uma das atividades que definem organismos é que em algum momento de sua vida, ou ao longo dela, eles crescem. O crescimento requer a aquisição da matéria e tanto a aquisição da matéria quanto a incorporação desse material em uma forma viva (ou seja, em biomoléculas) envolvem energia. Tanto a matéria quanto a energia são necessárias, mas é importante ter em mente que são duas entidades distintas que não são interconvertíveis. As transformações energéticas que os organismos realizam envolvem manipulações da matéria, mas não envolvem a conversão da matéria em energia. A energia é obtida reorganizando a matéria, principalmente convertendo carboidratos e oxigênio em dióxido de carbono e água. O que complica a compreensão é que a matéria é necessária de duas maneiras (Fig. 1): (1) materialmente, fornecendo os materiais que se tornam parte do organismo maior: os organismos são feitos de carboidratos, (2) energeticamente, porque a energia pode ser disponibilizada à medida que a matéria é reorganizada, por exemplo., convertendo carboidratos e oxigênio em dióxido de carbono e água. Embora a matéria esteja sendo reorganizada, ela não está sendo transformada em energia.
matéria, energia e as leis da Termodinâmica
a matéria e a energia são atores-chave no processo da vida em todos os níveis: célula, organismo e ecossistema. Tanto a matéria quanto a energia são ideias familiares, mas equívocos são comuns, especialmente sobre energia e a interação entre matéria e energia em sistemas biológicos. A matéria é simples: tem massa, ocupa espaço e pode ser categorizada em elementos (por exemplo, carbono, hidrogênio, oxigênio) que geralmente estão presentes em misturas específicas denominadas moléculas (por exemplo, dióxido de carbono, glicose) que têm uma composição característica de elementos e são dispostas de maneiras específicas. Os seres vivos são feitos de matéria e têm uma composição Material característica, sendo feitos de biomoléculas, como proteínas, carboidratos e ácidos nucleicos. A vida pode ser parcialmente definida pela capacidade dos seres vivos (organismos) de adquirir matéria e incorporá-la em si mesmos, ou seja, de crescer. A vida também pode ser definida com base em sua capacidade de manipular a matéria de maneiras características que envolvem transferências de energia.
embora a matéria seja um conceito fácil, a energia é muito mais evasiva; considere o seguinte:
- a energia tem a capacidade de afetar a matéria reorganizando-a ou movendo-a de um lugar para outro.
- Energia é dinâmica e a energia associada a um determinado pouco de assunto, por exemplo, uma molécula, depende de circunstâncias; é uma função da situação em questão encontra-se em, a velocidade que está em movimento, o local que ele se encontra, em particular, a sua posição em relação a outro assunto ou em relação à elétricos, magnéticos e campos gravitacionais (que são controladas por questão).
- a energia é uma propriedade dos sistemas, ou seja,, um conjunto de matéria em um determinado lugar e com relações específicas entre si.
- a energia descreve a capacidade de um determinado conjunto de matéria (um ‘sistema’) de mudar a organização de outro pedaço de matéria (outro ‘sistema’ ou talvez ‘o ambiente’).
- a energia pode fazer com que átomos ou moléculas se movam em relação uns aos outros, por exemplo, uma reação química, ou fazer com que um objeto mude de posição em um campo gravitacional (ascensão ou queda), ou fazer com que uma molécula ou objeto carregado mude de posição em um campo elétrico.
- assim como a energia pode causar o movimento da matéria, o movimento da matéria (por exemplo, a questão da mudança de posição) altera o conteúdo de energia e permite que a energia ser “transferido” de um sistema para outro ou de uma molécula para outra
- Energia pode ser transferida para o material através de radiação eletromagnética, de ondas de eletricidade e magnetismo que estão fora dado por um pouco de assunto com uma temperatura acima do zero absoluto (i.é., cada bit da matéria!!!). A radiação eletromagnética é uma “forma” de energia que é importante para todas as formas de vida, mas especialmente para organismos fotossintéticos. A radiação eletromagnética tem uma natureza dual e pode ser descrito como (1) um ritmo de campos elétrico e magnético, uma série de ondas com uma determinada frequência e comprimento de onda, movendo a uma velocidade constante, a velocidade da luz, ou (2) pacotes de energia chamados fótons. A energia em um pacote (um fóton) está relacionada ao comprimento de onda das ondas de eletricidade e magnetismo. Observe que esses fótons / ondas de eletricidade e magnetismo são capazes de interagir com a matéria e transformá-la, transferindo energia para a matéria.
