livlöst liv

en av de aktiviteter som definierar organismer är att de någon gång i sitt liv eller genom det växer. Tillväxt kräver förvärv av materia och både förvärv av materia och införlivande av detta material i en levande form (dvs i biomolekyler) involverar energi. Både materia och energi behövs men det är viktigt att komma ihåg att de är två distinkta enheter som inte är interconvertible. De energitransformationer som organismer utför involverar manipulationer av materia men de innebär inte omvandling av materia till energi. Energi erhålls genom att omorganisera Materia, mestadels genom att omvandla kolhydrater och syre till koldioxid och vatten. Det som komplicerar förståelsen är att materia behövs på två sätt (Fig. 1): (1) materiellt, tillhandahålla de material som blir en del av den större organismen: organismer är gjorda av kolhydrater, (2) energiskt, eftersom energi kan göras tillgänglig när materia omarrangeras, t. ex., omvandlar kolhydrater och syre till koldioxid och vatten. Även om materien omorganiseras, omvandlas den inte till energi.

materia, energi och termodynamikens lagar

Materia och energi är viktiga aktörer i livets process på alla nivåer: cell, organism och ekosystem. Både materia och energi är bekanta tankar, men missuppfattningar är vanliga, särskilt om energi och samspelet mellan materia och energi i biologiska system. Materien är enkel: den har massa, upptar utrymme och kan kategoriseras i element (t.ex. kol, väte, syre) som ofta vanligtvis finns i specifika blandningar som kallas molekyler (t. ex. koldioxid, glukos) som har en karakteristisk sammansättning av element och är anordnade på specifika sätt. Levande saker är gjorda av materia och har en karakteristisk materialkomposition, som är gjord av biomolekyler såsom proteiner, kolhydrater och nukleinsyror. Livet kan delvis definieras av levande saker (organismer) förmåga att förvärva Materia och införliva det i sig själva, dvs att växa. Livet kan också definieras på grundval av dess förmåga att manipulera materia på karakteristiska sätt som involverar energiöverföringar.

medan Materia är ett enkelt koncept är energi mycket mer svårfångat; tänk på följande:

1. energi har förmågan att påverka materia genom att omorganisera den eller flytta den från en plats till en annan.
2. energi är dynamisk och energin associerad med en given bit materia, t.ex. en molekyl, beror på omständigheter; Det är en funktion av situationen Materia befinner sig i, hastigheten den rör sig, den plats den befinner sig i, särskilt dess position i förhållande till annan materia eller i förhållande till elektriska, magnetiska och gravitationsfält (som styrs av materia).
3. energi är en egenskap hos system, dvs., en sammansättning av materia på en viss plats och med specifika relationer med varandra.
4. energi beskriver förmågan hos en given sammansättning av materia (ett ’system’) att ändra organisationen av en annan bit materia (ett annat ’system’ eller kanske ’omgivningen’).
5. energi kan få atomer eller molekyler att röra sig i förhållande till varandra, t.ex. en kemisk reaktion, eller få ett objekt att ändra position i ett gravitationsfält (stiga eller falla), eller få en laddad molekyl eller ett objekt att ändra position i ett elektriskt fält.
6. precis som energi kan orsaka rörelse av materia, ändrar materiens rörelse (dvs. materiens förändrade position) energiinnehållet och tillåter att energi överförs från ett system till ett annat eller en molekyl till en annan
7. energi kan också överföras till material via elektromagnetisk strålning, vågor av elektricitet och magnetism som avges av någon bit materia med en temperatur över absolut noll (dvs. varje bit av materia!!!).
8. elektromagnetisk strålning är en ’form’ av energi som är viktig för alla former av liv men särskilt för fotosyntetiska organismer. Elektromagnetisk strålning har en dubbel natur och kan beskrivas som (1) en rytm av elektriska och magnetiska fält, en serie vågor med en viss frekvens och våglängd, som rör sig med konstant hastighet, ljusets hastighet eller (2) energipaket som kallas fotoner. Energin i ett paket (en foton) är relaterad till våglängden för vågorna av elektricitet och magnetism. Observera att dessa fotoner/vågor av elektricitet och magnetism kan interagera med Materia och omvandla den och därigenom överföra energi till materien.
9. två andra begrepp relaterade till energi är värme, som kan påverka materia genom att ändra sin kinetiska energi, ändra medelhastigheten som molekyler rör sig och arbeta, vilket kan ändra objektets position i ett gravitationsfält, eller kanske koncentrera kemikalier på en viss plats (kemiskt arbete). Medan både värme och arbete är kopplade till energi och ibland betraktas som energiformer, kan de bättre beskrivas som interaktioner mellan system eller mellan ett system och dess omgivning.

