Vita inanimata

Una delle attività che definiscono gli organismi è che ad un certo punto della loro vita, o in tutto, crescono. La crescita richiede l’acquisizione di materia e sia l’acquisizione di materia che l’incorporazione di questo materiale in una forma vivente (cioè in biomolecole) coinvolgono l’energia. Sia la materia che l’energia sono necessarie, ma è importante tenere a mente che sono due entità distinte che NON sono interconvertibili. Le trasformazioni energetiche che gli organismi effettuano comportano manipolazioni della materia ma NON comportano la conversione della materia in energia. L’energia si ottiene riorganizzando la materia, principalmente convertendo carboidrati e ossigeno in anidride carbonica e acqua. Ciò che complica la comprensione è che la materia è necessaria in due modi (Fig. 1): (1) materialmente, fornendo i materiali che diventano parte dell’organismo più grande: gli organismi sono fatti di carboidrati, (2) energeticamente, perché l’energia può essere resa disponibile quando la materia viene riorganizzata, ad esempio, convertendo carboidrati e ossigeno in anidride carbonica e acqua. Anche se la materia viene riorganizzata, non viene trasformata in energia.

Materia, energia e leggi della termodinamica

La materia e l’energia sono attori chiave nel processo della vita a tutti i livelli: cellula, organismo ed ecosistema. Sia la materia che l’energia sono idee familiari, ma idee sbagliate sono comuni, specialmente sull’energia e l’interazione tra materia ed energia nei sistemi biologici. La materia è semplice: ha massa, occupa spazio e può essere classificata in elementi (ad esempio, carbonio, idrogeno, ossigeno) che spesso sono solitamente presenti in miscele specifiche chiamate molecole (ad esempio, anidride carbonica, glucosio) che hanno una composizione caratteristica di elementi e sono disposti in modi specifici. Gli esseri viventi sono fatti di materia e hanno una composizione materiale caratteristica, essendo fatti di biomolecole come proteine, carboidrati e acidi nucleici. La vita può essere in parte definita dalla capacità degli esseri viventi (organismi) di acquisire materia e incorporarla in se stessi, cioè di crescere. La vita può anche essere definita sulla base della sua capacità di manipolare la materia in modi caratteristici che implicano trasferimenti di energia.

Mentre la materia è un concetto facile, l’energia è molto più sfuggente; considera quanto segue:

1. L’energia ha la capacità di influenzare la materia riorganizzandola o spostandola da un luogo all’altro.
2. Energia è dinamica e l’energia associata con un bit di materia, per esempio, una molecola, dipende dalle circostanze; è una funzione della situazione questione trova, la velocità è in movimento, il luogo in cui si trova, in particolare, la sua posizione rispetto ad altri questione o un parente elettrici, magnetici e campi gravitazionali (che sono controllati dalla materia).
3. L’energia è una proprietà dei sistemi, cioè, un assemblaggio di materia in un luogo particolare e con relazioni specifiche tra loro.
4. L’energia descrive la capacità di un dato insieme di materia (un ‘sistema’) di cambiare l’organizzazione di un altro bit di materia (un altro ‘sistema’ o forse ‘l’ambiente’).
5. L’energia potrebbe causare atomi o molecole a muoversi in relazione tra loro, ad esempio una reazione chimica, o causare un oggetto a cambiare posizione in un campo gravitazionale (ascesa o caduta), o causare una molecola carica o un oggetto a cambiare posizione in un campo elettrico.
6. Proprio come l’energia può causare il movimento della materia, il movimento della materia (cioè, la materia cambiare posizione) cambia il contenuto di energia e permette all’energia di essere “trasferiti” da un sistema all’altro o da una molecola ad un’altra
7. Energia può essere trasferita al materiale tramite radiazioni elettromagnetiche, le onde dell’elettricità e del magnetismo che emana da ogni bit della questione, con una temperatura superiore allo zero assoluto (cioè, ogni po ‘ di materia!!!).
8. La radiazione elettromagnetica è una “forma” di energia che è importante per tutte le forme di vita, ma soprattutto per gli organismi fotosintetici. La radiazione elettromagnetica ha una duplice natura e può essere descritta come (1) un ritmo di campi elettrici e magnetici, una serie di onde con una certa frequenza e lunghezza d’onda, che si muovono a velocità costante, la velocità della luce o (2) pacchetti di energia chiamati fotoni. L’energia in un pacchetto (un fotone) è correlata alla lunghezza d’onda delle onde di elettricità e magnetismo. Si noti che questi fotoni / onde di elettricità e magnetismo sono in grado di interagire con la materia e trasformarla, trasferendo così energia alla materia.
9. Altri due concetti legati all’energia sono il calore, che può influenzare la materia cambiando la sua energia cinetica, cambiando la velocità media che le molecole si muovono e il lavoro, che può cambiare la posizione degli oggetti in un campo gravitazionale, o forse concentrare le sostanze chimiche in un punto particolare (lavoro chimico). Mentre sia il calore che il lavoro sono collegati all’energia e sono talvolta considerati “forme” di energia, potrebbero essere meglio descritti come interazioni tra sistemi o tra un sistema e l’ambiente circostante.

