1.18: Матерія, енергія та організми

Однією з видів діяльності, що визначають організми, є те, що в якийсь момент їхнього життя або протягом усього нього вони ростуть. Зростання вимагає придбання речовини, і як придбання речовини, так і включення цього матеріалу в живу форму (тобто в біомолекули) включає енергію. І матерія, і енергія необхідні, але важливо мати на увазі, що вони є двома різними сутностями, які НЕ є взаємоконвертованими. Енергетичні перетворення, які здійснюють організми, включають маніпуляції матерії, але вони НЕ включають перетворення речовини в енергію. Енергія отримується шляхом перестановки речовини, в основному шляхом перетворення вуглеводів і кисню в вуглекислий газ і воду. Що ускладнює розуміння, це те, що матерія потрібна двома способами (рис. 1): (1) матеріально, забезпечуючи матеріали, які стають частиною більшого організму: організми складаються з вуглеводів, (2) енергетично, оскільки енергія може бути доступна, коли речовина перебудовується, наприклад, перетворення вуглеводів та кисню в вуглекислий газ і воду. Хоча матерія перебудовується, вона не перетворюється в енергію.

Малюнок 1 Це амеба, яка щойно охопила діатом. Матеріали, присутні в діатомі, будуть використані, щоб дозволити амебам рости і врешті-решт розмножуватися. Проковтнутий матеріал («їжа») використовується як матеріальне джерело, а також як джерело енергії. На відміну від цього, діатом отримує матеріал для вирощування з «сировини», наприклад, вуглекислого газу, присутнього в його середовищі. Щоб перетворити цю сировину в біомолекули, необхідні для росту, їй потрібна енергія сонячного світла. Діатомові водорості роблять власну «їжу», а потім їдять себе для енергії, зберігаючи частину їжі як матеріал для росту.

Матерія, енергія та закони термодинаміки

Матерія і енергія є ключовими гравцями в процесі життя на всіх рівнях: клітині, організмі та екосистемі. І матерія, і енергія є знайомими ідеями, але помилкові уявлення поширені, особливо про енергію та взаємодію між речовиною та енергією в біологічних системах. Матерія проста: вона має масу, займає простір і може бути класифікована на елементи (наприклад, вуглець, водень, кисень), які часто присутні в конкретних сумішах, що називаються молекулами (наприклад, вуглекислий газ, глюкоза), які мають характерний склад елементів і розташовані певним чином. Живі істоти складаються з речовини і мають характерний матеріальний склад, виготовляючись з біомолекул, таких як білки, вуглеводи та нуклеїнові кислоти. Життя може бути частково визначено здатністю живих істот (організмів) набувати речовину і включати її в себе, тобто рости. Життя також можна визначити на основі його здатності маніпулювати матерією характерними способами, які передбачають передачу енергії.

Хоча матерія - це легка концепція, енергія є набагато більш невловимою; врахуйте наступне:

