معلومة

W2017_Lecture_06_reading - علم الأحياء


المادة والطاقة في علم الأحياء

المادة و الطاقة

مفاهيم المادة والطاقة ضرورية لجميع التخصصات العلمية. ومع ذلك ، فإن أهدافنا التعليمية هي مساعدة الطلاب على تطوير إطار عمل مفاهيمي من شأنه مساعدتهم على استخدام مفاهيم المادة والطاقة من أجل:

  • وصف التفاعلات والتحولات البيولوجية بنجاح ؛
  • إنشاء نماذج وفرضيات لـ "كيفية عمل الأشياء" في علم الأحياء تتضمن صراحة المادة والطاقة و ؛
  • أن تكون صحيحة علميًا وقابلة للتحويل إلى مشاكل جديدة وإلى تخصصات أخرى.

في حين أنه قد يكون هناك زوجان من المعادلات المتعلقة بالطاقة للتعلم والاستخدام في BIS2A ، فإن التركيز الرئيسي للدورة سيكون على التطوير القوي لمفاهيم الطاقة والمادة واستخدامها في تفسير الظواهر البيولوجية.

الدافع للتعلم عن المادة والطاقة

تجعل المناقشات حول المادة والطاقة الكثير من طلاب BIS2A ، ولكن ليس جميعهم ، قلقين بعض الشيء. بعد كل شيء ، أليست هذه الموضوعات تنتمي إلى الكيمياء أو الفيزياء؟ ومع ذلك ، فإن تحولات المادة ونقل الطاقة ليست ظواهر محفوظة للكيميائيين والفيزيائيين أو حتى العلماء والمهندسين بشكل عام. يعد فهم وتصور وإجراء بعض المحاسبة الأساسية لتحولات المادة ونقل الطاقة مهارات أساسية بغض النظر عن المهنة أو التدريب الأكاديمي. قد يحتاج العالم إلى أوصاف أكثر دقة ومنهجية لهذه التحولات من الفنان ولكن كلاهما يستخدم هذه المهارات في نقاط مختلفة من حياتهم الشخصية أو المهنية. خذ الأمثلة التالية:

مثال 1: المادة وتحول الطاقة في ظاهرة الاحتباس الحراري

دعونا نفكر للحظة في موضوع يؤثر علينا جميعًا ، الاحتباس الحراري. يكمن في جوهره نموذج بسيط نسبيًا يعتمد على فهمنا للطاقة في الإشعاع الشمسي ، ونقل هذه الطاقة مع المادة الموجودة على الأرض ، ودور ودوران الغازات الرئيسية المحتوية على الكربون في الغلاف الجوي للأرض. بعبارات بسيطة ، تضرب الطاقة الشمسية الأرض وتنقل الطاقة إلى سطحها ، وتسخنها. يتم نقل بعض هذه الطاقة مرة أخرى إلى الفضاء. ومع ذلك ، اعتمادًا على تركيز ثاني أكسيد الكربون (وما يسمى بغازات الاحتباس الحراري الأخرى) قد تصبح كميات مختلفة من هذه الطاقة "محاصرة" في الغلاف الجوي للأرض. يتم حجز كمية قليلة جدًا من ثاني أكسيد الكربون وقليل نسبيًا من الطاقة / الحرارة - تتجمد الأرض وتصبح غير صالحة للحياة. يتم احتجاز الكثير من ثاني أكسيد الكربون والكثير من الحرارة - ترتفع درجة حرارة الأرض وتصبح غير صالحة للحياة. لذلك ، من المنطقي أن الآليات (البيولوجية أو غيرها) التي تؤثر على مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي قد تكون مهمة للنظر فيها في قصة الاحترار العالمي وأن تطوير فهم جيد لظاهرة الاحتباس الحراري يتطلب من المرء تتبع تدفق الكربون والأكسجين (المادة) من خلال أشكالهما المختلفة والآليات التي يتم من خلالها نقل الطاقة من وإلى المكونات المختلفة للنظام.

المثال 2: تقلص العضلات

دعونا الآن نفكر في مثال شخصي أكثر ، ثني الذراع بدءًا من الوضع الممتد وانتهاءً بوضعية الانثناء. مثل معظم العمليات ، يمكن وصف هذه العملية وفهمها على مستويات مختلفة من التفاصيل: من وجهة النظر التشريحية حيث يتكون النظام من العضلات والجلد والعظام إلى الجزيئات حيث يتكون النظام من جزيئات حيوية فردية متفاعلة. في أي مستوى من التفاصيل ، إذا أردنا إنشاء قصة تصف هذه العملية ، فإننا نعلم أن: (أ) يجب أن يتضمن الوصف حسابًا لما حدث للمسألة في النظام (وهذا يشمل التغيير في موضع الجزيئات التي تتكون منها الأجزاء المختلفة للذراع والوقود "المحترق" لتحريكه) و (ب) أن بعض الوقود تم حرقه لبدء الحركة ، وبالتالي ، فإن أي وصف للعملية يجب أن يتضمن أيضًا تغييرًا محاسبيًا في طاقة النظام . بعبارات أبسط ، هذا في الحقيقة مجرد قول أنه إذا كنت تريد وصف عملية حدث فيها شيء ما ، فأنت بحاجة إلى وصف ما حدث لـ "الأشياء" في النظام وما حدث للطاقة في النظام لجعل العملية تحدث .

لا يمكننا تغطية جميع أمثلة المادة ونقل الطاقة في BIS2A. لكننا سوف نستكشف هذه القضايا كثيرًا ونتدرب على وصف التحولات التي تحدث في الطبيعة مع الاهتمام المنظم والصريح بما يحدث للمادة والطاقة في النظام أثناء تغيره. سنفعل هذا التمرين عبر مستويات هيكلية مختلفة في علم الأحياء ، من المستوى الجزيئي (مثل تفاعل كيميائي واحد) إلى نماذج أكثر نطاقًا وملخصة مثل دورة المغذيات في البيئة. سنمارس هذه المهارة باستخدام أداة تربوية نسميها "قصة الطاقة". كن مستعدا للمشاركة!