Una caratteristica comune sia della materia che dell’energia è che entrambi sono conservati, qualcosa descritto in quella che è nota come la prima legge della termodinamica. Anche se la fisica moderna ha dimostrato che la materia può essere convertita in energia ed è la loro entità collettiva (materia + energia) che viene conservata, nei sistemi biologici materia ed energia NON vengono MAI convertite l’una all’altra e di conseguenza possiamo considerare che ciascuna sia conservata—c’è sempre la stessa quantità di materia e la stessa quantità di energia, nessuno dei due viene creato, distrutto o ‘consumato.”La conservazione della materia è facilmente comprensibile, la materia può essere spostata da un luogo all’altro, ad esempio accumulata in un organismo, persa (o acquisita) per diffusione da (o verso) un organismo. Gli elementi possono essere riorganizzati, ad esempio carbonio trasformato da carboidrati ad anidride carbonica nel processo di respirazione cellulare, ma la quantità di materia è costante—lo stesso numero di carboni, idrogeni e ossigeni. Allo stesso modo (e molto meno apprezzato), l’energia è conservata. Può essere “spostato” da un luogo all’altro o trasformato da una forma all’altra (poiché le molecole sono riorganizzate o spostate l’una rispetto all’altra e rispetto ai campi gravitazionali, elettrici e magnetici), ma la quantità di energia è costante, immutabile. Sistemi viventi, sistemi non viventi e combinazioni di sistemi viventi e non viventi riorganizzano la materia, e riorganizzando la materia ridistribuiscono l’energia. Ma la prima legge della termodinamica afferma che in tutti questi riarrangiamenti c’è un vincolo: dopo ogni riarrangiamento, la quantità di materia e la quantità di energia devono essere le stesse dell’inizio.

Gli esseri viventi riorganizzano costantemente la materia: le molecole si combinano, le molecole si separano in pezzi, le molecole si spostano da un luogo all’altro. In tutte queste trasformazioni, la materia deve essere conservata. Inoltre, l’energia deve essere conservata; di conseguenza, i microrganismi possono rilasciare energia durante alcune trasformazioni (perché la sistemazione definitiva del materiale nell’organismo ha meno energia rispetto alla situazione iniziale); o, se l’assetto definitivo ha più energia rispetto a quella iniziale, gli organismi devono in qualche modo hanno acquisito energia per portare la trasformazione.