1. Енергія має здатність впливати на матерію, переставляючи її або переміщуючи з одного місця в інше.
2. Енергія є динамічною, а енергія, пов'язана з заданим бітом речовини, наприклад, молекулою, залежить від обставин; це функція ситуації, в якій матерія опиняється, швидкості руху, місця, в якому вона знаходиться, зокрема її положення щодо іншої матерії або щодо електричного, магнітне і гравітаційне поля (якими керує речовина).
3. Енергія - це властивість систем, тобто збирання матерії в конкретному місці і з конкретними взаємозв'язками один з одним.
4. Енергія описує здатність даної збірки матерії («система») змінювати організацію іншого біта матерії (іншої «системи» або, можливо, «оточення»).
5. Енергія може призвести до того, що атоми або молекули рухаються по відношенню один до одного, наприклад, хімічна реакція, або змусити об'єкт змінити положення в гравітаційному полі (підйом або падіння), або викликати заряджену молекулу або об'єкт, щоб змінити положення в електричному полі.
6. Подібно до того, як енергія може спричинити рух речовини, рух речовини (тобто зміна положення матерії) змінює вміст енергії і дозволяє «передавати» енергію від однієї системи до іншої або однієї молекули до іншої
7. Енергія також може передаватися матеріалу за допомогою електромагнітного випромінювання, хвиль електрики та магнетизму, які видаються будь-яким бітом речовини з температурою вище абсолютного нуля (тобто кожен біт матерії!!!).
8. Електромагнітне випромінювання - це «форма» енергії, яка важлива для всіх форм життя, але особливо для фотосинтетичних організмів. Електромагнітне випромінювання має подвійну природу і може бути описано як (1) ритм електричних і магнітних полів, ряд хвиль з певною частотою і довжиною хвилі, що рухаються з постійною швидкістю, швидкістю світла або (2) пакетами енергії, званими фотонами. Енергія в пакеті (фотон) пов'язана d з довжиною хвилі s електрики і магнетизму. Відзначимо, що ці фотони/хвилі електрики і магнетизму здатні взаємодіяти з матерією і перетворювати її, тим самим передаючи енергію матерії.
9. Два інших поняття, пов'язані з енергією, - це тепло, яке може впливати на речовину, змінюючи її кінетичну енергію, змінюючи середню швидкість руху молекул, і робота, яка може змінювати положення предметів у гравітаційному полі або, можливо, концентрувати хімічні речовини в певному місці (хімічна робота). Хоча тепло і робота пов'язані з енергією і іноді вважаються «формами» енергії, їх можна краще описати як взаємодії між системами або між системою та її оточенням.

Загальною особливістю як матерії, так і енергії є те, що обидва зберігаються, щось описане в тому, що відомо як перший закон термодинаміки. Хоча сучасна фізика продемонструвала, що матерія може бути перетворена в енергію, і це їх колективна сутність (матерія + енергія), яка зберігається, в біологічних системах речовина і енергія НІКОЛИ не перетворюються одна в іншу, і, отже, ми можемо вважати кожну збереження—завжди однакове кількість речовини і стільки ж енергії, ні одна не створюється, не руйнується або «витрачена». Збереження матерії легко зрозуміти, матеріяможе бути перенесена з одного місця в інше, наприклад, накопичена в організмі, втрачена (або отримана) шляхом дифузії з (або до) організму. Елементи можуть бути перебудовані, наприклад, вуглець перетворюється з вуглеводів на вуглекислий газ в процесі клітинного дихання, але кількість речовини постійна - така ж кількість вуглецю, водню та кисню. Аналогічно (і набагато менш цінується) зберігається енергія. Його можна «переміщати» з місця на місце, або трансформувати з однієї форми в іншу (оскільки молекули переставляються або переміщуються відносно один одного і щодо гравітаційного, електричного та магнітного полів), але кількість енергії постійна, незмінна. Живі системи, неживі системи і поєднання живої і неживої систем переставляють матерію, і шляхом перестановки матерії перерозподіляють енергію. Але перший закон термодинаміки стверджує, що у всіх цих перестановках є обмеження: після будь-якої перестановки кількість речовини і кількість енергії повинні бути такими ж, як було на початку.

Живі істоти постійно реорганізовують матерію: молекули об'єднуються, молекули розділяються на шматки, молекули переміщаються з одного місця в інше. У всіх цих перетвореннях матерія повинна бути збережена. Крім того, енергія повинна бути збережена; отже, організми можуть виділяти енергію під час деяких перетворень (оскільки остаточне розташування матеріалу в організмі має менше енергії, ніж початкове розташування); або, якщо остаточне розташування має більше енергії, ніж початкове, організми повинні якось придбали енергію, щоб здійснити трансформацію.