قصة الطاقة

نظرة عامة على قصة الطاقة

سواء كنا نعرف ذلك أم لا ، فإننا نروي القصص التي تتضمن المادة والطاقة كل يوم ، ولا نستخدم غالبًا المصطلحات المرتبطة بالمناقشات العلمية حول المادة والطاقة.

مثال 1

الإعداد: بيان بسيط بتفاصيل ضمنية
تخبر زميلك في السكن قصة عن كيفية وصولك إلى الحرم الجامعي بقولك "لقد ذهبت بالدراجة إلى الحرم الجامعي اليوم". في هذا البيان البسيط ، توجد العديد من الافتراضات التي من المفيد تفريغها ، حتى لو لم تبدو حاسمة للغاية لتضمينها صراحة في محادثة غير رسمية بين الأصدقاء حول خيارات النقل.

إعادة تفسير شخص خارجي للعملية
لتوضيح ذلك ، تخيل مراقبًا خارجيًا ، على سبيل المثال كائن فضائي يراقب مجيء وذهاب البشر على الأرض. بدون فائدة معرفة الكثير من المعاني الضمنية والافتراضات المعقولة المدفونة في لغتنا ، فإن وصف الأجنبي لرحلة ركوب الدراجات الصباحية سيكون مختلفًا تمامًا عن وصفك. ما وصفته بكفاءة بأنه "ركوب الدراجة إلى الحرم الجامعي" قد يوصف بشكل أكثر تحديدًا من قبل الأجنبي على أنه تغيير في موقع جسم الإنسان ودراجته من موقع واحد (الشقة ، تسمى الموضع أ) إلى موقع مختلف (الجامعة ، يطلق عليها الموضع ب). قد يكون الفضائي أكثر تجريدًا ويصف رحلة الدراجة على أنها حركة المادة (جسم الإنسان ودراجته) بين الحالة الأولية (في الموقع أ) إلى الحالة النهائية (في الموقع ب). علاوة على ذلك ، من وجهة نظر الكائن الفضائي ، قد يتم وصف ما تسميه "ركوب الدراجات" بشكل أكثر تحديدًا على أنه استخدام أداة ذات عجلتين تجمع بين نقل الطاقة من الحقول الكهربائية في المركبات الكيميائية إلى تسريع الأداة ذات العجلتين - شخص التحرير والسرد في بيئته. أخيرًا ، مدفونًا ضمن العبارة البسيطة التي تصف كيف بدأنا العمل هو أيضًا الفهم الضمني بأن كتلة الجسم والدراجة تم حفظها في هذه العملية (مع بعض التحذيرات المهمة التي سننظر إليها في المحاضرات المستقبلية) وأن بعض الطاقة كانت تم تحويلها لتمكين حركة الجسم من الموضع A إلى الموضع B.

ملحوظة: مناقشة محتملة:

التفاصيل مهمة. ماذا لو كنت تمتلك دراجة كهربائية بالكامل ولم يكن الشخص الذي تتحدث معه يعرف ذلك؟ ما هي التفاصيل المهمة التي قد يغيرها هذا بشأن القصة "اليومية" التي أخبرتها والتي كان من الممكن أن يوضحها الوصف الأكثر تفصيلاً؟ كيف ستتغير قصة الفضائي؟ في أي سيناريوهات قد تكون هذه التغييرات ذات صلة؟

كما توضح هذه القصة البسيطة ، بغض النظر عن العديد من العوامل ، فإن فعل إنشاء وصف كامل للعملية يتضمن بعض المحاسبة لما حدث للمسألة ، وما حدث للطاقة ، ودائمًا ما يكون بعض الوصف للآلية التي تصف كيفية حدوث التغييرات في المادة. وطاقة النظام.

لممارسة هذه المهارة ، في BIS2A سوف نستفيد من شيء نحب أن نسميه "قصة الطاقة". قد يُطلب منك سرد "قصة طاقة" في الفصل ، والتدرب على سرد قصص الطاقة في أدلة دراسة المحاضرة ، واستخدام المفهوم في امتحاناتك. في هذا القسم ، نركز بشكل أساسي على تقديم مفهوم قصة الطاقة وشرح كيفية سردها. من الجدير بالذكر أن مصطلح "قصة الطاقة" يستخدم بشكل حصري تقريبًا في BIS2A (وله معنى محدد في هذه الفئة). لن يظهر هذا المصطلح الدقيق في الدورات التدريبية الأخرى في جامعة كاليفورنيا في ديفيس (على الأقل في المدى القصير) أو إذا ظهر ، فمن غير المحتمل استخدامه بنفس الطريقة. يمكنك التفكير في "قصة الطاقة" كنهج منظم لإنشاء بيان أو قصة تصف عملية أو حدث بيولوجي. أعطى مدربون BIS2A هذا النهج اسمًا قصيرًا "قصة طاقة" ، حتى نتمكن جميعًا من ربطها بالتمرين المشترك. بهذه الطريقة عندما يطلب المدرب من الفصل أن يروي أو يؤلف قصة عن الطاقة ، يعرف الجميع ما هو المقصود.

التعريف 1: قصة الطاقة

قصة الطاقة هي سرد ​​يصف عملية أو حدث. العناصر الحاسمة لهذه الرواية هي:

  1. تحديد حالتين على الأقل (مثل البداية والنهاية) في العملية.
  2. تحديد وإدراج الأمر في النظام وحالته في بداية العملية ونهايتها.
  3. وصف تحول الأمر الذي يحدث أثناء العملية.
  4. حساب "موقع" الطاقة في النظام في بداية العملية ونهايتها.
  5. وصف نقل الطاقة الذي يحدث أثناء العملية.
  6. تحديد ووصف الآلية (الآليات) المسؤولة عن التوسط في تحويل المادة ونقل الطاقة.

