1.18: Materia, Energía y Organismos

Una de las actividades que definen a los organismos es que en algún momento de su vida, o a lo largo de ella, crecen. El crecimiento requiere la adquisición de materia y tanto la adquisición de materia como la incorporación de este material en una forma viva (es decir, en biomoléculas) implica energía. Tanto la materia como la energía son necesarias pero es importante tener en cuenta que son dos entidades distintas que NO son interconvertibles. Las transformaciones energéticas que realizan los organismos implican manipulaciones de la materia pero NO implican convertir la materia en energía. La energía se obtiene reordenando la materia, principalmente mediante la conversión de carbohidratos y oxígeno en dióxido de carbono y agua. Lo que complica la comprensión es que la materia se necesita de dos maneras (Figura 1): (1) materialmente, proporcionando los materiales que pasan a formar parte del organismo más grande: los organismos están hechos de carbohidratos, (2) energéticamente, porque la energía puede estar disponible a medida que se reordena la materia, e.g., convirtiendo carbohidratos y oxígeno en dióxido de carbono y agua. Aunque la materia se está reorganizando, no se está transformando en energía.

Figura 1 Esta es una ameba que acaba de engullir una diatomea. Los materiales presentes en la diatomeas se utilizarán para permitir que las amebas crezcan y eventualmente se reproduzcan. El material ingerido ('alimento') se utiliza tanto como fuente material como fuente de energía. En contraste, la diatomeas obtiene el material para crecer a partir de 'materias primas', por ejemplo, dióxido de carbono, presente en su ambiente. Para convertir estas materias primas en biomoléculas necesarias para el crecimiento, se requiere la energía de la luz solar. Las diatomeas hacen su propio 'alimento' y luego se comen a sí mismas para obtener energía mientras ahorran parte de los alimentos como material para el crecimiento.

La materia, la energía y las leyes de la termodinámica

La materia y la energía son actores clave en el proceso de la vida en todos los niveles: célula, organismo y ecosistema. Tanto la materia como la energía son ideas familiares, pero los conceptos erróneos son comunes, especialmente sobre la energía y la interacción entre la materia y la energía en los sistemas biológicos. La materia es directa: tiene masa, ocupa espacio y puede clasificarse en elementos (por ejemplo, carbono, hidrógeno, oxígeno) que a menudo suelen estar presentes en mezclas específicas denominadas moléculas (por ejemplo, dióxido de carbono, glucosa) que tienen una composición característica de elementos y están dispuestas de formas específicas. Los seres vivos están hechos de materia y tienen una composición material característica, estando hechos de biomoléculas como proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos. La vida puede estar definida en parte por la capacidad de los seres vivos (organismos) de adquirir materia e incorporarla a sí mismos, es decir, de crecer. La vida también se puede definir sobre la base de su capacidad para manipular la materia de formas características que implican transferencias de energía.

Si bien la materia es un concepto fácil, e nergy es mucho más esquivo; considera lo siguiente:

1. La energía tiene la capacidad de afectar a la materia reordenándola o moviéndola de un lugar a otro.
2. La energía es dinámica y la energía asociada a un bit dado de materia, por ejemplo, una molécula, depende de las circunstancias; es una función de la situación en la que se encuentra la materia, la velocidad en la que se mueve, la ubicación en la que se encuentra, en particular su posición relativa a otra materia o relativa a la eléctrica, campos magnéticos y gravitacionales (que son controlados por la materia).
3. La energía es una propiedad de los sistemas, es decir, un ensamblaje de materia en un lugar determinado y con relaciones específicas entre sí.
4. La energía describe la capacidad de un conjunto dado de materia (un 'sistema') para cambiar la organización de otro bit de materia (otro 'sistema' o quizás 'los alrededores').
5. La energía podría hacer que los átomos o moléculas se muevan en relación entre sí, por ejemplo, una reacción química, o hacer que un objeto cambie de posición en un campo gravitacional (subir o bajar), o hacer que una molécula u objeto cargado cambie de posición en un campo eléctrico.
6. Así como la energía puede provocar el movimiento de la materia, el movimiento de la materia (es decir, la materia cambia de posición) cambia el contenido de energía y permite que la energía sea 'transferida' de un sistema a otro o de una molécula a otra
7. La energía también se puede transferir al material a través de radiación electromagnética, ondas de electricidad y magnetismo que son emitidas por cualquier bit de materia con una temperatura por encima del cero absoluto (es decir, cada pedacito de materia!!!).
8. La radiación electromagnética es una 'forma' de energía que es importante para todas las formas de vida pero especialmente para los organismos fotosintéticos. La radiación electromagnética tiene una naturaleza dual y puede describirse como (1) un ritmo de campos eléctricos y magnéticos, una serie de ondas con cierta frecuencia y longitud de onda, que se mueven a una velocidad constante, la velocidad de la luz, o (2) paquetes de energía llamados fotones. La energía en un paquete (un fotón) se relaciona d con la longitud de onda de la onda s de electricidad y magnetismo. Obsérvese que estos fotones/ondas de electricidad y magnetismo son capaces de interactuar con la materia y transformarla, transfiriendo así energía a la materia.
9. Otros dos conceptos relacionados con la energía son el calor, que puede afectar a la materia cambiando su energía cinética, cambiando la velocidad promedio con la que las moléculas se mueven, y el trabajo, lo que puede cambiar la posición de los objetos en un campo gravitacional, o tal vez concentrar químicos en un punto determinado (trabajo químico). Si bien tanto el calor como el trabajo están conectados a la energía y a veces se consideran “formas” de energía, podrían describirse mejor como interacciones entre sistemas o entre un sistema y su entorno.

Una característica común tanto de la materia como de la energía es que ambas se conservan, algo descrito en lo que se conoce como la primera ley de la termodinámica. Aunque la física moderna ha demostrado que la materia puede convertirse en energía y es su entidad colectiva (materia+energía) la que se conserva, en los sistemas biológicos la materia y la energía NUNCA se convierten la una a la otra y en consecuencia podemos considerar que cada una está conservada, siempre hay lo mismo cantidad de materia y la misma cantidad de energía, ninguna se crea, destruye o 'se agota'. La conservación de la materia se entiende fácilmente, la materiapuede ser movida de un lugar a otro, por ejemplo, acumulada en un organismo, perdida (o ganada) por difusión desde (o hacia) un organismo. Los elementos se pueden reordenar, por ejemplo, el carbono transformado de carbohidratos a dióxido de carbono en el proceso de respiración celular, pero la cantidad de materia es constante, el mismo número de carbonos, hidrógenos y oxígenos. De manera similar (y mucho menos apreciada), se conserva la energía. Se puede 'mover' de un lugar a otro, o transformarse de una forma a otra (ya que las moléculas se reordenan o mueven una respecto a la otra y en relación con los campos gravitacionales, eléctricos y magnéticos), pero la cantidad de energía es constante, inmutable. Los sistemas vivos, los sistemas no vivos y las combinaciones de sistemas vivos y no vivos reorganizan la materia, y reordenando la materia redistribuyen la energía. Pero la primera ley de la termodinámica establece que en todos estos reordenamientos hay una restricción: después de cualquier reordenamiento, la cantidad de materia y la cantidad de energía deben ser las mismas que en un principio.

Los seres vivos reorganizan constantemente la materia: las moléculas se combinan, las moléculas se separan en pedazos, las moléculas se mueven de un lugar a otro. En todas estas transformaciones se debe conservar la materia. Además, la energía debe conservarse; en consecuencia, los organismos pueden liberar energía durante algunas transformaciones (porque la disposición final del material en el organismo tiene menos energía que la disposición inicial); o, si la disposición final tiene más energía que la inicial, los organismos deben de alguna manera han adquirido energía para llevar a cabo la transformación.