Оскільки матерія і енергія грають в іграх з нульовою сумою, то можна подумати, що їх перетворення досить стомлюючі і потенційно кругові, причому втрати в одному місці точно відповідають прибутку десь в іншому місці, і потенціал закінчуватися саме там, де ви почали. Це не так, є напрямок до перетворень і це строго односторонній потік: ви ніколи не зможете повернутися до вихідної точки. Це обмеження продиктовано другим законом термодинаміки, якийстверджує, що незважаючи на те, що енергія зберігається, кількість енергії, яку можна використовувати для виконання роботи, завжди зменшується. Для більшості це твердження вражає, оскільки вони припускають, що вся енергія може бути використана для роботи; але деяка енергія не є «корисною», і другий закон стверджує, що кількість «непотрібної» енергії завжди збільшується. Другий закон термодинаміки надзвичайно потужний івідбивається це в тому, що його можна визначити найрізноманітнішими способами. Принципово, його корисність полягає в тому, що він ставить стрілку на перестановки матерії. З огляду на два можливі домовленості, від А до Б, кожен з однаковою кількістю речовини та енергії, другий закон диктує, що напрямок перестановки завжди буде до ситуації, яка має менше корисної енергії. Другий закон вказує, які зміни матерії будуть «спонтанними», тобто відбуватимуться «самостійно». Перестановки в зворотному напрямку (неспонтанному напрямку) відбуватимуться тільки в тому випадку, якщо буде підведена енергія, корисна енергія.

Другий закон додає друге обмеження на перетворення; не тільки матерія і енергія повинні бути збережені, але кількість корисної енергії повинна зменшуватися. Розглянемо систему А з певною кількістю речовини та енергії в той час, одну і ту ж систему, яка тепер називається A ', через час; другий закон диктує, що, забороняючи взаємодію з оточенням, єдина зміна в А, яка можлива при переході до А' - це така, де відбувається зменшення енергії доступні для роботи; таким чином, як тільки ви покидаєте ситуацію А, ви не можете повернутися до неї (тобто повернутися від А до А). Хоча енергія в обох однакова, кількість енергії, доступної для роботи, зменшується, коли вона переходить від А до А. «Це відображає один із загальних способів, яким можна констатувати другий закон: немає вічних машин руху. Пристрій не може повернутися туди, де він почав без енергії ззовні.

Організми, речовина та енергія

Наскільки все це значуще для організмів? Організми частково визначаються їх здатністю рости, і оскільки ріст вимагає придбання речовини, всі організми повинні мати можливість придбати конкретні матеріали, з якими вони будують самі. Більш того, зростання вимагає корисної енергії, тому що робота ведеться в побудові більшості нових молекул для зростання. Що ускладнює розуміння, так це те, що матерія («їжа») відіграє подвійну роль: (1) матеріально, забезпечуючи матеріали, які стають частиною більшого організму, (2) енергетично, забезпечуючи енергію, яка стає доступною, коли речовина перебудовується. Перетворення матерії та передачі енергії, що здійснюються організмами, переплітаються таким чином, що дозволяють легко придбати помилки, але важливо пам'ятати, що матерія та енергія - це дві різні сутності.

Але зростання не є єдиною причиною того, що організми потребують матерії, і це не єдина причина, чому організми потребують енергії.