Poiché la materia e l’energia giocano in giochi a somma zero, si potrebbe pensare che le loro trasformazioni siano piuttosto noiose e potenzialmente circolari, con perdite in un punto esattamente eguagliate da guadagni da qualche altra parte, e il potenziale di finire esattamente dove hai iniziato. Questo non è il caso, c’è una direzione per le trasformazioni ed è strettamente un flusso a senso unico: non si può mai tornare al punto di partenza. Questo vincolo è dettato dalla seconda legge della termodinamica che afferma che, nonostante il fatto che l’energia sia conservata, la quantità di energia che può essere utilizzata per fare il lavoro è sempre decrescente. Per la maggior parte, questa affermazione è sorprendente perché presumono che tutta l’energia possa essere utilizzata per fare lavoro; ma alcune energie non sono “utili” e la seconda legge afferma che la quantità di energia “inutile” è sempre in aumento. La seconda legge della termodinamica è estremamente potente e questo si riflette nel fatto che può essere definita in vari modi. Fondamentalmente, la sua utilità risiede nel fatto che mette una freccia sui riarrangiamenti della materia. Dati due possibili accordi, da A a B, ciascuno con la stessa quantità di materia ed energia, la seconda legge impone che la direzione del riarrangiamento sarà sempre verso una situazione che ha meno energia utile. La seconda legge indica quali riarrangiamenti della materia saranno “spontanei”, cioè avverranno ” da soli.”I riarrangiamenti nella direzione opposta (la direzione non spontanea) si verificano solo se viene fornita energia, energia utile.

La seconda legge aggiunge un secondo vincolo alle trasformazioni; non solo la materia e l’energia devono essere conservate, ma la quantità di energia utile deve diminuire. Si consideri un sistema con una certa quantità di materia e di energia, a un tempo, di uno stesso sistema, ora denominato’, un tempo successivo; la seconda legge stabilisce che, blocco di interazione con l’ambiente circostante, l’unico cambiamento che è possibile, per le transizioni di Un’ è quella in cui c’è una diminuzione di energia disponibile per il lavoro; così una volta che si lascia la situazione, non è possibile tornare ad esso (cioè, Un ” back to A). Anche se l’energia in entrambi è la stessa, la quantità di energia disponibile per fare il lavoro è diminuita come transizioni da A ad A.’ Questo riflette uno dei modi comuni che la seconda legge può essere affermato: non ci sono macchine moto perpetuo. Un dispositivo non può tornare al punto in cui è iniziato senza energia dall ‘”esterno”.

Organismi, materia ed energia

In che modo tutto questo è significativo per gli organismi?? Gli organismi sono definiti in parte dalla loro capacità di crescere e poiché la crescita richiede l’acquisizione della materia, tutti gli organismi devono essere in grado di acquisire i materiali specifici con cui si costruiscono. Inoltre, la crescita richiede energia utile perché il lavoro è fatto nella costruzione della maggior parte delle nuove molecole per la crescita. Ciò che complica la comprensione è che la materia (“cibo”) svolge un duplice ruolo: (1) materialmente, fornendo i materiali che diventano parte dell’organismo più grande, (2) energeticamente, fornendo energia che viene resa disponibile quando la materia viene riorganizzata. Le trasformazioni della materia e i trasferimenti di energia effettuati dagli organismi si intrecciano in modi che consentono di acquisire facilmente idee sbagliate, ma è importante ricordare che materia ed energia sono due entità diverse.

Ma la crescita non è l’unica ragione per cui gli organismi hanno bisogno di materia e non è l’unica ragione per cui gli organismi hanno bisogno di energia.

