2.2: אנרגיה

Last updated
Save as PDF

Page ID: 207883

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

כמעט כל משימה המבוצעת על ידי אורגניזמים חיים דורשת אנרגיה. חומרים מזינים ומולקולות אחרות מיובאים לתא כדי לעמוד בדרישות האנרגיה הללו. לדוגמה, אנרגיה נדרשת לסינתזה ופירוק של מולקולות, כמו גם להובלת מולקולות לתאים ומחוצה להם. בנוסף, תהליכים כמו בליעה ופירוק מזון, ייצוא פסולת ורעלים ותנועת התא דורשים כולם אנרגיה.

מדענים משתמשים במונח ביו-אנרגטיקה כדי לתאר את מושג זרימת האנרגיה דרך מערכות חיות, כגון תאים. תהליכים תאיים כגון בנייה ופירוק של מולקולות מורכבות מתרחשים באמצעות תגובות כימיות שלביות. חלק מהתגובות הכימיות הללו הן ספונטניות ומשחררות אנרגיה, בעוד שאחרות דורשות אנרגיה כדי להמשיך. יחד, כל התגובות הכימיות המתרחשות בתוך התאים, כולל אלה הצורכות או מייצרות אנרגיה, מכונות חילוף החומרים של התא.

מאיפה ובאיזו צורה מגיעה האנרגיה הזו? כיצד תאים חיים משיגים אנרגיה, וכיצד הם משתמשים בה? חלק זה ידון בצורות שונות של אנרגיה ובחוקים הפיזיקליים השולטים בהעברת אנרגיה.

אנרגיה

תרמודינמיקה מתייחסת לחקר האנרגיה והעברת האנרגיה הכרוכה בחומר פיזי. החומר הרלוונטי למקרה מסוים של העברת אנרגיה נקרא מערכת, וכל מה שמחוץ לחומר זה נקרא הסביבה. לדוגמה, בעת חימום סיר מים על הכיריים, המערכת כוללת את הכיריים, הסיר והמים. אנרגיה מועברת בתוך המערכת (בין הכיריים, הסיר והמים). ישנם שני סוגים של מערכות: פתוח וסגור. במערכת פתוחה ניתן להחליף אנרגיה עם סביבתה. מערכת הכיריים פתוחה מכיוון שחום יכול ללכת לאיבוד לאוויר. מערכת סגורה אינה יכולה להחליף אנרגיה עם סביבתה.

אורגניזמים ביולוגיים הם מערכות פתוחות. אנרגיה מוחלפת בינם לבין סביבתם כאשר הם משתמשים באנרגיה מהשמש לביצוע פוטוסינתזה או צורכים מולקולות אוגרות אנרגיה ומשחררים אנרגיה לסביבה על ידי ביצוע עבודה ושחרור חום. כמו כל הדברים בעולם הפיזי, האנרגיה כפופה לחוקים פיזיקליים. חוקי התרמודינמיקה קובעים את העברת האנרגיה בתוך ובין כל המערכות ביקום. באופן כללי, אנרגיה מוגדרת כיכולת לבצע עבודה, או ליצור שינוי כלשהו. אנרגיה קיימת בצורות שונות: אנרגיה חשמלית, אנרגיית אור, אנרגיה מכנית ואנרגיית חום הם כולם סוגים שונים של אנרגיה. כדי להעריך את האופן שבו אנרגיה זורמת אל מערכות ביולוגיות ומחוצה להן, חשוב להבין שניים מהחוקים הפיזיקליים השולטים באנרגיה.

החוק הראשון של התרמודינמיקה קובע שכמות האנרגיה הכוללת ביקום קבועה ושמורה. במילים אחרות, תמיד הייתה, ותמיד תהיה, בדיוק אותה כמות אנרגיה ביקום. אנרגיה קיימת בצורות רבות ושונות. על פי החוק הראשון של התרמודינמיקה, אנרגיה עשויה להיות מועברת ממקום למקום או להפוך אותה לצורות שונות, אך לא ניתן ליצור אותה או להרוס אותה. ההעברות והטרנספורמציות של האנרגיה מתרחשות סביבנו כל הזמן. נורות הופכות אנרגיה חשמלית לאנרגיית אור וחום. תנורי גז הופכים אנרגיה כימית מגז טבעי לאנרגיית חום. צמחים מבצעים את אחת התמורות האנרגטיות השימושיות ביותר מבחינה ביולוגית על פני כדור הארץ: זו של המרת אנרגיית אור השמש לאנרגיה כימית המאוחסנת בתוך מולקולות אורגניות (דמות \(\PageIndex{2}\) לְהַלָן).