ستشمل قصة الطاقة الكاملة وصفًا للمتفاعلات الأولية وحالاتها النشطة بالإضافة إلى وصف للمنتجات النهائية وحالاتها النشطة بعد اكتمال العملية أو التفاعل.

ملحوظة: مناقشة محتملة:

نجادل بأنه يمكن استخدام قصة الطاقة لتوصيل جميع التفاصيل المفيدة المطلوبة لوصف أي عملية تقريبًا. هل يمكنك التفكير في عملية لا يمكن وصفها بشكل مناسب بقصة الطاقة؟ إذا كان الأمر كذلك ، فقم بوصف هذه العملية.

مثال 2: مثال قصة الطاقة

لنفترض أننا نتحدث عن عملية قيادة السيارة من "النقطة أ" إلى "النقطة ب" (انظر الشكل).

الشكل 1: رسم تخطيطي لسيارة تتحرك في البداية من النقطة "أ" إلى "النقطة ب" في النهاية. يمثل المستطيل الأزرق الموضح في الجزء الخلفي من السيارة مستوى البنزين ، ويمثل الخط البنفسجي المتعرج بالقرب من أنبوب العادم العادم ، بينما تمثل الخطوط الزرقاء المتعرجة أعلى السيارة اهتزازات صوتية ويمثل التظليل الأحمر المناطق الأكثر سخونة من البداية.

المصدر: تم إنشاؤه بواسطة Marc T. Facciotti (عمل خاص) تتحرك السيارة من النقطة أ إلى النقطة ب

دعنا نخطو في نموذج تقييم قصة الطاقة:

1. تحديد حالتين على الأقل (مثل البداية والنهاية) في العملية.
في هذا المثال يمكننا بسهولة تحديد حالتين. الحالة الأولى هي السيارة غير المتحركة عند "النقطة أ" ، بداية الرحلة. الحالة الثانية ، بعد انتهاء العملية ، هي السيارة غير المتحركة عند "النقطة ب".

2. تحديد وإدراج الأمر في النظام وحالته في بداية العملية ونهايتها.
في هذه الحالة ، نلاحظ أولاً أن "النظام" يشمل كل شيء في الشكل - السيارة والطريق والهواء حول السيارة وما إلى ذلك.

من المهم أن نفهم أننا سنطبق القانون الفيزيائي لحفظ المادة. أي أنه في أي من العمليات التي سنناقشها ، لا يتم إنشاء المادة أو تدميرها. قد يتغير شكله ، ولكن يجب أن يكون المرء قادرًا على تفسير كل شيء في نهاية العملية التي كانت موجودة في البداية.

في بداية العملية ، تتكون المسألة في النظام من:
1. السيارة وكل ما بداخلها
2. الوقود في السيارة (شيء مميز في السيارة)
3. الهواء (بما في ذلك الأكسجين) حول السيارة.
4. الطريق
5. السائق

في نهاية العملية ، يتم توزيع الأمر في النظام على النحو التالي:
1. السيارة وجميع الأشياء الموجودة بها في مكان جديد (دعنا نفترض ، بصرف النظر عن الوقود والموضع ، أنه لم يتغير شيء آخر)
2. يوجد وقود أقل في السيارة وهو أيضًا في مكان جديد
3. لقد تغير الهواء - فقد أصبح الآن يحتوي على كمية أقل من الأكسجين الجزيئي ، والمزيد من ثاني أكسيد الكربون والمزيد من بخار الماء.
4. الطريق (لنفترض أنه لم يتغير - باستثناء بعض الحصى التي تم تحريكها)
5. السائق (لنفترض أنها لم تتغير - على الرغم من أننا سنرى في نهاية المدة أنها قد تغيرت (على الأقل قليلاً) ، لكن السائق الآن في مكان مختلف.

3. وصف التحول الذي يحدث أثناء العملية.

ماذا حدث للأمر في هذه العملية؟ بفضل الكثير من الافتراضات المبسطة ، نرى أن شيئين كبيرين قد حدثا. أولاً ، قامت السيارة وسائقها بتغيير موقعهما - انتقلوا من "النقطة أ" إلى "النقطة ب". ثانيًا ، نلاحظ أن بعض الجزيئات الموجودة في الوقود ، والتي كانت موجودة في السيارة كسائل ، قد تغيرت أشكالها وأصبحت الآن في الغالب على شكل ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء (فقاعة أرجوانية تخرج من أنبوب العادم). أصبحت بعض جزيئات الأكسجين التي كانت موجودة في الهواء الآن أيضًا في مكان جديد كجزء من ثاني أكسيد الكربون والماء الذي ترك السيارة.

4. احتساب "موقع" الطاقة في النظام في بداية العملية ونهايتها.
من المهم مرة أخرى أن نفهم أننا سوف نستدعي القانون الفيزيائي للحفاظ على الطاقة. أي أننا نشترط أن الطاقة في النظام لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها وبالتالي فإن الطاقة الموجودة في النظام في بداية العملية يجب أن تظل موجودة في نهاية العملية. ربما تمت إعادة توزيعه ولكن يجب أن تكون قادرًا على حساب كل الطاقة.

في بداية العملية ، يتم توزيع الطاقة في النظام على النحو التالي:
1. الطاقة المقيدة في الارتباطات بين الذرات التي تشكل مادة السيارة.
2. الطاقة المقيدة في الارتباطات بين الذرات التي يتكون منها الوقود.
3. الطاقة المقيدة في الارتباطات بين الذرات التي يتكون منها الهواء.
4. الطاقة المقيدة في الارتباطات بين الذرات التي تشكل الطريق.
5. الطاقة المقيدة في الارتباطات بين الذرات التي يتكون منها المحرك.
6. لكل الأشياء المذكورة أعلاه يمكننا أن نقول أيضًا أن هناك طاقة في الحركات الجزيئية للذرات التي تتكون منها المادة.

في نهاية العملية ، يتم توزيع الطاقة في النظام على النحو التالي:
1. لكل الأشياء المذكورة أعلاه يمكننا القول أيضًا أن هناك طاقة في الحركات الجزيئية للذرات التي تتكون منها المادة.

