viață neînsuflețită

una dintre activitățile care definesc organismele este că la un moment dat în viața lor, sau de-a lungul ei, ele cresc. Creșterea necesită achiziționarea materiei și atât achiziția materiei, cât și încorporarea acestui material într-o formă vie (adică în biomolecule) implică energie. Atât materia, cât și energia sunt necesare, dar este important să rețineți că sunt două entități distincte care nu sunt interconvertibile. Transformările energetice pe care le efectuează organismele implică manipulări ale materiei, dar nu implică transformarea materiei în energie. Energia este obținută prin rearanjarea materiei, mai ales prin transformarea carbohidraților și a oxigenului în dioxid de carbon și apă. Ceea ce complică înțelegerea este că materia este necesară în două moduri (Fig. 1): (1) Material, furnizarea materialelor care devin parte a organismului mai mare: organismele sunt fabricate din carbohidrați, (2) energetic, deoarece energia poate fi pusă la dispoziție pe măsură ce materia este rearanjată, de ex., transformând carbohidrații și oxigenul în dioxid de carbon și apă. Deși materia este rearanjată, ea nu este transformată în energie.

materia, energia și Legile Termodinamicii

Materia și energia sunt actori cheie în procesul vieții la toate nivelurile: celulă, organism și ecosistem. Atât materia, cât și energia sunt idei familiare, dar concepțiile greșite sunt comune, în special despre energie și interacțiunea dintre materie și energie în sistemele biologice. Materia este simplă: are masă, ocupă spațiu și poate fi clasificată în elemente (de exemplu, carbon, hidrogen, oxigen) care sunt adesea prezente în amestecuri specifice denumite molecule (de exemplu, dioxid de carbon, glucoză) care au o compoziție caracteristică a elementelor și sunt aranjate în moduri specifice. Lucrurile vii sunt făcute din materie și au o compoziție materială caracteristică, fiind făcute din biomolecule precum proteine, carbohidrați și acizi nucleici. Viața poate fi parțial definită de capacitatea ființelor vii (organismelor) de a dobândi materie și de a o încorpora în ele însele, adică de a crește. Viața poate fi definită și pe baza capacității sale de a manipula materia în moduri caracteristice care implică transferuri de energie.

în timp ce materia este un concept ușor, energia este mult mai evazivă; luați în considerare următoarele:

1. energia are capacitatea de a afecta Materia rearanjând-o sau mutând-o dintr-un loc în altul.
2. energia este dinamică și energia asociată cu un anumit bit de materie, de exemplu, o moleculă, depinde de circumstanțe; este o funcție a situației în care se află Materia, viteza în care se mișcă, locația în care se află, în special poziția sa față de altă materie sau față de câmpurile electrice, magnetice și gravitaționale (care sunt controlate de materie).
3. energia este o proprietate a sistemelor, adică., un ansamblu de materie într-un anumit loc și cu relații specifice între ele.
4. energia descrie capacitatea unui ansamblu dat de materie (un ‘sistem’) de a schimba organizarea unui alt bit de materie (un alt ‘sistem’ sau poate ‘împrejurimile’).
5. energia ar putea determina atomii sau moleculele să se deplaseze în relație unul cu celălalt, de exemplu, o reacție chimică, sau să determine un obiect să schimbe poziția într-un câmp gravitațional (creștere sau cădere) sau să determine o moleculă încărcată sau un obiect să schimbe poziția într-un câmp electric.
6. la fel cum energia poate provoca mișcarea materiei, mișcarea materiei (adică schimbarea poziției materiei) modifică conținutul de energie și permite ca energia să fie ‘transferată’ de la un sistem la altul sau de la o moleculă la alta
7. energia poate fi transferată și în material prin radiații electromagnetice, unde de electricitate și magnetism care sunt emise de orice bit de materie cu o temperatură peste zero absolut (adică fiecare bit de materie!!!).
8. radiația electromagnetică este o ‘formă’ de energie care este importantă pentru toate formele de viață, dar mai ales pentru organismele fotosintetice. Radiația electromagnetică are o natură duală și poate fi descrisă ca (1) un ritm de câmpuri electrice și magnetice, o serie de unde cu o anumită frecvență și lungime de undă, care se deplasează cu o viteză constantă, viteza luminii sau (2) pachete de energie numite fotoni. Energia dintr-un pachet (un foton) este legată de lungimea de undă a undelor de electricitate și magnetism. Rețineți că acești fotoni/valuri de electricitate și magnetism sunt capabili să interacționeze cu materia și să o transforme, transferând astfel energia în materie.
9. alte două concepte legate de energie sunt căldura, care poate afecta materia prin schimbarea energiei sale cinetice, schimbarea vitezei medii pe care moleculele o mișcă și munca, care poate schimba poziția obiectelor într-un câmp gravitațional sau poate concentra substanțele chimice într-un anumit loc (lucru chimic). În timp ce atât căldura, cât și munca sunt conectate la energie și sunt uneori considerate ‘forme’ de energie, ele ar putea fi mai bine descrise ca interacțiuni între sisteme sau între un sistem și împrejurimile sale.