Навіщо організмам потрібна енергія

1. На додаток до необхідності енергії для росту організмів потрібна енергія, оскільки вони «працюють» у фізичному/хімічному сенсі. Вони створюють електрохімічні потенціали, розвивають тиск, генерують сили, що призводять до руху. Особливо важливим є те, що вони виконують хімічну роботу в міру зростання: багато біомолекул складаються з механізмів речовини, які містять більше корисної енергії, ніж матеріали, з яких побудовані ці молекули, і тому для їх синтезу потрібна енергія. Процес росту вимагає, щоб організми переставляли матеріал, переставляли його таким чином, щоб новий матеріал мав більше корисної енергії, ніж те, з чого він був зроблений. Це можливо лише в тому випадку, якщо організми мають «запас енергії», і робота, яку вони виконують, можлива, оскільки частина енергії в цьому постачанні «використовується» для перестановки матеріалів. Зверніть увагу, що енергія зберігається, але зменшується кількість корисної енергії, кількість, яку можна використовувати для виконання роботи.
2. Але навіть у гіпотетичній ситуації, коли організм не росте (робить більше біомолекул) і не робить роботи (наприклад, переміщаючи себе або матеріали всередині себе), йому все одно потрібна енергія просто для підтримки себе. Організми існують в організованому стані, яке спонтанно деградує до менш організованого стану. Підтримка організованого стану вимагає енергії. Легко зрозумілий приклад цього включає різницю заряду, знайдену через клітинну мембрану, причому внутрішня частина негативна щодо зовнішньої. Ця організована ситуація спонтанно «розпадається» на менш організовану, оскільки електричні сили виштовхують негативні іони через мембрану та позитивні іони. Підтримка організованого стану вимагає енергії, оскільки процес організації (в даному випадку переміщення іонів через мембрану, щоб вони більше концентрувалися в одному місці, ніж в іншому) вимагає енергії.

Як організми отримують енергію

Енергетичні потреби організмів значною мірою задовольняються придбанням біомолекул (їжі), як правило, вуглеводів, та переробкою їх у групі реакцій, званих клітинним диханням. Клітинне дихання (Глава 19) - це контрольований процес спалювання, за допомогою якого вуглеводи реагують з киснем (вуглеводи окислюються), виробляючи вуглекислий газ та воду. Якщо порівнювати енергетичний вміст еквівалентних кількостей вуглеводів плюс кисень з вмістом вуглекислого газу плюс вода, то в вуглекислому газу плюс вода істотно менше енергії. Якщо ви спалюєте вуглеводи у вогні, різниця в енергії виділяється як тепло і світло, але при клітинному диханні менше енергії виділяється як тепло, і жодна як світло, тому що деяка енергія «захоплюється» хімічними речовинами, зокрема, називається АТФ. Оскільки продукти реакції (вуглекислий газ і вода) є невидимими газами, багато хто вважає, що клітинне дихання перетворює речовину в енергію. Але це неможливо, перший закон це забороняє! Оригінальний вуглець, кисень і водень все ще присутні, тільки зараз в різних формах. Аналогічно, вихідна енергія залишається, але тепер присутня в АТФ, який утворюється, і теплової енергії, яка виділяється.

Чому організми втрачають матеріал через свої енергетичні потреби

Оскільки організм здійснює клітинне дихання, він виробляє два матеріали (воду та вуглекислий газ), які легко втрачаються, а іноді «навмисно» усуваються (наприклад, у людей, де дихання, тобто вентиляція, полегшує втрату води та вуглекислого газу). Як наслідок клітинного дихання, організми постійно втрачають речовину у вигляді вуглекислого газу та води, а отже, також втрачають вагу. Таким чином, щоб підтримувати свою вагу, дихальний організм повинен купувати більше «їжі».

Отримання речовини і енергії

Для того, щоб задовольнити свої енергетичні потреби, організм потребує постачання вуглеводів (або інших біомолекул) для використання в клітинному диханні. Ці вуглеводи можуть бути отримані двома основними способами: (1) споживаючи біомолекули, які були вироблені іншими живими речами - вуглеводи або молекули, такі як білки, які можуть метаболізуватися для отримання вуглеводів, або (2) споживаючи «самоконструйовані» вуглеводи, які виробляються в реакціях (зазвичай фотосинтезуючі реакції), які синтезують вуглеводи з вуглекислого газу і води. Такі реакції використовують «джерела» енергії (наприклад, сонячне світло), які дозволяють хімічній реакції відбуватися там, де продукти мають більше енергії, ніж реагенти. Потім синтезовані вуглеводи використовуються для живлення клітинного дихання, тобто вони перетворюються назад у вуглекислий газ і воду. Група, яка споживає вуглеводи, які виробляли інші організми, називають гетеротрофами (гетеро-інші, троф-їдять; буквально «їдять інших»), а організми, які змушують власні вуглеводи «їсти», називаються автотрофами (авто-самоврядування, троф-їдять; буквально «самоїдці»). Важливо усвідомлювати, що клітинне дихання відбувається в обох групах, вони відрізняються лише тим, як вони набувають вуглеводи для окислення в клітинному диханні.