هذا مثير للاهتمام إلى حد ما لأن القوائم متشابهة. نعلم أن كمية الطاقة المخزنة في السيارة قد انخفضت بسبب نقص الوقود. يجب أن يحدث شيء ما.

5. وصف نقل الطاقة الذي يحدث أثناء العملية.
في المثال المحدد ، يكون نقل الطاقة حول مكونات النظام هو الأكثر إثارة للاهتمام. كما ذكرنا ، تقل الطاقة المخزنة في خزان الوقود للسيارة في نهاية الرحلة بسبب نقص الوقود الآن. نعلم أيضًا بشكل بديهي (من تجربتنا في الحياة الواقعية) أن نقل الطاقة من الوقود إلى شيء آخر كان مفيدًا في نقل السيارة من "النقطة A" إلى "النقطة B". إذن ، أين ذهبت هذه الطاقة؟ تذكر ، لم تختف فقط. يجب أن يكون قد انتقل إلى مكان آخر في النظام.

حسنًا ، نعلم أن هناك المزيد من ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء في النظام بعد العملية. توجد طاقة في الارتباطات بين تلك الذرات (الذرات التي كانت موجودة في الوقود والهواء). لذا فإن بعض الطاقة التي كانت في الوقود أصبحت الآن في العادم. دعنا أيضًا نستفيد من تجربتنا الواقعية مرة أخرى ونذكر أننا نعلم أن أجزاء من سيارتنا قد أصبحت ساخنة بنهاية الرحلة (على سبيل المثال المحرك وناقل الحركة والعجلات / الإطارات والعادم وما إلى ذلك). في الوقت الحالي ، سنستخدم حدسنا ونقول إننا نفهم أن جعل شيء ساخنًا ينطوي على بعض نقل الطاقة. لذلك يمكننا أن نفترض بشكل معقول أن بعض الطاقة في الوقود ذهبت (بشكل مباشر أو غير مباشر) إلى تسخين السيارة ، وأجزاء من الطريق ، والعادم ، وبالتالي البيئة المحيطة بالسيارة. تم استخدام قدر من الطاقة أيضًا في تسريع السيارة من السرعة الصفرية إلى أي سرعة تنتقل إليها ، ولكن معظم ذلك ذهب في النهاية إلى درجة حرارة عندما توقفت السيارة.

هذا شرح مموج قليلاً وسنتعلم كيفية القيام بعمل أفضل خلال الربع. النقطة الأساسية هي أننا يجب أن نكون قادرين على إضافة كل الطاقة في النظام في بداية العملية (في جميع الأماكن التي تم العثور عليها) وفي نهاية العملية (في جميع الأماكن التي تم العثور عليها) و يجب أن تكون هاتان القيمتان متماثلتين.

6. تحديد ووصف الآلية (الآليات) المسؤولة عن التوسط في تحويل المادة ونقل الطاقة.

أخيرًا ، من المفيد محاولة فهم كيفية تسهيل تحولات المادة ونقل الطاقة. من أجل الإيجاز ، في هذا المثال قد نقول فقط أنه كان هناك جهاز ميكانيكي معقد (المحرك) ساعد في تسهيل تحويل المادة ونقل الطاقة حول النظام واقترن ذلك بالتغيير في موضع السيارة. من المؤكد أن أي شخص مهتم بالمحركات سيقدم شرحًا أكثر تفصيلاً.

في هذا المثال ، قمنا بمجموعة من الافتراضات المبسطة لتسليط الضوء على العملية والتركيز على تحويل الوقود. لكن هذا جيد. كلما فهمت أكثر عن العمليات ، زادت التفاصيل الدقيقة التي يمكنك إضافتها. لاحظ أنه يمكنك استخدام نموذج تقييم قصة الطاقة لوصف فهمك (أو البحث عن ثغرات في فهمك) لأي عملية تقريبًا (بالتأكيد في علم الأحياء). في BIS2A ، سنستخدم قصة الطاقة لفهم العمليات المتنوعة مثل التفاعلات الكيميائية الحيوية ، وتكرار الحمض النووي ، ووظيفة المحركات الجزيئية ، وما إلى ذلك.

الأهمية:

أولاً: سنعمل على العديد من الأمثلة لقصة الطاقة طوال الدورة - لا تشعر أنك بحاجة إلى التمكن من هذا الموضوع اليوم.

ثانيًا: مع ذلك ، في حين أنه من المغري التفكير في أن كل هذا غير ضروري أو غير وثيق الصلة بدراستك لعلم الأحياء في BIS2a ، دع هذا بمثابة تذكير بأن أساتذتك (أولئك الذين ينشئون التقييمات النصفية والنهائية للدورة التدريبية) ينظرون إليها على أنها مادة أساسية. سنعيد النظر في هذا الموضوع غالبًا خلال الدورة التدريبية ولكننا نحتاج إلى التعرف على بعض المفاهيم الأساسية الآن.

هذه مادة مهمة ومهارة مهمة يجب تطويرها - لا تؤجل دراستها لأنها "لا تبدو" مثل "علم الأحياء" بالنسبة لك اليوم. يتحرك الفصل الدراسي بسرعة كبيرة وسيكون من الصعب اللحاق به لاحقًا إذا لم تفكر في هذا الأمر الآن.

طاقة

الطاقة مفهوم مركزي في جميع العلوم. الطاقة هي خاصية للنظام. في حين أنه لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها ، فإن فهم نقل الطاقة حول الأنظمة الفيزيائية هو عنصر أساسي لفهم كيف ولماذا تتغير الأشياء. في الأقسام التالية سنستكشف بعض المفاهيم الأساسية المرتبطة بالتحولات الشائعة في علم الأحياء والكيمياء - قابلية الذوبان في الجزيئات الحيوية المختلفة ، وتكوين الروابط الكيميائية وكسرها ، ونقل الإلكترونات ، ونقل الطاقة من وإلى الضوء ، و نقل الطاقة كحرارة. في الفصل ، ستحدث العديد من المناقشات في سياق قصة الطاقة ، لذلك عندما نفكر في رد فعل للتحول ، سنكون مهتمين بتعريف النظام المعني بدقة ومحاولة حساب جميع عمليات نقل الطاقة المختلفة التي تحدث داخل النظام ، مع التأكد من أننا نلتزم قانون حفظ الطاقة.