Dado que la materia y la energía juegan en juegos de suma cero, entonces uno podría pensar que sus transformaciones son bastante tediosas y potencialmente circulares, con pérdidas en un lugar exactamente igualadas por ganancias en otro lugar, y el potencial de terminar exactamente donde comenzaste. Este no es el caso, hay una dirección hacia las transformaciones y es estrictamente un flujo unidireccional: nunca se puede volver al punto de partida. Esta restricción viene dictada por la segunda ley de la termodinámica que establece que a pesar de que la energía se conserva, la cantidad de energía que se puede utilizar para hacer el trabajo es siempre decreciente. Para la mayoría, esta afirmación es alarmante porque asumen que toda la energía se puede utilizar para hacer el trabajo; pero algo de energía no es 'útil' y la segunda ley establece que la cantidad de energía 'inútil' siempre va en aumento. La segunda ley de la termodinámica es extremadamente poderosa y esto se refleja en el hecho de que se puede definir de diversas maneras. Fundamentalmente, su utilidad radica en el hecho de que pone una flecha en los reordenamientos de la materia. Ante dos posibles arreglos, A a B, cada uno con la misma cantidad de materia y energía, la segunda ley dicta que la dirección del reordenamiento siempre será hacia una situación que tenga menos energía útil. La segunda ley señala qué reordenamientos de la materia serán 'espontáneos', es decir, ocurren 'por su cuenta'. Los reordenamientos en la dirección opuesta (la dirección no espontánea) solo ocurrirán si se suministra energía, energía útil.

La segunda ley agrega una segunda restricción a las transformaciones; no sólo se debe conservar la materia y la energía sino que la cantidad de energía útil debe disminuir. Consideremos un sistema A con cierta cantidad de materia y energía a la vez, uno y el mismo sistema, ahora llamado A ', un tiempo después; la segunda ley dicta que, salvo la interacción con el entorno, el único cambio en A que es posible ya que pasa a A' es aquel donde hay una disminución de la energía disponible para hacer trabajo; así una vez que salgas de la situación A, no podrás volver a ella (es decir, pasar de A' de vuelta a A). A Aunque la energía en ambos es la misma, la cantidad de energía disponible para hacer el trabajo disminuye a medida que pasa de A a A. 'Esto refleja una de las formas comunes en que se puede afirmar la segunda ley: no hay máquinas de movimiento perpetuo. Un dispositivo no puede volver a donde empezó sin energía del 'exterior'.

Organismos, materia y energía

¿Cómo es todo esto significativo para los organismos? Los organismos se definen en parte por su capacidad de crecimiento y dado que el crecimiento requiere la adquisición de materia, todos los organismos necesitan ser capaces de adquirir los materiales específicos con los que se construyen ellos mismos. Además, el crecimiento requiere energía útil porque se trabaja en la construcción de la mayoría de las moléculas nuevas para el crecimiento. Lo que complica la comprensión es que la materia ('comida') juega un doble papel: (1) materialmente, proporcionando los materiales que pasan a formar parte del organismo más grande, (2) energéticamente, proporcionar energía que se pone a disposición a medida que se reordena la materia. Las transformaciones de la materia y las transferencias de energía que realizan los organismos se entrelazan de manera que permiten adquirir fácilmente conceptos erróneos pero es importante recordar que la materia y la energía son dos entidades distintas.

Pero el crecimiento no es la única razón por la que los organismos necesitan materia y no es la única razón por la que los organismos necesitan energía.