- Dois outros conceitos relacionados à energia, de calor, o que pode afectar a matéria, alterando a sua energia cinética, alterando a velocidade média que as moléculas estão se movendo, e o trabalho, o que pode alterar a posição dos objetos em um campo gravitacional, ou talvez concentrado de produtos químicos em um determinado lugar (química trabalho). Embora tanto o calor quanto o trabalho estejam conectados à energia e às vezes sejam considerados “formas” de energia, eles podem ser melhor descritos como interações entre sistemas ou entre um sistema e seus arredores.
uma característica comum da matéria e da energia é que ambas são conservadas, algo descrito no que é conhecido como a primeira lei da termodinâmica. Embora a física moderna tem demonstrado que a matéria pode ser convertida em energia e é a sua entidade coletiva (matéria + energia), que é conservada, em sistemas biológicos, a matéria e a energia NUNCA são convertidos um para o outro e, consequentemente, podemos considerar que cada ser preservada—, há sempre a mesma quantidade de matéria e a mesma quantidade de energia, nem um é criado, destruído ou utilizado para cima. A conservação da matéria é facilmente compreendida, a matéria pode ser movida de um lugar para outro, por exemplo, acumulada em um organismo, perdida (ou adquirida) por difusão de (ou para) um organismo. Os elementos podem ser rearranjados, por exemplo, carbono transformado de carboidrato em dióxido de carbono no processo de respiração celular, mas a quantidade de matéria é constante—o mesmo número de carbonos, hidrogênios e oxígenos. Da mesma forma (e muito menos apreciada), a energia é conservada. Pode ser “movido” de um lugar para outro, ou transformado de uma forma para outra (como moléculas são reorganizadas ou movidas em relação umas às outras e em relação aos campos gravitacionais, elétricos e magnéticos), mas a quantidade de energia é constante, imutável. Sistemas vivos, sistemas não vivos e combinações de sistemas vivos e não vivos reorganizam a matéria e, reorganizando a matéria, redistribuem a energia. Mas a primeira lei da termodinâmica afirma que em todos esses rearranjos há uma restrição: após qualquer rearranjo, a quantidade de matéria e a quantidade de energia devem ser as mesmas do início. Os seres vivos reorganizam constantemente a matéria: as moléculas se combinam, as moléculas se separam em pedaços, as moléculas se movem de um lugar para outro. Em todas essas transformações, a matéria deve ser conservada. Além disso, a energia deve ser conservada; consequentemente, os organismos podem liberação de energia durante algumas transformações (porque o arranjo final do material, o organismo tem menos energia do que a disposição inicial); ou, se o acordo final tem mais energia do que a inicial, os organismos devem, de alguma forma, adquiriram energia para provocar a transformação.
como a matéria e a energia jogam em jogos de soma zero, pode-se pensar que suas transformações são bastante tediosas e potencialmente circulares, com perdas em um ponto sendo exatamente igualadas por ganhos em outro lugar e o potencial de acabar exatamente onde você começou. Este não é o caso, há uma direção para as transformações e é estritamente um fluxo unidirecional: você nunca pode retornar ao ponto de partida. Essa restrição é ditada pela segunda lei da termodinâmica, que afirma que, apesar do fato de que a energia é conservada, a quantidade de energia que pode ser usada para fazer o trabalho está sempre diminuindo. Para a maioria, essa afirmação é surpreendente porque eles assumem que toda a energia pode ser usada para fazer o trabalho; mas alguma energia não é “útil” e a segunda lei afirma que a quantidade de energia “inútil” está sempre aumentando. A Segunda Lei da termodinâmica é extremamente poderosa e isso se reflete no fato de que ela pode ser definida de várias maneiras. Fundamentalmente, sua utilidade reside no fato de que ele coloca uma flecha em rearranjos da matéria. Dado dois arranjos possíveis, A A B, cada um com a mesma quantidade de matéria e energia, a segunda lei determina que a direção do rearranjo será sempre para uma situação que tenha energia menos útil. A Segunda Lei aponta quais rearranjos da matéria serão “espontâneos”, ou seja, ocorrerão ” por conta própria. Rearranjos na direção oposta (a direção não espontânea) só ocorrerão se a energia, energia útil, for fornecida.
a Segunda Lei adiciona uma segunda restrição às transformações; não só a matéria e a energia devem ser conservadas, mas a quantidade de energia útil deve diminuir. Considere um sistema com uma determinada quantidade de matéria e energia em um momento, um único e mesmo sistema, agora chamado’, um tempo depois; a segunda, a lei determina que, restrição de interação com o entorno, a única alteração em Uma que é possível transições para Um “é aquele em que há uma diminuição da energia disponível para fazer o trabalho; assim, depois de sair de Uma situação, você não pode retornar a ele (por exemplo, começar a partir de Um” retorno a Um). Embora a energia em ambos seja a mesma, a quantidade de energia disponível para fazer o trabalho é diminuída à medida que transita de A para A.’ Isso reflete uma das maneiras comuns pelas quais a segunda lei pode ser declarada: não há máquinas de movimento perpétuo. Um dispositivo não pode voltar para onde começou sem energia do ‘lado de fora’.