ett vanligt inslag i både materia och energi är att båda är bevarade, något som beskrivs i det som kallas termodynamikens första lag. Även om modern fysik har visat att materia kan omvandlas till energi och det är deras kollektiva enhet (materia + energi) som bevaras, omvandlas Materia och energi i biologiska system aldrig till varandra och följaktligen kan vi betrakta var och en som bevarad—det finns alltid samma mängd materia och samma mängd energi, ingen skapas, förstörs eller ’förbrukas. Bevarande av materia är lätt att förstå, materia kan flyttas från en plats till en annan, t.ex. ackumuleras i en organism, förloras (eller vinnas) genom diffusion från (eller till) en organism. Kol transformerat från kolhydrat till koldioxid i processen med cellulär andning, men mängden materia är konstant—samma antal kol, väten och oxygener. På samma sätt (och mycket mindre uppskattat) bevaras energi. Det kan ’flyttas’ från plats till plats eller transformeras från en form till en annan (eftersom molekyler omarrangeras eller flyttas i förhållande till varandra och i förhållande till gravitationella, elektriska och magnetiska fält), men mängden energi är konstant, oföränderlig. Levande system, icke-levande system och kombinationer av levande och icke-levande system omorganiserar Materia, och genom att omorganisera Materia omfördelar de energi. Men termodynamikens första lag säger att i alla dessa omarrangemang finns en begränsning: efter varje omarrangemang måste mängden materia och mängden energi vara densamma som i början.

levande saker omorganiserar ständigt Materia: molekyler kombineras, molekyler separeras i bitar, molekyler rör sig från en plats till en annan. I alla dessa omvandlingar måste materien bevaras. Dessutom måste energin bevaras; följaktligen kan organismer frigöra energi under vissa omvandlingar (eftersom det slutliga arrangemanget av material i organismen har mindre energi än det ursprungliga arrangemanget); eller, om det slutliga arrangemanget har mer energi än det ursprungliga, måste organismerna på något sätt ha förvärvat energi för att åstadkomma omvandlingen.

eftersom Materia och energi spelar i nollsummespel kan man tro att deras omvandlingar är ganska tråkiga och potentiellt cirkulära, med förluster på en plats som exakt matchas av vinster någon annanstans och potentialen att hamna exakt där du började. Detta är inte fallet, Det finns en riktning mot transformationerna och det är strikt ett enkelriktat flöde: du kan aldrig återvända till utgångspunkten. Denna begränsning dikteras av termodynamikens andra lag som säger att trots att energi bevaras, minskar mängden energi som kan användas för att göra arbete alltid. För de flesta är detta uttalande häpnadsväckande eftersom de antar att all energi kan användas för att göra arbete; men viss energi är inte ’användbar’ och den andra lagen säger att mängden ’värdelös’ energi alltid ökar. Termodynamikens andra lag är extremt kraftfull och detta återspeglas i det faktum att det kan definieras på olika sätt. I grund och botten ligger dess användbarhet i det faktum att det sätter en pil på omarrangemang av materia. Med tanke på två möjliga arrangemang, A till B, var och en med samma mängd materia och energi, dikterar den andra lagen att omarrangemangets riktning alltid kommer att vara till en situation som har mindre användbar energi. Den andra lagen pekar på vilka omarrangemang av materia som kommer att vara ’spontana’, dvs inträffa ’ på egen hand.’Omarrangemang i motsatt riktning (den icke-spontana riktningen) kommer endast att ske om energi, användbar energi, tillförs.

den andra lagen lägger till en andra begränsning av transformationer; inte bara måste Materia och energi bevaras utan mängden användbar energi måste minska. Tänk på ett system A med en viss mängd materia och energi i taget, ett och samma system, nu kallat a’, en tid senare; den andra lagen dikterar att, förutom interaktion med omgivningen, är den enda förändringen i A som är möjlig när den övergår till A’ en där det finns en minskning av energi tillgänglig för att göra arbete; så när du lämnar situation a kan du inte återvända till det (dvs. komma från A’ tillbaka till A). Även om energin i båda är densamma minskar mängden energi som är tillgänglig för arbete när den övergår från A till A.’ Detta återspeglar ett av de vanliga sätten att den andra lagen kan anges: det finns inga maskiner för evig rörelse. En enhet kan inte komma tillbaka till där den började utan energi från ’utsidan’.