o caracteristică comună a materiei și a energiei este că ambele sunt conservate, ceva descris în ceea ce este cunoscut sub numele de prima lege a termodinamicii. Deși fizica modernă a demonstrat că materia poate fi transformată în energie și că entitatea lor colectivă (materie + energie) este conservată, în sistemele biologice Materia și energia nu sunt niciodată convertite una în alta și, prin urmare, putem considera că fiecare este conservată—există întotdeauna aceeași cantitate de materie și aceeași cantitate de energie, Nici una nu este creată, distrusă sau epuizată. Conservarea materiei este ușor de înțeles, Materia poate fi mutată dintr-un loc în altul, de exemplu acumulată într-un organism, pierdută (sau câștigată) prin difuzie de la (sau către) un organism. Elementele pot fi rearanjate, de exemplu carbon transformat din carbohidrați în dioxid de carbon în procesul de respirație celulară, dar cantitatea de materie este constantă—același număr de atomi de carbon, hidrogeni și oxigeni. În mod similar (și mult mai puțin apreciat), energia este conservată. Poate fi mutat dintr-un loc în altul sau transformat dintr-o formă în alta (deoarece moleculele sunt rearanjate sau mutate una față de cealaltă și în raport cu câmpurile gravitaționale, electrice și magnetice), dar cantitatea de energie este constantă, neschimbată. Sistemele vii, sistemele nevii și combinațiile de sisteme vii și nevii rearanjează Materia și, prin rearanjarea materiei, redistribuie energia. Dar prima lege a termodinamicii afirmă că în toate aceste rearanjări există o constrângere: după orice rearanjare, cantitatea de materie și cantitatea de energie trebuie să fie aceleași ca la început.

lucrurile vii reorganizează constant Materia: moleculele se combină, moleculele se separă în bucăți, moleculele se mișcă dintr-un loc în altul. În toate aceste transformări, materia trebuie conservată. În plus, energia trebuie conservată; în consecință, organismele pot elibera energie în timpul unor transformări (deoarece aranjamentul final al materialului din organism are mai puțină energie decât aranjamentul inițial); sau, dacă aranjamentul final are mai multă energie decât cel inițial, organismele trebuie să fi dobândit cumva energie pentru a produce transformarea.

