2.2: Energía

Prácticamente todas las tareas que realizan los organismos vivos requieren energía. Los nutrientes y otras moléculas se importan a la célula para satisfacer estas demandas energéticas. Por ejemplo, se requiere energía para la síntesis y descomposición de moléculas, así como el transporte de moléculas dentro y fuera de las células. Además, procesos como ingerir y descomponer alimentos, exportar desechos y toxinas, y el movimiento de la célula requieren energía.

Los científicos utilizan el término bioenergética para describir el concepto de flujo de energía a través de sistemas vivos, como las células. Los procesos celulares como la construcción y descomposición de moléculas complejas ocurren a través de reacciones químicas escalonadas. Algunas de estas reacciones químicas son espontáneas y liberan energía, mientras que otras requieren energía para proceder. En conjunto, todas las reacciones químicas que tienen lugar dentro de las células, incluidas las que consumen o generan energía, se denominan el metabolismo de la célula.

¿De dónde, y en qué forma, viene esta energía? ¿Cómo obtienen energía las células vivas y cómo la utilizan? En esta sección se discutirán diferentes formas de energía y las leyes físicas que rigen la transferencia de energía.

Figura\(\PageIndex{1}\). En última instancia, la mayoría de las formas de vida obtienen su energía del sol. Las plantas utilizan la fotosíntesis para capturar la luz solar y los herbívoros se alimentan de las plantas para obtener energía. Los carnívoros comen a los herbívoros y la eventual descomposición del material vegetal y animal contribuye al acervo de nutrientes.

Energía

La termodinámica se refiere al estudio de la energía y la transferencia de energía que involucra la materia física. El asunto relevante para un caso particular de transferencia de energía se llama sistema, y todo lo que está fuera de esa materia se llama el entorno. Por ejemplo, al calentar una olla con agua en la estufa, el sistema incluye la estufa, la olla y el agua. La energía se transfiere dentro del sistema (entre la estufa, la olla y el agua). Existen dos tipos de sistemas: abierto y cerrado. En un sistema abierto, la energía se puede intercambiar con su entorno. El sistema de estufa está abierto porque el calor se puede perder en el aire. Un sistema cerrado no puede intercambiar energía con su entorno.

Los organismos biológicos son sistemas abiertos. La energía se intercambia entre ellos y su entorno ya que utilizan la energía del sol para realizar la fotosíntesis o consumen moléculas de almacenamiento de energía y liberan energía al ambiente haciendo trabajo y liberando calor. Como todas las cosas en el mundo físico, la energía está sujeta a las leyes físicas. Las leyes de la termodinámica rigen la transferencia de energía en y entre todos los sistemas del universo. En general, la energía se define como la capacidad de hacer trabajo, o de crear algún tipo de cambio. La energía existe en diferentes formas: la energía eléctrica, la energía luminosa, la energía mecánica y la energía térmica son diferentes tipos de energía. Para apreciar la forma en que la energía fluye dentro y fuera de los sistemas biológicos, es importante comprender dos de las leyes físicas que rigen la energía.

La primera ley de la termodinámica establece que la cantidad total de energía en el universo es constante y conservada. Es decir, siempre ha habido, y siempre habrá, exactamente la misma cantidad de energía en el universo. La energía existe en muchas formas diferentes. Según la primera ley de la termodinámica, la energía puede transferirse de un lugar a otro o transformarse en diferentes formas, pero no puede crearse ni destruirse. Las transferencias y transformaciones de la energía ocurren a nuestro alrededor todo el tiempo. Las bombillas transforman la energía eléctrica en luz y energía térmica. Las estufas de gas transforman la energía química del gas natural en energía térmica. Las plantas realizan una de las transformaciones energéticas más útiles biológicamente en la tierra: la de convertir la energía de la luz solar en energía química almacenada dentro de moléculas orgánicas (Figura\(\PageIndex{2}\) a continuación).

El reto para todos los organismos vivos es obtener energía de su entorno en formas que sean utilizables para realizar trabajos celulares. Las células han evolucionado para enfrentar este reto. La energía química almacenada dentro de moléculas orgánicas como azúcares y grasas se transfiere y transforma a través de una serie de reacciones químicas celulares en energía dentro de moléculas de ATP (trifosfato de adenosina). La energía en las moléculas de ATP es fácilmente accesible para hacer el trabajo. Ejemplos de los tipos de trabajo que las células necesitan hacer incluyen construir moléculas complejas, transportar materiales, potenciar el movimiento de los cilios o flagelos y contraer los músculos para crear movimiento.