هناك الكثير من الأمثلة حيث نستخدم مفهوم الطاقة في حياتنا اليومية لوصف العمليات. يمكن لراكب الدراجة الهوائية للوصول إلى الحرم الجامعي للدراسة. يمكن تفسير فعل نقل نفسها ودراجتها من النقطة أ إلى النقطة ب إلى حد ما من خلال فحص طاقة النقل التي تحدث. يمكننا أن ننظر إلى هذا المثال من خلال مجموعة متنوعة من العدسات ، ولكن كعلماء أحياء نريد على الأرجح فهم سلسلة الأحداث التي تشرح كيفية نقل الطاقة من جزيئات الطعام ، إلى النشاط المنسق المتصل للجزيئات الحيوية في عضلاتها المرنة ، و كيف يمكن توصيل هذا أخيرًا بتحريك الدراجة لنقلها من النقطة أ إلى النقطة ب. للقيام بذلك ، نحتاج إلى أن نكون قادرين على التحدث عن الطرق المختلفة التي يمكن من خلالها نقل الطاقة بين أجزاء النظام وأين يتم تخزينها أو نقل خارج النظام. في القسم التالي ، سنرى أيضًا الحاجة إلى النظر في كيفية توزيع هذه الطاقة بين العديد من الدول المجهرية (الحالات الجزيئية) للنظام ومحيطه.

كيف سنقترب من تصور الطاقة

في BIS2A سنفكر في الطاقة باستعارة "مادة". لاحظ ، مع ذلك ، أن هذه الطاقة ليس مادة ، بل هو بالأحرى خاصية من النظام. لكننا سنفكر في الأمر بمعنى ما على أنه خاصية يمكن تخزينها في جزء من نظام مادي ونقلها أو "نقلها" من مكان تخزين إلى آخر. الفكرة ، هي تعزيز الأفكار القائلة بأن الطاقة تحافظ على هويتها عند نقلها - فهي لا تغير الأشكال في حد ذاتها. وهذا بدوره يشجعنا أيضًا على التأكد من أن الطاقة دائمًا لها موطن وأننا نحسب كل الطاقة في النظام قبل التحول وبعده ، فهو لا "يصنع" أو "يضيع" فقط (كلا الفكرتين متناقضتان من قانون الحفاظ على الطاقة). عندما يتم نقل الطاقة ، يجب أن نحدد من أين تأتي وأين تتجه - كل ذلك! مرة أخرى ، لا يمكننا أن نضيع بعض الشيء. عندما يتم نقل الطاقة ، يجب أن تكون هناك آلية ما مرتبطة بهذا النقل. دعونا نفكر في ذلك لمساعدتنا في شرح بعض الظواهر التي نهتم بها. هذه الآلية هي جزء من "الكيفية" التي نهتم بفهمها غالبًا. أخيرًا ، إذا تحدثنا عن النقل ، يجب أن ندرك أن كلا المكونين ، جزء النظام الفيزيائي الذي تخلى عن الطاقة وجزء النظام الذي استقبل هذه الطاقة يتغيران من حالتهما الأولية. يجب أن نتأكد من أننا نبحث في جميع مكونات النظام من أجل التغييرات في الطاقة عند دراسة التحول.

مصادر الطاقة

في النهاية ، مصدر الطاقة للعديد من العمليات التي تحدث على سطح الأرض يأتي من الإشعاع الشمسي. ولكن كما سنرى ، كانت البيولوجيا ذكية جدًا في الاستفادة من مجموعة متنوعة من أشكال الطاقة لبناء كائنات حية والحفاظ عليها. بينما ننتقل من خلال هذه الدورة ، سوف نستكشف مجموعة متنوعة من مصادر الطاقة والطرق التي ابتكرت بها البيولوجيا لنقل الطاقة من هذه الأنواع من الوقود.

الطاقة في التفاعلات الكيميائية

تتضمن التفاعلات الكيميائية إعادة توزيع الطاقة داخل المواد الكيميائية المتفاعلة ومع بيئتها. لذا ، سواء أعجبك ذلك أم لا ، نحتاج إلى تطوير بعض النماذج التي يمكن أن تساعدنا في وصف مكان الطاقة في النظام (ربما كيف يتم "تخزينها" / توزيعها) وكيف يمكن تحريكها في رد فعل. لن تكون النماذج التي نطورها مفصلة بشكل مفرط - بمعنى أنها لن ترضي كيميائيًا أو فيزيائيًا متشددًا بتفاصيل فنية - لكننا نتوقع أنها يجب أن تظل صحيحة تقنيًا وألا تشكل نماذج عقلية غير صحيحة من شأنها أن تجعل الحصول على "التنقيحات" في وقت لاحق.

في هذا الصدد ، فإن أحد المفاهيم الأساسية التي يجب فهمها هو أننا سنفكر في نقل الطاقة بين أجزاء النظام. سنحاول ألا نفكر في الأمر على أنه تحول. التحويل مقابل التحويل - هذا مهم. هذا الأخير يعطي الانطباع بأن الطاقة هي خاصية موجودة في أشكال مختلفة ، وأنه يتم إعادة تشكيلها بطريقة ما. تتمثل إحدى مشكلات لغة "التحويل" في أنه من الصعب التوفيق بين فكرة الحفاظ على الطاقة (وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية) إذا كانت تتغير شكلها باستمرار. كيف يمكن الحفاظ على الكيان إذا لم يعد هو الشيء نفسه؟ علاوة على ذلك ، يخبرنا القانون الثاني للديناميكا الحرارية أنه لا يوجد تحول يحفظ كل الطاقة في النظام. إذا كانت الطاقة "تتحول" فكيف يمكن الحفاظ عليها؟

لذا ، بدلاً من ذلك ، سوف نتعامل مع هذه المشكلة عن طريق نقل الطاقة وتخزينها بين أجزاء مختلفة من النظام ، وبالتالي نفكر في الطاقة على أنها خاصية يمكن إعادة توزيعها. نأمل أن يجعل ذلك المحاسبة أسهل.

