzują węglowodany z dwutlenku węgla i wody. Takie reakcje wykorzystują „źródła” energii (np. światło słoneczne), które umożliwiają reakcję chemiczną, w której produkty mają więcej energii niż reagenty. Syntetyzowane węglowodany są następnie wykorzystywane do zasilania oddychania komórkowego, tj., są one przekształcane z powrotem do dwutlenku węgla i wody. Grupa spożywająca węglowodany, które wyprodukowały inne organizmy, jest określana jako heterotrofy (hetero-inne, troph-eat; dosłownie „jeść innych”), a organizmy, które wytwarzają własne węglowodany do „jedzenia”, są określane jako autotrofy (auto-ja, troph-eat; dosłownie „samo-zjadacze”). Ważne jest, aby uświadomić sobie, że oddychanie komórkowe występuje w obu grupach, różnią się one tylko tym, w jaki sposób pozyskują węglowodany, które mają być utlenione w oddychaniu komórkowym.

ważne jest, aby pamiętać, że materia i energia to dwie różne rzeczy, ale są ze sobą powiązane. Energia, która jest obecna w węglowodanach i tlenu może być „uwolniona”, gdy materiał jest przekształcany w dwutlenek węgla i wodę. „Uwolniona energia” może skończyć się jako ciepło lub jako praca, lub w nowym układzie cząsteczek (np. ATP jest zmienioną wersją ADP i nieorganicznego fosforanu). Drugie prawo wymaga jednak, aby całkowita ilość energii w nowym układzie (np., dwutlenek węgla, woda i ATP) musi posiadać mniejszą zdolność do wykonywania pracy niż wcześniejszy układ (w tym przykładzie, węglowodany plus tlen plus ADP plus fosforan nieorganiczny).

zauważ, że „pokarm” otrzymywany przez organizmy, albo przez znalezienie go (heterotrofy), albo przez wytworzenie go (autotrofy) pełni podwójną funkcję, dostarczając (1) energii (poprzez oddychanie komórkowe) i (2) materiału (poprzez różne szlaki metaboliczne, w których węglowodany są rekonfigurowane do produkcji innych biomolekuł (białka, tłuszcze, kwasy nukleinowe). Jeśli żywność dostarcza energii w procesie oddychania komórkowego, jest przekształcana w dwutlenek węgla i wodę, a te nie mogą być użyte materialnie do wytwarzania biomolekuł. Alternatywnie, żywność może dostarczyć „materiałów budowlanych”, które są używane do wytwarzania większej ilości błon komórkowych, ścian komórkowych, enzymów komórkowych, ale ta żywność nie będzie „dostarczać energii”. Żywność nie może jednocześnie dostarczać energii i materiałów budowlanych! Nie możesz „mieć” swojego ciasta (budować z nim) i „jeść” go zbyt (użyj go do oddychania komórkowego).

główne tematy, które zostaną omówione w tej sekcji dotyczącej wzrostu organizmów, zostały przedstawione pogrubioną czcionką poniżej. Wzrost ma zarówno potrzeby materialne, jak i energetyczne. Jak opisano powyżej, prawie wszystkie potrzeby energetyczne prawie wszystkich organizmów są realizowane przez oddychanie komórkowe (Rozdział 18) – utlenianie węglowodanów przez tlen, wytwarzanie dwutlenku węgla i wody. Zaspokojenie potrzeb materialnych organizmów heterotroficznych to stosunkowo prosta historia; jednak jest to bardziej skomplikowane dla autotrofów, gdzie obejmuje zarówno fotosyntezę (Rozdział 19), jak i odżywianie mineralne (Rozdział 22), akwizycję pierwiastków mineralnych, takich jak azot i fosfor. Chociaż większość prokariotów zaspokaja swoje potrzeby materialne i energetyczne w typowy sposób heterotroph lub autotroph, rozważymy również niektóre z różnorodności metabolicznej (Rozdział 21) Znalezione w niektórych prokariotach, które ujawniają bardzo różne wzorce zaspokajania wymagań energetycznych i materiałowych. Ta różnorodność jest interesującym kontrastem ze znanymi, normalnymi sposobami życia, a także odgrywa znaczącą rolę w odżywianiu roślin, wpływając na dostępność składników odżywczych dla roślin. Pokrótce rozważymy, w jaki sposób organizmy przemieszczają materiały po swoich ciałach (Rozdział 24), proces, który zwykle (ale nie zawsze!) „wymaga energii”. Rozważymy również naturę gleb (Rozdział 23), które służą jako rezerwuary dla składników odżywczych i wody, których potrzebują rośliny. Ostatnim aspektem wzrostu, który rozważymy, jest rytm wzrostu (Rozdział 25), który wykazują organizmy, zwłaszcza rośliny, i jak ten wzrost może być modelowany.