organismos, matéria e energia
como tudo isso é significativo para os organismos?? Os organismos são definidos em parte por sua capacidade de crescer e, como o crescimento requer a aquisição da matéria, todos os organismos precisam ser capazes de adquirir os materiais específicos com os quais se constroem. Além disso, o crescimento requer energia útil porque o trabalho é feito na construção da maioria das novas moléculas para o crescimento. O que complica a compreensão é que a matéria (“alimento”) desempenha um papel duplo: (1) materialmente, fornecendo os materiais que se tornam parte do organismo maior, (2) energeticamente, fornecendo energia que é disponibilizada à medida que a matéria é reorganizada. As transformações da matéria e as transferências de energia realizadas pelos organismos estão entrelaçadas de maneiras que permitem que equívocos sejam facilmente adquiridos, mas é importante lembrar que matéria e energia são duas entidades diferentes. Mas o crescimento não é a única razão pela qual os organismos precisam de matéria e não é a única razão pela qual os organismos precisam de energia.
por que os organismos precisam de energia
- além de precisar de energia para o crescimento, os organismos precisam de energia porque “funcionam” no sentido físico/químico. Eles criam potenciais eletroquímicos, desenvolvem pressão, geram forças que resultam em movimento. Particularmente significativo é que eles realizam trabalhos químicos à medida que crescem: muitas biomoléculas consistem em arranjos de matéria que contêm mais energia útil do que os materiais dos quais essas moléculas são construídas e, portanto, é necessária energia para sintetizá-las. O processo de crescimento requer que os organismos reorganizem o material, reposicionem – no, de maneiras que façam com que o novo material possua mais energia útil do que o que foi feito. Isso só é possível se os organismos tiverem um “suprimento de energia” e o trabalho que eles fazem for possível porque parte da energia nesse suprimento é “usada” para permitir os rearranjos dos materiais. Observe que a energia é conservada, mas a quantidade de energia útil, a quantidade que pode ser usada para fazer o trabalho, é diminuída.
- mas mesmo na situação hipotética em que um organismo não está crescendo (fazendo mais biomoléculas) e não fazendo trabalho (por exemplo, movendo-se ou materiais dentro de si), ainda precisaria de energia simplesmente para se manter. Os organismos existem em um estado organizado que se degrada espontaneamente a um estado menos organizado. A manutenção do Estado organizado requer energia. Um exemplo facilmente compreendido disso envolve a diferença de carga encontrada na membrana celular, com o interior sendo negativo em relação ao exterior. Essa situação organizada espontaneamente “se decompõe” a uma menos organizada porque as forças elétricas empurram íons negativos para fora através da membrana e íons positivos para dentro. A manutenção do Estado organizado requer energia porque o processo de organização (neste caso, mover íons através de uma membrana para que eles estejam mais concentrados em um lugar do que outro) requer energia.
como os organismos obtêm energia
as necessidades energéticas dos organismos são amplamente satisfeitas adquirindo biomoléculas (alimentos), geralmente carboidratos, e processando-as em um grupo de reações chamado respiração celular. A respiração celular (Capítulo 19) é um processo controlado de ‘queima’ pelo qual os carboidratos reagem com o oxigênio (os carboidratos são oxidados), produzindo dióxido de carbono e água. Se compararmos o teor de energia de quantidades equivalentes de carboidratos mais oxigênio ao do dióxido de carbono mais água, há substancialmente menos energia no dióxido de carbono mais água. Se você queima carboidratos em um incêndio, a diferença de energia é liberada como calor e luz, mas na respiração celular, menos energia é liberada como calor e nenhuma como luz, porque alguma energia é “capturada” em produtos químicos, em particular um chamado ATP. Como os produtos da reação (dióxido de carbono e água) são gases invisíveis, muitos acreditam que a respiração celular converte matéria em energia. Mas isso é impossível, a primeira lei proíbe! O carbono original, oxigênio e hidrogênio ainda estão presentes, agora em diferentes formas. Da mesma forma, a energia original permanece, mas agora está presente no ATP que é formado e na energia térmica que é liberada.