Por qué los organismos necesitan energía

1. Además de necesitar energía para el crecimiento, los organismos necesitan energía porque 'funcionan 'en un sentido físico/químico. Crean potenciales electroquímicos, desarrollan presión, generan fuerzas que dan como resultado el movimiento. Particularmente significativo es que realizan trabajos químicos a medida que crecen: muchas biomoléculas consisten en arreglos de materia que contienen más energía útil que los materiales de los que se construyen estas moléculas, y por lo tanto se necesita energía para sintetizarlas. El proceso de crecimiento requiere que los organismos reorganicen el material, lo reposicionen, de formas que hagan que el nuevo material posea más energía útil de la que estaba hecho. Esto sólo es posible si los organismos tienen un 'suministro de energía' y el trabajo que realizan es posible porque parte de la energía en este suministro es 'utilizada' para permitir los reordenamientos de materiales. Tenga en cuenta que la energía se conserva, pero la cantidad de energía útil, la cantidad que se puede utilizar para hacer el trabajo, se ve disminuida.
2. Pero incluso en la situación hipotética en la que un organismo no crece (hace más biomoléculas) y no trabaja (por ejemplo, moviéndose para materiales dentro de sí mismo), todavía necesitaría energía simplemente para mantenerse. Organismosexista en un estado organizado que se degrada espontáneamente a un estado menos organizado. El mantenimiento del estado organizado requiere energía. Un ejemplo fácil de entender de esto implica la diferencia de carga que se encuentra a través de la membrana celular, siendo el interior negativo con respecto al exterior. Esta situación organizada se 'rompe' espontáneamente a una menos organizada porque las fuerzas eléctricas empujan los iones negativos a través de la membrana y los iones positivos hacia adentro. El mantenimiento del estado organizado requiere energía porque el proceso de organización (en este caso mover iones a través de una membrana para que estén más concentrados en un lugar que en otro) requiere energía.

Cómo obtienen energía los organismos

Las necesidades energéticas de los organismos se satisfacen en gran medida adquiriendo biomoléculas (alimentos), generalmente carbohidratos, y procesándolas en un grupo de reacciones llamadas respiración celular. La respiración celular (Capítulo 19) es un proceso controlado de “quema” mediante el cual los carbohidratos reaccionan con el oxígeno (los carbohidratos se oxidan), produciendo dióxido de carbono y agua. Si se compara el contenido de energía de cantidades equivalentes de carbohidratos más oxígeno con el contenido en dióxido de carbono más agua, hay sustancialmente menos energía en el dióxido de carbono más agua. Si se queman carbohidratos en un incendio la diferencia de energía se libera como calor y luz, pero en la respiración celular, se libera menos energía como calor, y ninguna como luz, porque algo de energía es 'capturada' en químicos, en particular uno llamado ATP. Debido a que los productos de la reacción (dióxido de carbono y agua) son gases invisibles muchos creen que la respiración celular convierte la materia en energía. Pero esto es imposible, ¡la primera ley lo prohíbe! El carbono, el oxígeno y el hidrógeno originales siguen presentes, justo ahora en diferentes formas. De igual manera, la energía original permanece pero ahora está presente en el ATP que se forma y la energía térmica que se libera.

Por qué los organismos pierden material debido a sus necesidades energéticas

A medida que un organismo realiza la respiración celular produce dos materiales (agua y dióxido de carbono) que se pierden fácilmente y a veces se eliminan “a propósito” (por ejemplo, en humanos donde la respiración, es decir, la ventilación, facilita la pérdida de agua y dióxido de carbono). Como consecuencia de la respiración celular, los organismos están continuamente consumiendo materia como dióxido de carbono y agua y, en consecuencia, también están perdiendo peso. Así, para mantener su peso, un organismo respirante debe adquirir más 'alimento'.

Obtención de materia y energía

Para satisfacer sus necesidades energéticas, un organismo requiereun aporte de carbohidratos (u otras biomoléculas) para utilizaren la respiración celular. Estos carbohidratos se pueden obtener de dos formas básicas: (1) consumiendo biomoléculas que han sido producidas por otros seres vivos, carbohidratos o moléculas como proteínas que pueden metabolizarse para producir carbohidratos o (2) consumiendo carbohidratos 'autoconstruidos' que se producen en reacciones (generalmente reacciones fotosintéticas) que sintetizan carbohidratos a partir de dióxido de carbono y agua. Tales reacciones utilizan 'fuentes' de energía (por ejemplo, la luz solar) que permiten que ocurra una reacción química donde los productos tienen más energía que los reactivos. Los carbohidratos sintetizados se utilizan entonces para alimentar la respiración celular, es decir, se convierten de nuevo en dióxido de carbono y agua. El grupo que consume carbohidratos que otros organismos han producido se denominan heterótrofos (heterótrofos, troph-eat; literalmente 'comen otros'), y los organismos que elaboran sus propios carbohidratos para 'comer' se denominan autótrofos (auto auto, troph-eat; literalmente 'autocomedores'). Es importante darse cuenta de que la respiración celular ocurre en ambos grupos, solo difieren en cómo adquieren carbohidratos para ser oxidados en la respiración celular.