organismer, Materia och energi

hur är allt detta viktigt för organismer?? Organismer definieras delvis av deras förmåga att växa och eftersom tillväxt kräver förvärv av materia måste alla organismer kunna förvärva de specifika material som de konstruerar sig med. Dessutom kräver tillväxt användbar energi eftersom arbete görs vid konstruktionen av de flesta nya molekyler för tillväxt. Det som komplicerar förståelsen är att Materia (’mat’) spelar en dubbel roll: (1) materiellt, tillhandahålla de material som blir en del av den större organismen, (2) energiskt, tillhandahålla energi som görs tillgänglig när materia omarrangeras. Transformationerna av materia och överföringar av energi som utförs av organismer är sammanflätade på sätt som gör att missuppfattningar lätt kan förvärvas men det är viktigt att komma ihåg att Materia och energi är två olika enheter.

men tillväxt är inte den enda anledningen till att organismer behöver Materia och det är inte den enda anledningen till att organismer behöver energi.

varför organismer behöver energi

1. förutom att behöva energi för tillväxt behöver organismer energi eftersom de ’fungerar’ i fysisk/kemisk mening. De skapar elektrokemiska potentialer, de utvecklar tryck, de genererar krafter som resulterar i rörelse. Särskilt viktigt är att de utför kemiskt arbete när de växer: många biomolekyler består av arrangemang av materia som innehåller mer användbar energi än de material som dessa molekyler är konstruerade av, och därför behövs energi för att syntetisera dem. Tillväxtprocessen kräver att organismer omorganiserar material, omplacerar det på sätt som gör att det nya materialet har mer användbar energi än vad det gjordes av. Detta är endast möjligt om organismer har en energiförsörjning och det arbete de gör är möjligt eftersom en del av energin i denna försörjning används för att möjliggöra omarrangemang av material. Observera att energi bevaras, men mängden användbar energi, den mängd som kan användas för att göra arbete, minskar.
2. men även i den hypotetiska situationen där en organism inte växer (gör fler biomolekyler) och inte gör arbete (t.ex. flyttar sig själv eller material i sig), skulle det fortfarande behöva energi helt enkelt för att behålla sig själv. Organismer finns i ett organiserat tillstånd som spontant bryts ned till ett mindre organiserat tillstånd. Underhållet av den organiserade staten kräver energi. Ett lättförståeligt exempel på detta gäller laddningsskillnaden som finnas över cellmembranet, med det inre som är negativt släktingtill utsidan. Denna organiserade situation spontant ’bryter ner’ till en mindre organiserad en eftersom elektriska krafter driva negativa joner ut över membranet och positiva joner i. Underhåll av det organiserade tillståndet kräver energi eftersom processen att organisera (i detta fall flytta joner över ett membran så att de är mer koncentrerade på ett ställe än en annan) kräver energi.

hur organismer får energi

organismernas energiska behov tillgodoses till stor del genom att förvärva biomolekyler (mat), i allmänhet kolhydrater, och bearbeta dem i en grupp reaktioner som kallas cellulär andning. Cell respiration (Kapitel 19) är en kontrollerad ’förbränning’ process där kolhydrater reagerar med syre (kolhydraterna oxideras), producerar koldioxid och vatten. Om man jämför energiinnehållet i motsvarande mängder kolhydrat plus syre med det i koldioxid plus vatten, finns det väsentligt mindre energi i koldioxid plus vatten. Om du bränner kolhydrater i en eld frigörs skillnaden i energi som värme och ljus, men i cellulär andning frigörs mindre energi som värme och ingen som ljus, eftersom viss energi fångas i kemikalier, särskilt en som kallas ATP. Eftersom reaktionsprodukterna (koldioxid och vatten) är osynliga gaser tror många att cellulär andning omvandlar Materia till energi. Men det här är omöjligt, den första lagen förbjuder det! Det ursprungliga kolet, syre och väte är fortfarande närvarande, just nu i olika former. På samma sätt förblir den ursprungliga energin men är nu närvarande i ATP som bildas och värmeenergin som frigörs.

varför organismer förlorar material på grund av sina energiska behov

när en organism utför cellulär andning producerar den två material (Vatten och koldioxid) som lätt går förlorade och ibland ’avsiktligt’ elimineras (t.ex. hos människor där andning, dvs ventilation, underlättar förlusten av vatten och koldioxid). Som en följd av cellulär andning förlorar organismer kontinuerligt materia som koldioxid och vatten och följaktligen förlorar också vikt. För att bibehålla sin vikt måste en andande organism förvärva mer ’mat’.