حذر:

إذا كنا سنفكر في نقل الطاقة من جزء من نظام إلى آخر ، فنحن أيضًا بحاجة إلى توخي الحذر ليس معاملة الطاقة كمادة تتحرك مثل سائل أو "شيء". بدلاً من ذلك ، نحن بحاجة إلى تقدير الطاقة ببساطة باعتبارها خاصية لنظام يمكن قياسها وإعادة تنظيمها ، ولكنها ليست "شيئًا" ولا شيء في وقت ما في شكل ثم لاحقًا في شكل آخر.

نظرًا لأننا غالبًا ما نتعامل مع تحولات الجزيئات الحيوية ، يمكننا أن نبدأ بالتفكير في مكان وجود / تخزين الطاقة في هذه الأنظمة. سنبدأ بفكرتين ونضيف المزيد إليها لاحقًا.

دعونا نقترح أن مكانًا واحدًا يمكن تخزين الطاقة فيه هو حركة المادة. للإيجاز ، سنعطي الطاقة المخزنة في الحركة اسمًا: الطاقة الحركية. تكون الجزيئات في علم الأحياء في حالة حركة ثابتة ، وبالتالي لها قدر معين من الطاقة الحركية (الطاقة المخزنة في الحركة) المرتبطة بها.

دعنا نقترح أيضًا أن هناك قدرًا معينًا من الطاقة المخزنة في الجزيئات الحيوية نفسها وأن كمية الطاقة المخزنة في تلك الجزيئات مرتبطة بأنواع وأعداد الذرات في الجزيئات وتنظيمها (عدد وأنواع الروابط بينهم). إن مناقشة المكان المحدد لتخزين الطاقة في الجزيئات هو خارج نطاق هذه الفئة ولكن يمكننا تقريبها من خلال اقتراح وجود وكيل جيد في الروابط. قد ترتبط أنواع مختلفة من الروابط بتخزين كميات مختلفة من الطاقة. في بعض السياقات ، يمكن تسمية هذا النوع من تخزين الطاقة الطاقة الكامنة أو الطاقة الكيميائية. من خلال هذا الرأي ، فإن أحد الأشياء التي تحدث أثناء تكوين وكسر الروابط في تفاعل كيميائي هو أن الطاقة تنتقل حول النظام إلى أنواع مختلفة من الروابط. في سياق قصة الطاقة يمكن نظريًا حساب كمية الطاقة المخزنة في روابط وحركة المواد المتفاعلة والطاقة المخزنة في روابط وطاقة المنتجات.

في بعض الحالات ، قد تجد أنه عند إضافة الطاقة المخزنة في المنتجات والطاقة المخزنة في المواد المتفاعلة ، فإن هذه المبالغ غير متساوية. إذا كانت الطاقة في المواد المتفاعلة أكبر من المنتجات ، فأين ذهبت هذه الطاقة؟ كان لا بد من نقلها إلى شيء آخر. من المؤكد أن البعض قد انتقل إلى أجزاء أخرى من النظام ، مخزّنًا في حركة جزيئات أخرى (مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة البيئة) أو ربما في الطاقة المرتبطة بفوتونات الضوء. أحد الأمثلة الجيدة على الحياة الواقعية هو التفاعل الكيميائي بين الخشب والأكسجين (المواد المتفاعلة) وتحويله إلى ثاني أكسيد الكربون والماء (المنتجات). في البداية ، تكون الطاقة في النظام إلى حد كبير في الروابط الجزيئية للأكسجين والخشب (المواد المتفاعلة). لا تزال هناك طاقة متبقية في ثاني أكسيد الكربون والماء (المنتجات) ، ولكن أقل مما كانت عليه في البداية. نقدر جميعًا أن جزءًا من تلك الطاقة قد تم تحويله إلى طاقة في الضوء والحرارة. يسمى هذا التفاعل حيث يتم نقل الطاقة إلى البيئة طارد للحرارة. على النقيض من ذلك ، في بعض التفاعلات تنتقل الطاقة من البيئة. تسمى ردود الفعل هذه ماص للحرارة.

إن نقل الطاقة داخل أو خارج التفاعل من البيئة ليس الشيء الوحيد الذي يحدد ما إذا كان التفاعل سيكون تلقائيًا أم لا. سنناقش ذلك قريبًا. في الوقت الحالي ، من المهم أن تشعر بالراحة مع فكرة أنه يمكن نقل الطاقة بين المكونات المختلفة للنظام أثناء التفاعل وأنك يجب أن تكون قادرًا على تصور تتبعها.

الديناميكا الحرارية

تهتم الديناميكا الحرارية بوصف التغييرات في الأنظمة قبل التغيير وبعده. يتضمن هذا عادةً مناقشة حول عمليات نقل الطاقة وتشتتها داخل النظام. في جميع الحالات العملية تقريبًا ، تتطلب هذه التحليلات وصف النظام ومحيطه بالكامل. على سبيل المثال ، عند مناقشة تسخين قدر من الماء على الموقد ، قد يشتمل النظام على الموقد والوعاء والمياه والبيئة أو البيئة المحيطة قد تشمل كل شيء آخر. الكائنات البيولوجية هي ما يسمى الأنظمة المفتوحة ؛ تنتقل الطاقة بينهم وبين محيطهم.