din moment ce materia și energia joacă în jocuri cu sumă zero, atunci s-ar putea crede că transformările lor sunt destul de plictisitoare și potențial circulare, pierderile într-un singur loc fiind exact egalate de câștiguri în altă parte și potențialul de a ajunge exact acolo unde ați început. Nu este cazul, există o direcție către transformări și este strict un flux unidirecțional: nu vă puteți întoarce niciodată la punctul de plecare. Această constrângere este dictată de a doua lege a termodinamicii care afirmă că, în ciuda faptului că energia este conservată, cantitatea de energie care poate fi utilizată pentru a lucra este întotdeauna în scădere. Pentru cei mai mulți, această afirmație este uimitoare, deoarece ei presupun că toată energia poate fi folosită pentru a face muncă; dar o anumită energie nu este ‘utilă’ și a doua lege afirmă că cantitatea de energie ‘inutilă’ crește întotdeauna. A doua lege a termodinamicii este extrem de puternică și acest lucru se reflectă în faptul că poate fi definită într-o varietate de moduri. În mod fundamental, utilitatea sa se bazează pe faptul că pune o săgeată pe rearanjările materiei. Având în vedere două aranjamente posibile, de la A la B, fiecare cu aceeași cantitate de materie și energie, a doua lege dictează că direcția rearanjării va fi întotdeauna către o situație care are o energie mai puțin utilă. A doua lege arată ce rearanjări ale materiei vor fi ‘spontane’, adică vor avea loc ‘pe cont propriu. Rearanjările în direcția opusă (direcția non-spontană) vor avea loc numai dacă este furnizată energie, energie utilă.

a doua lege adaugă o a doua constrângere asupra transformărilor; nu numai că materia și energia trebuie conservate, dar cantitatea de energie utilă trebuie să scadă. Luați în considerare un sistem A cu o anumită cantitate de materie și energie la un moment dat, unul și același sistem, numit acum A’, un timp mai târziu; a doua lege dictează că, cu excepția interacțiunii cu împrejurimile, singura schimbare A lui A care este posibilă pe măsură ce trece la A’ este una în care există o scădere a energiei disponibile pentru a lucra; astfel, odată ce părăsiți situația A, nu vă puteți întoarce la ea (adică, treceți de la A’ înapoi la A). Deși energia din ambele este aceeași, cantitatea de energie disponibilă pentru a lucra este diminuată pe măsură ce trece de la A la A. Aceasta reflectă unul dintre modurile comune în care se poate afirma a doua lege: nu există mașini de mișcare perpetuă. Un dispozitiv nu se poate întoarce de unde a pornit fără energie din exterior.

organisme, materie și energie

cum sunt toate acestea semnificative pentru organisme?? Organismele sunt definite în parte prin capacitatea lor de a crește și, deoarece creșterea necesită achiziționarea de materie, toate organismele trebuie să poată dobândi materialele specifice cu care se construiesc. Mai mult, creșterea necesită energie utilă, deoarece se lucrează la construirea majorității moleculelor noi pentru creștere. Ceea ce complică înțelegerea este că materia (hrana) joacă un dublu rol: (1) Material, furnizând materialele care devin parte a organismului mai mare, (2) energetic, furnizând energie care este pusă la dispoziție pe măsură ce materia este rearanjată. Transformările materiei și transferurile de energie efectuate de organisme se împletesc în moduri care permit dobândirea cu ușurință a concepțiilor greșite, dar este important să ne amintim că materia și energia sunt două entități diferite.

dar creșterea nu este singurul motiv pentru care organismele au nevoie de materie și nu este singurul motiv pentru care organismele au nevoie de energie.