Perché gli organismi hanno bisogno di energia

1. Oltre a aver bisogno di energia per la crescita, gli organismi hanno bisogno di energia perché “funzionano” in senso fisico/chimico. Creano potenziali elettrochimici, sviluppano pressione, generano forze che si traducono in movimento. Particolarmente significativo è che svolgono un lavoro chimico man mano che crescono: molte biomolecole consistono in disposizioni di materia che contengono più energia utile dei materiali da cui sono costruite queste molecole, e quindi è necessaria energia per sintetizzarle. Il processo di crescita richiede agli organismi di riorganizzare il materiale, riposizionarlo, in modi che fanno sì che il nuovo materiale possieda energia più utile di quella di cui è stato fatto. Questo è possibile solo se gli organismi hanno una “fornitura di energia” e il lavoro che fanno è possibile perché parte dell’energia in questa fornitura viene “utilizzata” per consentire i riarrangiamenti dei materiali. Si noti che l’energia è conservata, ma la quantità di energia utile, la quantità che può essere utilizzata per fare il lavoro, è diminuita.
2. Ma anche nella situazione ipotetica in cui un organismo non cresce (facendo più biomolecole) e non fa lavoro (ad esempio, spostando se stesso o materiali dentro di sé), avrebbe ancora bisogno di energia semplicemente per mantenersi. Gli organismi esistono in uno stato organizzato che si degrada spontaneamente in uno stato meno organizzato. Il mantenimento dello stato organizzato richiede energia. Un esempio facilmente comprensibile di questo riguarda la differenza di carica trovata attraverso la membrana cellulare, con l’interno che è negativo rispetto all’esterno. Questa situazione organizzata spontaneamente ‘si rompe’ ad una meno organizzata perché le forze elettriche spingono gli ioni negativi fuori attraverso la membrana e gli ioni positivi dentro. Il mantenimento dello stato organizzato richiede energia perché il processo di organizzazione (in questo caso gli ioni in movimento attraverso una membrana in modo che siano più concentrati in un posto rispetto ad un altro) richiede energia.

Come gli organismi ottengono energia

I bisogni energetici degli organismi sono in gran parte soddisfatti acquisendo biomolecole (cibo), generalmente carboidrati, e elaborandole in un gruppo di reazioni chiamate respirazione cellulare. La respirazione cellulare (Capitolo 19) è un processo controllato di “combustione” in cui i carboidrati reagiscono con l’ossigeno (i carboidrati sono ossidati), producendo anidride carbonica e acqua. Se si confronta il contenuto energetico di quantità equivalenti di carboidrati più ossigeno a quello in anidride carbonica più acqua, c’è sostanzialmente meno energia in anidride carbonica più acqua. Se si bruciano carboidrati in un incendio la differenza di energia viene rilasciata come calore e luce, ma nella respirazione cellulare, meno energia viene rilasciata come calore e nessuna come luce, perché una certa energia viene “catturata” nelle sostanze chimiche, in particolare quella chiamata ATP. Poiché i prodotti della reazione (anidride carbonica e acqua) sono gas invisibili molti credono che la respirazione cellulare converte la materia in energia. Ma questo è impossibile, la prima legge lo vieta! Il carbonio originale, l’ossigeno e l’idrogeno sono ancora presenti, solo ora in forme diverse. Allo stesso modo, l’energia originale rimane ma è ora presente nell’ATP che si forma e nell’energia termica che viene rilasciata.

Perché gli organismi perdono materiale a causa dei loro bisogni energetici

Mentre un organismo effettua la respirazione cellulare produce due materiali (acqua e anidride carbonica) che sono facilmente persi e talvolta “intenzionalmente” eliminati (ad esempio, negli esseri umani dove la respirazione, cioè la ventilazione, facilita la perdita di acqua e anidride carbonica). Come conseguenza della respirazione cellulare, gli organismi perdono continuamente materia come anidride carbonica e acqua e di conseguenza perdono anche peso. Quindi, per mantenere il suo peso, un organismo che respira deve acquisire più “cibo”.

Ottenere materia ed energia

Per soddisfare i loro bisogni energetici, un organismo richiede un apporto di carboidrati (o altre biomolecole) da utilizzare nella respirazione cellulare. Questi carboidrati possono essere ottenuti in due modi fondamentali: (1) consumando biomolecole prodotte da altri esseri viventi—carboidrati o molecole come proteine che possono essere metabolizzate per produrre carboidrati o (2) consumando carboidrati “auto-costruiti” prodotti in reazioni (di solito reazioni fotosintetiche) che sintetizzano i carboidrati dall’anidride carbonica e dall’acqua. Tali reazioni utilizzano ‘fonti’ di energia (ad esempio, luce solare) che consentono una reazione chimica si verifichi dove i prodotti hanno più energia rispetto ai reagenti. I carboidrati sintetizzati poi sono usati per alimentare la respirazione cellulare, cioè., sono convertiti di nuovo ad anidride carbonica ed acqua. Il gruppo che consuma carboidrati che altri organismi hanno prodotto sono chiamati eterotrofi (etero-altro, troph-mangiare; letteralmente ‘mangiare gli altri’), e gli organismi che fanno i propri carboidrati a ‘mangiare’ sono chiamati autotrofi (auto-self, troph-mangiare; letteralmente ‘auto-mangiatori’). È importante rendersi conto che la respirazione cellulare si verifica in entrambi i gruppi, differiscono solo nel modo in cui acquisiscono carboidrati da ossidare nella respirazione cellulare.