القانون الأول للديناميكا الحرارية

يتعامل القانون الأول للديناميكا الحرارية مع الكمية الإجمالية للطاقة في الكون. تنص على أن هذا المقدار الإجمالي للطاقة ثابت. بعبارة أخرى ، كان هناك دائمًا وسيظل دائمًا نفس القدر من الطاقة في الكون. وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية ، يمكن نقل الطاقة من مكان إلى آخر ، ولكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. يتم نقل الطاقة من حولنا طوال الوقت. تنقل المصابيح الطاقة من محطة طاقة كهربائية إلى حرارة وفوتونات ضوئية. تنقل مواقد الغاز الطاقة المخزنة في روابط المركبات الكيميائية إلى حرارة وضوء. بالمناسبة ، الحرارة هي كمية الطاقة المنقولة من نظام إلى آخر بسبب اختلاف درجة الحرارة. تقوم النباتات بأحد أكثر عمليات نقل الطاقة المفيدة بيولوجيًا على الأرض: فهي تنقل الطاقة في فوتونات ضوء الشمس إلى الروابط الكيميائية للجزيئات العضوية. في كل حالة من هذه الحالات ، لا يتم إنتاج أو تدمير الطاقة ويجب أن نحاول حساب كل الطاقة عندما نفحص بعض هذه التفاعلات.

القانون الأول وقصة الطاقة

القانون الأول للديناميكا الحرارية بسيط بشكل مخادع. غالبًا ما يفهم الطلاب أنه لا يمكن إنشاء الطاقة أو تدميرها. ومع ذلك ، عند وصف قصة طاقة لعملية ما ، غالبًا ما يرتكبون خطأ قول أشياء مثل "الطاقة تنتج من انتقال الإلكترونات من الذرة A إلى الذرة B". بينما يفهم معظمنا النقطة التي يحاول الطالب توضيحها ، يتم استخدام الكلمات الخاطئة. الطاقة لا تُصنع ولا تُنتج ، بل تُنقل ببساطة. لكي تكون متسقًا مع القانون الأول ، عند سرد قصة طاقة ، تأكد من أنك تحاول صراحة تتبع جميع الأماكن التي تمر فيها كل الطاقة في النظام في بداية العملية بنهاية العملية.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

مفهوم مهم في النظم الفيزيائية هو مفهوم غير قادر علي. Entropy is related to the with the ways in which energy can be distributed or dispersed within the particles of a system. The 2nd Law of Thermodynamics states that entropy is always increasing in a system AND its surroundings (everything outside the system). This idea helps explain the directionality of natural phenomena. In general, the notion is that the directionality comes from the tendency for energy in a system to move towards a state of maximal dispersion. The 2nd law, therefore, means that in any transformation we should look for an overall increase in entropy (or dispersion of energy), somewhere. A idea that is associated with increased dispersion of energy in a system or its surroundings is that as dispersion increases the ability of the energy to be directed towards work decreases.

There will be many examples of where the entropy of a system decreases. To be consistent with the second law, however, we must try to find something else (likely a closely connected system in the surroundings) that must compensate for the "local" decrease in entropy with an equal or greater increase in entropy.

The entropy of a system can increase when:(a) it gains energy; (b) a change of state occurs from solid to liquid to gas; (c) mixing of substances occurs; (d) the number of particles increases during a reaction.

مناقشة ممكنة

Does the second law say that entropy is conserved?

مناقشة ممكنة

Biological systems, on the surface, see to defy the Second Law of Thermodynamics. لا يفعلون. لماذا ا؟

مناقشة ممكنة

A fine point. The figure above discusses order and disorder and shows that this is somehow related to a change in entropy (ΔS). It is common to describe entropy as a measure of order as a way to simplify the more concrete description relating entropy to the number of states in which energy can be dispersed in a system. While the idea of measuring order to define entropy has some flaws, it is sometimes a useful, if imperfect, proxy. Consider the figure above. Here order serves as a good proxy for approximating the number of ways to distribute energy in the system. Can you describe why this is the case?

طاقة حرة

If we want to describe transformations, it is useful to have a measure of (a) how much energy is in a system and (b) the dispersal of that energy within the system and, of course, (c) how theses change between the start and end of a process. مفهوم طاقة حرة، غالبًا ما يشار إليها باسم طاقة جيبس ​​الحرة أو المحتوى الحراري الحر (يُختصر بالحرف G) ، بمعنى ما ، يفعل ذلك بالضبط. يمكن تعريف طاقة جيبس ​​الحرة بعدة طرق قابلة للتحويل ، ولكن أحد الطرق المفيدة في سياق علم الأحياء هو المحتوى الحراري (الطاقة الداخلية) لنظام مطروحًا منه إنتروبيا النظام المقاسة حسب درجة الحرارة. غالبًا ما يتم الإبلاغ عن الاختلاف في الطاقة الحرة عند حدوث عملية ما من حيث التغيير (Δ) في المحتوى الحراري (الطاقة الداخلية) الذي يشير إلى H ، مطروحًا منه التغير في درجة الحرارة (Δ) في الانتروبيا ، والمشار إليه S. انظر المعادلة أدناه.

[ΔG=ΔH−TΔS]

غالبًا ما يتم تفسير طاقة جيبس ​​على أنها كمية الطاقة المتاحة للقيام بعمل مفيد. With a bit of handwaving we can interpret this by invoking the idea presented in the section on entropy that states the dispersion of energy (required by the Second Law) associated with a positive change in entropy somehow renders some of the energy that is transferred less useful to do work. يمكن للمرء أن يقول أن هذا ينعكس جزئيًا في مصطلح T∆S لمعادلة جيبس.

لتوفير أساس لمقارنات عادلة للتغيرات في طاقة جيبس ​​الحرة بين التحولات أو التفاعلات البيولوجية المختلفة ، يتم قياس تغير الطاقة الحرة للتفاعل تحت مجموعة من الظروف التجريبية القياسية المشتركة. The resulting standard free energy change of a chemical reaction is expressed as an amount of energy per mole of the reaction product (either in kilojoules or kilocalories, kJ/mol or kcal/mol; 1 kJ = 0.239 kcal) when measured at a standard pH, temperature, and pressure conditions. Standard pH, temperature, and pressure conditions are generally calculated at pH 7.0, 25 degrees Celsius, and 100 kilopascals (1 atm pressure), respectively. من المهم ملاحظة أن الظروف الخلوية تختلف اختلافًا كبيرًا عن هذه الشروط القياسية ، وبالتالي فإن ∆G الفعلية داخل الخلية ستختلف بشكل كبير عن تلك المحسوبة في ظل الظروف القياسية.