Важливо пам'ятати, що матерія та енергія - це дві різні речі, але вони переплітаються між собою. Енергія, яка присутня у вуглеводах та кисні, може бути «вивільнена», коли матеріал перебудовується на вуглекислий газ та воду. «Вивільнена енергія» може закінчитися як тепло, або як робота, або в новому розташуванні молекул (наприклад, АТФ - це змінена версія ADP плюс неорганічний фосфат). Однак другий закон вимагає, щоб загальна кількість енергії в новій домовленості (наприклад, вуглекислий газ, вода та АТФ) повинна мати меншу здатність виконувати роботу, ніж попередня домовленість (у цьому прикладі вуглевод плюс кисень плюс АДФ плюс неорганічний фосфат).

Оцініть, що «їжа», яку отримують організми, або знаходячи її (гетеротрофи), або роблячи її (автотрофи), виконує подвійну функцію, забезпечуючи (1) енергію (через клітинне дихання) та (2) матеріал (через різноманітні метаболічні шляхи, де вуглеводи переналаштовуються для отримання інших біомолекул ( білки, жири, нуклеїнові кислоти). Якщо їжа забезпечує енергію в процесі клітинного дихання, вона перетворюється на вуглекислий газ і воду, і вони не можуть бути використані матеріально для виготовлення біомолекул. Крім того, їжа може забезпечити «будівельні матеріали», які використовуються для виготовлення більшої кількості клітинних мембран, клітинних стінок, клітинних ферментів, але ця їжа НЕ буде «забезпечувати енергією». Їжа не може забезпечити одночасно енергією і будівельними матеріалами! Ви не можете «мати» свій торт (будувати з ним) і «з'їсти» його теж (використовуйте його для клітинного дихання).

Основні теми, які будуть висвітлені в цьому розділі про зростання організмів, виділені жирним шрифтом нижче. Зростання має як матеріальні, так і енергетичні потреби. Як описано вище, майже всі енергетичні потреби майже всіх організмів досягаються шляхом клітинного дихання (глава 18) — окислення вуглеводів киснем, вироблення вуглекислого газу і води. Задоволення матеріальних потреб гетеротрофних організмів - відносно проста історія; однак вона складніша для автотрофів, де передбачає як фотосинтез (глава 19), так і мінеральне живлення (глава 22), придбання мінералу такі елементи, як азот і фосфор. Хоча більшість прокаріотів задовольняють свої матеріальні та енергетичні потреби типовим гетеротрофним або автотрофним способом, ми також розглянемо деяку метаболічну різноманітність (Глава 21), знайдену у деяких прокаріотів, які виявляютьдуже різні закономірності задоволення енергії та матеріалу. вимоги. Це різноманіття є цікавим контрастом зі звичним, нормальним способом життя, а також відіграє значну роль в харчуванні рослин, впливаючи на доступність поживних речовин рослин. Ми коротко розглянемо, як організми переміщують матеріали по всьому тілу (Глава 24), процес, який зазвичай (але не завжди!) «вимагає енергії». Ми також розглянемо характер грунтів (глава 23), які служать резервуарами для поживних речовин і води, які потребують рослинам. Останнім аспектом зростання, який ми розглянемо, є ритми росту (Глава 25), які експонують організми, особливо рослини, і як це зростання може бути змодельовано.