de ce organismele au nevoie de energie

1. pe lângă faptul că au nevoie de energie pentru creștere, organismele au nevoie de energie pentru că ‘funcționează’ în sens fizic/chimic. Ele creează potențiale electrochimice, dezvoltă presiune, generează forțe care duc la mișcare. Deosebit de important este faptul că efectuează lucrări chimice pe măsură ce cresc: multe biomolecule constau în aranjamente de materie care conțin mai multă energie utilă decât materialele din care sunt construite aceste molecule și, prin urmare, este nevoie de energie pentru a le sintetiza. Procesul de creștere cere organismelor să rearanjeze Materialul, să-l repoziționeze, în moduri care fac ca noul material să posede o energie mai utilă decât din ce a fost făcut. Acest lucru este posibil numai dacă organismele au o ‘sursă de energie’ și munca pe care o fac este posibilă deoarece o parte din energia din această sursă este ‘utilizată’ pentru a permite rearanjarea materialelor. Rețineți că energia este conservată, dar cantitatea de energie utilă, cantitatea care poate fi utilizată pentru a lucra, este diminuată.
2. dar chiar și în situația ipotetică în care un organism nu crește (făcând mai multe biomolecule) și nu lucrează (de exemplu, mișcându-se sau materiale în sine), ar avea nevoie de energie pur și simplu pentru a se menține. Organismele există într-o stare organizată care se degradează spontan într-o stare mai puțin organizată. Menținerea stării organizate necesită energie. Un exemplu ușor de înțeles în acest sens implică diferența de încărcare găsită pe membrana celulară, interiorul fiind negativ față de exterior. Această situație organizată se descompune spontan într-una mai puțin organizată, deoarece forțele electrice împing ionii negativi peste membrană și ionii pozitivi înăuntru. Menținerea stării organizate necesită energie, deoarece procesul de organizare (în acest caz mișcarea ionilor peste o membrană, astfel încât acestea să fie mai concentrate într-un loc decât altul) necesită energie.

modul în care organismele obțin energie

nevoile energetice ale organismelor sunt satisfăcute în mare măsură prin achiziționarea de biomolecule (alimente), în general carbohidrați, și procesarea lor într-un grup de reacții numite respirație celulară. Respirația celulară (Capitolul 19) este un proces controlat de ardere prin care carbohidrații reacționează cu oxigenul (carbohidrații sunt oxidați), producând dioxid de carbon și apă. Dacă se compară conținutul energetic al cantităților echivalente de carbohidrați plus oxigen cu cel din dioxidul de carbon plus apă, există substanțial mai puțină energie în dioxidul de carbon plus apă. Dacă ardeți carbohidrați într-un foc, diferența de energie este eliberată sub formă de căldură și lumină, dar în respirația celulară, mai puțină energie este eliberată sub formă de căldură și niciuna sub formă de lumină, deoarece o anumită energie este captată în substanțe chimice, în special una numită ATP. Deoarece produsele reacției (dioxidul de carbon și apa) sunt gaze invizibile, mulți cred că respirația celulară transformă materia în energie. Dar acest lucru este imposibil, prima lege o interzice! Carbonul original, oxigenul și hidrogenul sunt încă prezente, chiar acum sub diferite forme. În mod similar, energia originală rămâne, dar este acum prezentă în ATP care se formează și în energia termică care este eliberată.

de ce organismele pierd material din cauza nevoilor lor energetice

pe măsură ce un organism efectuează respirația celulară, produce două materiale (apă și dioxid de carbon) care sunt ușor pierdute și uneori eliminate în mod intenționat (de exemplu, la oameni, unde respirația, adică ventilația, facilitează pierderea apei și a dioxidului de carbon). Ca o consecință a respirației celulare, organismele pierd continuu materie ca dioxid de carbon și apă și, prin urmare, pierd și greutate. Astfel, pentru a-și menține greutatea, un organism care respiră trebuie să dobândească mai multă hrană.

obținerea materiei și a energiei

pentru a-și satisface nevoile energetice, un organism necesită o cantitate de carbohidrați (sau alte biomolecule) pentru a le utiliza în respirația celulară. Acești carbohidrați pot fi obținuți în două moduri de bază: (1) prin consumul de biomolecule care au fost produse de alte lucruri vii—carbohidrați sau molecule precum proteinele care pot fi metabolizate pentru a produce carbohidrați sau (2) prin consumul de carbohidrați auto-construiți care sunt produși în reacții (de obicei reacții fotosintetice) care sintetizează carbohidrații din dioxid de carbon și apă. Astfel de reacții utilizează ‘surse’ de energie (de exemplu, lumina soarelui) care permit o reacție chimică să apară acolo unde produsele au mai multă energie decât reactanții. Carbohidrații sintetizați sunt apoi utilizați pentru a alimenta respirația celulară, adică., ele sunt transformate înapoi în dioxid de carbon și apă. Grupul care consumă carbohidrați pe care i-au produs alte organisme este denumit heterotrof (hetero-altul, troph-eat; literalmente ‘mănâncă alții’), iar organismele care își fac propriile carbohidrați pentru a ‘mânca’ sunt denumite autotrofe (auto-auto, troph-eat; literalmente ‘mâncători de sine’). Este important să realizăm că respirația celulară are loc în ambele grupuri, ele diferă doar prin modul în care dobândesc carbohidrați pentru a fi oxidați în respirația celulară.