att erhålla Materia och energi

för att tillgodose deras energiska behov kräver en organism en tillförsel av kolhydrater (eller andra biomolekyler) för att utnyttja Vid cellulär andning. Dessa kolhydrater kan erhållas på två grundläggande sätt: (1) genom att konsumera biomolekyler som har producerats av andra levande saker—kolhydrater eller molekyler som proteiner som kan metaboliseras för att producera kolhydrater eller (2) genom att konsumera ’självkonstruerade’ kolhydrater som produceras i reaktioner (vanligtvis fotosyntetiska reaktioner) som syntetiserar kolhydrater från koldioxid och vatten. Sådana reaktioner använder ’energikällor’ (t.ex. solljus) som tillåter en kemisk reaktion att inträffa där produkterna har mer energi än reaktanterna. De syntetiserade kolhydraterna används sedan för att driva cellulär andning, dvs., de omvandlas tillbaka till koldioxid och vatten. Gruppen som konsumerar kolhydrater som andra organismer har producerat kallas heterotrofer (hetero-andra, troph-eat; bokstavligen ’ät andra’), och organismerna som gör sina egna kolhydrater att ’äta’ kallas autotrofer (auto-self, troph-eat; bokstavligen ’self-eaters’). Det är viktigt att inse cellulär andning förekommer i båda grupperna, de skiljer sig bara i hur de förvärvar kolhydrater som ska oxideras i cellulär andning.

det är viktigt att komma ihåg att Materia och energi är två olika saker men de är sammanflätade. Energi som finns i kolhydrater och syre kan släppas ut när materialet omorganiseras till koldioxid och vatten. Den ’frigjorda energin’ kan hamna som värme, eller som arbete, eller i ett nytt arrangemang av molekyler (t.ex. ATP är en omarrangerad version av ADP plus oorganiskt fosfat). Den andra lagen kräver dock att den totala mängden energi i det nya arrangemanget (t. ex., koldioxid, vatten och ATP) måste ha mindre förmåga att utföra arbete än det tidigare arrangemanget (i detta exempel kolhydrat plus syre plus ADP plus oorganiskt fosfat).

uppskattar att den ’mat’ som organismer får, antingen genom att hitta den (heterotrofer) eller göra den (autotrofer) tjänar en dubbel funktion, vilket ger (1) energi (genom cellulär andning) och (2) material (genom en mängd olika metaboliska vägar där kolhydrater omkonfigureras för att producera andra biomolekyler (proteiner, fetter, nukleinsyror). Om mat ger energi genom processen med cellulär andning omvandlas den till koldioxid och vatten och dessa kan inte användas materiellt för att göra biomolekyler. Alternativt kan mat ge ’ byggmaterial ’som används för att göra fler cellmembran, cellväggar, cellulära enzymer, men denna mat kommer inte att ge energi’. Mat kan inte ge både energi och byggmaterial samtidigt! Du kan inte ’ha’ din tårta (bygga med den) och ’äta’ den också (använd den för cellulär andning).

de viktigaste ämnena som ska behandlas i detta avsnitt om tillväxt av organismer beskrivs i fetstil nedan. Tillväxt har både materiella och energiska behov. Som beskrivits ovan uppnås nästan alla energiska behov hos nästan alla organismer genom cellulär andning (Kapitel 18)—oxidation av kolhydrater med syre, som producerar koldioxid och vatten. Att tillgodose heterotrofa organismers materiella behov är en relativt enkel historia; men det är mer komplicerat för autotrofer, där det involverar både fotosyntes (Kapitel 19) och mineralnäring (Kapitel 22), förvärv av mineralämnen som kväve och fosfor. Även om de flesta prokaryoter uppfyller sina materiella och energiska behov på typiskt heterotrof-eller autotrof-sätt, kommer vi också att överväga en del av den metaboliska mångfalden (Kapitel 21) som finns i vissa prokaryoter som avslöjar mycket olika mönster för att uppfylla energi-och materialkrav. Denna mångfald är en intressant kontrast till de välbekanta, normala sätten att leva och spelar också en viktig roll i näring av växter genom att påverka tillgången på växtnäringsämnen. Vi kommer kortfattat att överväga hur organismer flyttar material genom sina kroppar (kapitel 24), en process som vanligtvis (men inte alltid!) ’kräver energi’. Vi kommer också att överväga jordens natur (Kapitel 23), som fungerar som reservoarer för näringsämnen och vatten som växter behöver. En sista aspekt av tillväxt som vi kommer att överväga är tillväxtens rytmer (Kapitel 25) som organismer, särskilt växter, uppvisar och hur denna tillväxt kan modelleras.