Por organismos perder o material por causa de suas necessidades energéticas
Como um organismo realiza respiração celular produz dois materiais (água e dióxido de carbono) que são facilmente perdidos e, por vezes, ‘propositalmente’ eliminada (por exemplo, em humanos, onde a respiração, por exemplo, a ventilação, facilita a perda de água e dióxido de carbono). Como consequência da respiração celular, os organismos estão continuamente perdendo matéria como dióxido de carbono e água e, consequentemente, também estão perdendo peso. Assim, para manter seu peso, um organismo que respira deve adquirir mais “alimento”.
obtendo matéria e energia
para satisfazer suas necessidades energéticas, um organismo requer um suprimento de carboidratos (ou outras biomoléculas) para utilizar na respiração celular. Esses carboidratos podem ser obtidos de duas maneiras básicas: (1) consumindo biomoléculas que foram produzidas por outros seres vivos—carboidratos ou moléculas como proteínas que podem ser metabolizadas para produzir carboidratos ou (2) consumindo carboidratos ‘auto-construídos’ que são produzidos em reações (geralmente reações fotossintéticas) que sintetizam carboidratos a partir de dióxido de carbono e água. Tais reações utilizam ‘fontes’ de energia (por exemplo, luz solar) que permitem que uma reação química ocorra onde os produtos têm mais energia do que os reagentes. Os carboidratos sintetizados são então usados para alimentar a respiração celular, ou seja,, eles são convertidos de volta em dióxido de carbono e água. O grupo que consome carboidratos que outros organismos produzidos são chamados de heterotróficos (hetero-outros, troph-comer; literalmente ” comer outros), e os organismos que fazem a sua própria hidratos de carbono ‘comer’ são denominados autotrophs (auto-auto, troph-comer; literalmente, ‘auto-eaters”). É importante perceber que a respiração celular ocorre em ambos os grupos, eles diferem apenas na forma como adquirem carboidratos para serem oxidados na respiração celular.
é fundamental ter em mente que matéria e energia são duas coisas diferentes, mas estão entrelaçadas. A energia que está presente nos carboidratos e no oxigênio pode ser “liberada” quando o material é rearranjado em dióxido de carbono e água. A ‘energia liberada’ pode acabar como calor, ou como trabalho, ou em um novo arranjo de moléculas (por exemplo, ATP é uma versão rearranjada do ADP mais fosfato inorgânico). No entanto, a segunda lei exige que a quantidade total de energia no novo arranjo (por exemplo ,, dióxido de carbono, água e ATP) deve possuir menos capacidade de fazer o trabalho do que o arranjo anterior (neste exemplo, carboidrato mais oxigênio mais ADP mais fosfato inorgânico).
entender que a ‘comida’ que os organismos obter, como, por encontrar-la (heterotróficos) ou tornando – (autotrophs) tem uma dupla função, fornecer (1) energia (através da respiração celular) e (2) material (através de uma variedade de vias metabólicas onde os hidratos de carbono são reconfigurados para produzir outras biomoléculas (proteínas, gorduras, ácidos nucleicos). Se o alimento fornece energia através do processo de respiração celular, ele é transformado em dióxido de carbono e água e estes não podem ser usados materialmente para fazer biomoléculas. Alternativamente, os alimentos podem fornecer “materiais de construção” que são usados para fazer mais membranas celulares, paredes celulares, enzimas celulares, mas esse alimento não fornecerá energia. Os alimentos não podem fornecer energia e materiais de construção ao mesmo tempo! Você não pode ” ter “seu bolo (construir com ele) e” comê-lo ” também (usá-lo para a respiração celular).
os principais tópicos a serem abordados nesta seção sobre o crescimento de organismos são descritos em negrito abaixo. O crescimento tem necessidades materiais e energéticas. Como descrito acima, quase todas as necessidades energéticas de quase todos os organismos são realizadas pela respiração celular (Capítulo 18)—a oxidação de carboidratos pelo oxigênio, produzindo dióxido de carbono e água. Satisfazer as necessidades materiais de organismos heterotróficos é uma história relativamente simples; no entanto, é mais complicado para os autotróficos, onde envolve tanto a fotossíntese (Capítulo 19) quanto a nutrição mineral (Capítulo 22), a aquisição de elementos minerais como nitrogênio e fósforo. Embora a maioria dos procariontes satisfaça suas necessidades materiais e energéticas na forma típica de heterótrofo ou autótrofo, também consideraremos parte da diversidade metabólica (Capítulo 21) encontrada em alguns procariontes que revelam padrões muito diferentes de satisfazer as necessidades energéticas e materiais. Essa diversidade é um contraste interessante com os modos de vida familiares e normais e também desempenha um papel significativo na nutrição das plantas, influenciando a disponibilidade de nutrientes das plantas. Vamos considerar brevemente como os organismos movem materiais por todo o corpo (Capítulo 24), um processo que geralmente (mas nem sempre!) ‘requer energia’. Também consideraremos a natureza dos solos (Capítulo 23), que servem como reservatórios para os nutrientes e a água de que as plantas necessitam. Um aspecto final do crescimento que consideraremos são os ritmos de crescimento (Capítulo 25) que os organismos, especialmente as plantas, exibem e como esse crescimento pode ser modelado.