Figura\(\PageIndex{2}\). Se muestran algunos ejemplos de energía transferida y transformada de un sistema a otro y de una forma a otra. Los alimentos que consumimos proporcionan a nuestras células la energía necesaria para llevar a cabo las funciones corporales, así como la energía luminosa proporciona a las plantas los medios para crear la energía química que necesitan. (crédito “helado”: modificación de obra de D. Sharon Pruitt; crédito “niños”: modificación de obra por Max de Providence; crédito “hoja”: modificación de obra de Cory Zanker)

Las tareas primarias de una célula viva de obtener, transformar y usar energía para hacer el trabajo pueden parecer simples. No obstante, la segunda ley de la termodinámica explica por qué estas tareas son más difíciles de lo que parecen. Todas las transferencias y transformaciones de energía nunca son completamente eficientes. En cada transferencia de energía, se pierde cierta cantidad de energía en una forma que es inutilizable. En la mayoría de los casos, esta forma es energía térmica.

Termodinámicamente, la energía térmica se define como la energía transferida de un sistema a otro que no es trabajo. Por ejemplo, cuando se enciende una bombilla, parte de la energía que se convierte de energía eléctrica en energía lumínica se pierde como energía térmica. Asimismo, se pierde algo de energía como energía térmica durante las reacciones metabólicas celulares.

Un concepto importante en los sistemas físicos es el de orden y desorden. Cuanta más energía pierde un sistema a su entorno, menos ordenado y más aleatorio es el sistema. Los científicos se refieren a la medida de aleatoriedad o trastorno dentro de un sistema como entropía. Alta entropía significa trastorno alto y baja energía. Las moléculas y las reacciones químicas también tienen entropía variable. Por ejemplo, la entropía aumenta a medida que las moléculas a alta concentración en un lugar se difunden y se extienden. La segunda ley de la termodinámica dice que la energía siempre se perderá como calor en las transferencias o transformaciones de energía. Los seres vivos están altamente ordenados, lo que requiere un aporte de energía constante para mantenerse en un estado de baja entropía.

Energía potencial y cinética

Cuando un objeto está en movimiento, hay energía asociada a ese objeto. Piensa en una bola de naufragio. Incluso una bola de naufragio de movimiento lento puede hacer mucho daño a otros objetos. La energía asociada con los objetos en movimiento se llama energía cinética. Una bala a exceso de velocidad, una persona que camina y el rápido movimiento de moléculas en el aire tienen energía cinética. Ahora, ¿y si esa misma bola de naufragio inmóvil se levanta dos pisos sobre el suelo con una grúa? Si la bola de naufragio suspendida no se mueve, ¿hay energía asociada a ella? La respuesta es sí. La energía que se requería para levantar la bola de naufragio no desapareció, sino que ahora se almacena en la bola de naufragio en virtud de su posición y la fuerza de gravedad que actúa sobre ella. Este tipo de energía se denomina energía potencial (Figura\(\PageIndex{3}\) a continuación). Si la pelota cayera, la energía potencial se transformaría en energía cinética hasta que se agotara toda la energía potencial cuando la pelota descansara en el suelo. Las bolas de naufragio también se balancean como un péndulo; a través del columpio, hay un cambio constante de energía potencial (más alta en la parte superior del columpio) a energía cinética (más alta en la parte inferior del columpio). Otros ejemplos de energía potencial incluyen la energía del agua contenida detrás de una presa o una persona a punto de lanzarse en paracaidismo fuera de un avión.

Figura\(\PageIndex{3}\). El agua sin gas tiene energía potencial; el agua en movimiento, como en una cascada o un río que fluye rápidamente, tiene energía cinética. (crédito “presa”: modificación de obra por “Pascal” /Flickr; crédito “cascada”: modificación de obra de Frank Gualtieri)

La energía potencial no sólo está asociada con la ubicación de la materia, sino también con la estructura de la materia. Incluso un resorte en el suelo tiene energía potencial si se comprime; también lo hace una banda de goma que se tira tensa. A nivel molecular, los enlaces que mantienen unidos los átomos de las moléculas existen en una estructura particular que tiene energía potencial. El hecho de que la energía pueda ser liberada por la ruptura de ciertos enlaces químicos implica que esos enlaces tienen energía potencial. De hecho, hay energía potencial almacenada dentro de los enlaces de todas las moléculas de alimentos que comemos, la cual es aprovechada para su uso. El tipo de energía potencial que existe dentro de los enlaces químicos, y se libera cuando esos enlaces se rompen, se llama energía química. La energía química es responsable de proporcionar a las células vivas energía de los alimentos. La liberación de energía ocurre cuando se rompen los enlaces moleculares dentro de las moléculas de los alimentos.

Colaboradores y Atribuciones

• Esenciales de la Ciencia Ambiental por Kamala Doršner está licenciado bajo CC BY 4.0. Modificado del original por Matthew R. Fisher.