È fondamentale tenere a mente che materia ed energia sono due cose diverse ma sono intrecciate. L’energia presente nei carboidrati e nell’ossigeno può essere “rilasciata” quando il materiale viene riorganizzato in anidride carbonica e acqua. L’ “energia rilasciata” potrebbe finire come calore, o come lavoro, o in una nuova disposizione di molecole (ad esempio l’ATP è una versione riorganizzata di ADP più fosfato inorganico). Tuttavia, la seconda legge richiede che la quantità totale di energia nel nuovo accordo (ad es., anidride carbonica, acqua e ATP) deve possedere meno capacità di fare il lavoro rispetto alla disposizione precedente (in questo esempio, carboidrati più ossigeno più ADP più fosfato inorganico).

Scoprire che il “cibo” che gli organismi ottenere, trovando esso (eterotrofi) o (autotrofi) serve a una duplice funzione, fornire (1) energia (attraverso la respirazione cellulare) e (2) materiale (attraverso una varietà di vie metaboliche in cui i carboidrati vengono riconfigurati per produrre altre biomolecole (proteine, grassi, acidi nucleici). Se il cibo fornisce energia attraverso il processo di respirazione cellulare si trasforma in anidride carbonica e acqua e questi non possono essere utilizzati materialmente per fare biomolecole. In alternativa, il cibo può fornire “materiali da costruzione” che vengono utilizzati per produrre più membrane cellulari, pareti cellulari, enzimi cellulari, ma questo cibo NON fornirà “energia”. Il cibo non può fornire energia e materiali da costruzione allo stesso tempo! Non si può ‘ avere ‘la vostra torta (costruire con esso) e’ mangiare ‘ troppo (usarlo per la respirazione cellulare).

I principali argomenti da trattare in questa sezione sulla crescita degli organismi sono delineati in grassetto di seguito. La crescita ha bisogni sia materiali che energetici. Come descritto sopra, quasi tutti i bisogni energetici di quasi tutti gli organismi sono realizzati dalla respirazione cellulare (Capitolo 18)—l’ossidazione dei carboidrati da parte dell’ossigeno, producendo anidride carbonica e acqua. Soddisfare i bisogni materiali degli organismi eterotrofi è una storia relativamente semplice; tuttavia è più complicato per gli autotrofi, dove coinvolge sia la fotosintesi (Capitolo 19) che la nutrizione minerale (Capitolo 22), l’acquisizione di elementi minerali come azoto e fosforo. Sebbene la maggior parte dei procarioti soddisfi i loro bisogni materiali ed energetici in tipico modo eterotropo o autotropo, considereremo anche alcune delle diversità metaboliche (Capitolo 21) trovate in alcuni procarioti che rivelano modelli molto diversi di soddisfare i requisiti energetici e materiali. Questa diversità è un interessante contrasto con gli stili di vita familiari e normali e svolge anche un ruolo significativo nella nutrizione delle piante influenzando la disponibilità di nutrienti vegetali. Considereremo brevemente come gli organismi spostano i materiali in tutto il loro corpo (Capitolo 24), un processo che di solito (ma non sempre!) “richiede energia”. Considereremo anche la natura dei terreni (Capitolo 23), che fungono da serbatoi per i nutrienti e l’acqua che le piante richiedono. Un aspetto finale della crescita che considereremo è i ritmi di crescita (Capitolo 25) che gli organismi, in particolare le piante, esibiscono e come questa crescita potrebbe essere modellata.