Es fundamental tener presente que la materia y la energía son dos cosas distintas pero están entrelazadas. La energía que está presente en los carbohidratos y el oxígeno se puede 'liberar' cuando el material se reordena en dióxido de carbono y agua. La 'energía liberada' podría terminar como calor, o como trabajo, o en una nueva disposición de moléculas (por ejemplo, ATP es una versión reordenada de ADP más fosfato inorgánico). Sin embargo, la segunda ley requiere que la cantidad total de energía en el nuevo arreglo (por ejemplo, dióxido de carbono, agua y ATP) debe poseer menos capacidad de trabajo que la disposición anterior (en este ejemplo, carbohidrato más oxígeno más ADP más fosfato inorgánico).

Apreciar que el 'alimento' que obtienen los organismos, ya sea encontrándolo (heterótrofos) o haciéndolo (autótrofos) cumple una doble función, aportando (1) energía (a través de la respiración celular) y (2) material (a través de una variedad de vías metabólicas donde los carbohidratos se reconfiguran para producir otras biomoléculas ( proteínas, grasas, ácidos nucleicos). Si los alimentos aportan energía a través del proceso de respiración celular se transforma en dióxido de carbono y agua y estos ecánno se utilizan materialmentepara hacer biomoléculas. Alternativamente, los alimentos pueden proporcionar 'materiales de construcción' que se utilizan para hacer más membranas celulares, paredes celulares, enzimas celulares, pero este alimento NO estará 'aportando energía'. ¡La comida no puede proporcionar energía y materiales de construcción al mismo tiempo! No puedes 'tener' tu pastel (construir con él) y 'comerlo' también (usarlo para la respiración celular).

Los principales temas a tratar en esta sección sobre el crecimiento de organismos se describen en negrita a continuación. El crecimiento tiene necesidades tanto materiales como energéticas. Como se describió anteriormente, casi todas las necesidades energéticas de casi todos los organismos se logran mediante la respiración celular (Capítulo 18) —la oxidación de los carbohidratos por el oxígeno, produciendo dióxido de carbono y agua. Satisfacer las necesidades materiales de los organismos heterótrofos es un relato relativamente sencillo; sin embargo, es más complicado para los autótrofos, donde implica tanto la fotosíntesis (Capítulo 19) como la nutrición mineral (Capítulo 22), la adquisición de minerales elementos como nitrógeno y fósforo. Aunque la mayoría de los procariotas satisfacen sus necesidades materiales y energéticas de manera típica heterótrofa o autótrofa, también consideraremos parte de la diversidad metabólica (Capítulo 21) que se encuentra en algunos procariotas que revelan patrones muy diferentes de energía satisfactoria y material requisitos. Esta diversidad es un interesante contraste con las formas de vida familiares y normales y también juega un papel importante en la nutrición de las plantas al influir en la disponibilidad de nutrientes de las plantas. Consideraremos brevemente cómo los organismos mueven los materiales a través de sus cuerpos (Capítulo 24), un proceso que generalmente (¡pero no siempre!) 'requiere energía'. También consideraremos la naturaleza de los suelos (Capítulo 23), que sirven como reservorios para los nutrientes y el agua que requieren las plantas. Un aspecto final del crecimiento que consideraremos son los ritmos de crecimiento (Capítulo 25) que los organismos, especialmente las plantas, exhiben y cómo se podría modelar este crecimiento.