este esențial să rețineți că materia și energia sunt două lucruri diferite, dar ele sunt interconectate. Energia care este prezentă în carbohidrați și oxigen poate fi eliberată atunci când materialul este rearanjat în dioxid de carbon și apă. ‘Energia eliberată’ ar putea ajunge ca căldură, sau ca muncă, sau într-un nou aranjament de molecule (de exemplu, ATP este o versiune rearanjată a ADP plus fosfat anorganic). Cu toate acestea, a doua lege impune ca cantitatea totală de energie din noul aranjament (de ex., dioxid de carbon, apă și ATP) trebuie să aibă o capacitate mai mică de a lucra decât aranjamentul anterior (în acest exemplu, carbohidrați plus Oxigen plus ADP plus fosfat anorganic).

apreciază că ‘hrana’ pe care o obțin organismele, fie găsindu-l (heterotrofe), fie făcându-l (autotrofe) servește unei funcții duale, furnizând (1) energie (prin respirația celulară) și (2) material (printr-o varietate de căi metabolice în care carbohidrații sunt reconfigurați pentru a produce alte biomolecule (proteine, grăsimi, acizi nucleici). Dacă alimentele furnizează energie prin procesul de respirație celulară, acestea sunt transformate în dioxid de carbon și apă și acestea nu pot fi utilizate material pentru a produce biomolecule. Alternativ, alimentele pot furniza ‘ materiale de construcție ‘care sunt folosite pentru a produce mai multe membrane celulare, pereți celulari, enzime celulare, dar acest aliment nu va furniza energie’. Alimentele nu pot furniza atât energie, cât și materiale de construcție în același timp! Nu puteți ‘avea’ tortul (construiți cu el) și’ mâncați ‘ și el (folosiți-l pentru respirația celulară).

subiectele majore care trebuie abordate în această secțiune privind creșterea organismelor sunt prezentate cu caractere aldine mai jos. Creșterea are atât nevoi materiale, cât și energetice. După cum s—a descris mai sus, aproape toate nevoile energetice ale aproape tuturor organismelor sunt realizate prin respirația celulară (Capitolul 18) – oxidarea carbohidraților prin oxigen, producând dioxid de carbon și apă. Satisfacerea nevoilor materiale ale organismelor heterotrofe este o poveste relativ simplă; cu toate acestea, este mai complicat pentru autotrofe, unde implică atât fotosinteza (Capitolul 19), cât și nutriția minerală (Capitolul 22), achiziția de elemente minerale precum azotul și fosforul. Deși majoritatea procariotelor își satisfac nevoile materiale și energetice în mod tipic heterotrof sau autotrof, vom lua în considerare și o parte din diversitatea metabolică (Capitolul 21) găsită la unele procariote care dezvăluie modele foarte diferite de satisfacere a cerințelor energetice și materiale. Această diversitate este un contrast interesant cu modurile familiare, normale de viață și joacă, de asemenea, un rol semnificativ în nutriția plantelor, influențând disponibilitatea nutrienților din plante. Vom analiza pe scurt modul în care organismele mișcă materialele în tot corpul lor (Capitolul 24), un proces care de obicei (dar nu întotdeauna!) ‘necesită energie’. Vom lua în considerare și natura solurilor (Capitolul 23), care servesc drept rezervoare pentru nutrienții și apa de care au nevoie plantele. Un aspect final al creșterii pe care îl vom lua în considerare este ritmurile de creștere (Capitolul 25) pe care organismele, în special plantele, le prezintă și modul în care ar putea fi modelată această creștere.