Endergonic and Exergonic Reactions

Reactions that have a ∆G < 0 means that the products of the reaction have less free energy than the reactants. Since ∆G is the difference between the enthalpy and entropy changes in a reaction a net negative ∆G can arise in different ways. The left panel of the figure below shows a common graphical representation an exergonic reaction. Free energy is plotted on the y-axis and the x-axis in arbitrary units shows model for the progress of a reaction. يسمى هذا النوع من الرسم البياني مخطط إحداثيات التفاعل. In the case of an exergonic reaction, depicted below, the chart indicates two key things: (1) the difference between the free energy of the reactants and products is negative and (2) the progress of the reaction requires some input of free energy (shown as an energy hill). لا يخبرنا هذا الرسم البياني كيف أعيد توزيع الطاقة في النظام ، فقط أن الفرق بين المحتوى الحراري والإنتروبيا سالب. تسمى التفاعلات التي تحتوي على ∆G سالب ردود فعل مفرطة. يقال إن ردود الفعل هذه تحدث بشكل عفوي. Understanding which chemical reactions are spontaneous is extremely useful for biologists that are trying to understand whether a reaction is likely to "go" or not.

It is important to note that the term spontaneous - in the context of thermodynamics - does NOT imply anything about how fast the reaction proceeds. The change in free energy only describes the difference between beginning and end states NOT how fast that transition takes. This is somewhat contrary to the everyday use of the term which usually carries the implicit understanding that something happens quickly. كمثال ، أكسدة / صدأ الحديد هو تفاعل تلقائي. However, an iron nail exposed to air does not rust instantly - it may take years.

A chemical reaction with a positive ∆G means that the products of the reaction have a higher free energy than the reactants (see the right panel of Figure 2). تسمى هذه التفاعلات الكيميائية تفاعلات إندرجونيك، وهم ليسوا عفويين. لن يحدث التفاعل المرن من تلقاء نفسه دون نقل الطاقة إلى التفاعل أو زيادة الانتروبيا في مكان آخر.

تؤدي التفاعلات الطارئة والحيوية إلى تغييرات في طاقة جيبس ​​الحرة. In exergonic reaction the free energy of the products is lower than that of the reactants; meanwhile in endergonic the free energy of the products is higher than that of the reactants. الإسناد: Marc T. Facciotti (عمل خاص)

بناء الجزيئات المعقدة ، مثل السكريات ، من أبسط هو عملية الابتنائية و endergonic. On the other hand, the catabolic process, such as the breaking down of sugar into simpler molecules is generally exergonic. Like the example of rust above, while the breakdown of biomolecules is generally spontaneous these reactions don’t necessarily occur instantaneously (quickly). Remember, the terms endergonic and exergonic only refer to the difference in free energy between the products and reactants - they don't tell you about the rate of reaction (how fast it happens). سيتم مناقشة مسألة المعدل في أقسام لاحقة.

مفهوم مهم في دراسة التمثيل الغذائي والطاقة هو مفهوم التوازن الكيميائي. معظم التفاعلات الكيميائية قابلة للعكس. They can proceed in both directions, often transferring energy into their environment in one direction, and transferring energy in from the environment in the other direction. وينطبق الشيء نفسه على التفاعلات الكيميائية التي تدخل في عملية التمثيل الغذائي للخلية ، مثل تكسير البروتينات وتكوينها من وإلى الأحماض الأمينية الفردية ، على التوالي. ستخضع المفاعلات داخل نظام مغلق لتفاعلات كيميائية في كلا الاتجاهين حتى يتم الوصول إلى حالة التوازن. حالة التوازن هذه هي واحدة من أقل طاقة حرة ممكنة وحالة من الانتروبيا القصوى. Equilibrium in a chemical reaction, is the state in which both reactants and products are present in concentrations which have no further tendency to change with time. عادة ، تنتج هذه الحالة عندما يستمر التفاعل الأمامي بنفس معدل التفاعل العكسي. لاحظ هذا البيان الأخير! Equilibrium means that the relative concentrations of reactants and products is not changing in time BUT it does NOT mean that there is no interconversion between substrates and products - it just means that when reactant is converted to product that product is converted to reactant at an equal rate.

إما إعادة توازن الركيزة أو تركيزات المنتج (عن طريق إضافة أو إزالة الركيزة أو المنتج) أو التغيير الإيجابي في الطاقة الحرة ، عادةً عن طريق نقل الطاقة من خارج التفاعل ، مطلوب لتحريك التفاعل خارج حالة التوازن. In a living cell, most chemical reactions do not reach a state of equilibrium - this would require that they reach their lowest free energy state. لذلك ، فإن الطاقة مطلوبة لإبقاء التفاعلات البيولوجية خارج حالة التوازن. وبهذه الطريقة ، تكون الكائنات الحية في معركة شاقة تتطلب طاقة مستمرة ضد التوازن والانتروبيا.

At equilibrium, do not think of a static unchanging system. Instead, picture molecules moving, in equal amounts from one area to another. هنا ، عند التوازن ، لا تزال الجزيئات تتحرك من اليسار إلى اليمين ومن اليمين إلى اليسار. ومع ذلك ، فإن الحركة الصافية متساوية. سيظل هناك حوالي 15 جزيءًا في كل جانب من هذه القارورة بمجرد الوصول إلى التوازن.
المصدر: https://courses.candelalearning.com/...apter/entropy/


شاهد الفيديو: W2017 PY04 06 Garcia Rigo (كانون الثاني 2022).