האתגר של כל האורגניזמים החיים הוא להשיג אנרגיה מסביבתם בצורות שמישות לביצוע עבודה סלולרית. תאים התפתחו כדי לעמוד באתגר זה. אנרגיה כימית המאוחסנת בתוך מולקולות אורגניות כגון סוכרים ושומנים מועברת והופכת באמצעות סדרה של תגובות כימיות תאיות לאנרגיה בתוך מולקולות של ATP (אדנוסין טריפוספט). אנרגיה במולקולות ATP נגישה בקלות לביצוע עבודה. דוגמאות לסוגי העבודה שהתאים צריכים לבצע כוללות בניית מולקולות מורכבות, הובלת חומרים, הפעלת תנועת ריסים או דגלים והתכווצות שרירים ליצירת תנועה.

הצד השמאלי של דיאגרמה זו מתאר אנרגיה המועברת מחרוט גלידה לשני נערים שרוכבים על אופניים. הצד הימני מתאר צמח הממיר אנרגיית אור לאנרגיה כימית: אנרגיית האור מיוצגת על ידי השמש, והאנרגיה הכימית מיוצגת על ידי עלה ירוק על ענף. — איור\(\PageIndex{2}\). מוצגות כמה דוגמאות לאנרגיה המועברת והופכת ממערכת אחת לאחרת ומצורה אחת לאחרת. המזון שאנו צורכים מספק לתאים שלנו את האנרגיה הדרושה לביצוע תפקודי גוף, בדיוק כפי שאנרגיית האור מספקת לצמחים את האמצעים ליצירת האנרגיה הכימית הדרושה להם. (אשראי "גלידה": שינוי עבודה על ידי ד 'שרון פרויט; אשראי "ילדים": שינוי עבודה על ידי מקס מפרובידנס; אשראי "עלה": שינוי של עבודה על ידי קורי זנקר)

המשימות העיקריות של תא חי להשיג, לשנות ולהשתמש באנרגיה לביצוע עבודה עשויות להיראות פשוטות. עם זאת, החוק השני של התרמודינמיקה מסביר מדוע משימות אלה קשות מכפי שהן נראות. כל העברות האנרגיה והטרנספורמציות לעולם אינן יעילות לחלוטין. בכל העברת אנרגיה, כמות מסוימת של אנרגיה הולכת לאיבוד בצורה שאינה שמישה. ברוב המקרים, צורה זו היא אנרגיית חום.

מבחינה תרמודינמית, אנרגיית החום מוגדרת כאנרגיה המועברת ממערכת אחת לאחרת שאינה עבודה. לדוגמה, כאשר נורה דולקת, חלק מהאנרגיה המומרת מאנרגיה חשמלית לאנרגיית אור הולכת לאיבוד כאנרגיית חום. באופן דומה, אנרגיה מסוימת הולכת לאיבוד כאנרגיית חום במהלך תגובות מטבוליות תאיות.

מושג חשוב במערכות פיזיות הוא זה של סדר ואי סדר. ככל שהולכת לאיבוד יותר אנרגיה על ידי מערכת לסביבתה, המערכת פחות מסודרת ואקראית יותר. מדענים מתייחסים למדד האקראיות או ההפרעה בתוך מערכת כאנטרופיה. אנטרופיה גבוהה פירושה הפרעה גבוהה ואנרגיה נמוכה. למולקולות ולתגובות כימיות יש גם אנטרופיה משתנה. לדוגמה, האנטרופיה עולה ככל שמולקולות בריכוז גבוה במקום אחד מתפזרות ומתפשטות. החוק השני של התרמודינמיקה אומר שאנרגיה תמיד תאבד כחום בהעברות אנרגיה או טרנספורמציות. יצורים חיים מסודרים מאוד, הדורשים קלט אנרגיה קבוע להישמר במצב של אנטרופיה נמוכה.

אנרגיה פוטנציאלית וקינטית

כאשר אובייקט נמצא בתנועה, יש אנרגיה הקשורה לאובייקט זה. תחשוב על כדור הריסה. אפילו כדור הריסה איטי יכול לגרום נזק רב לחפצים אחרים. אנרגיה הקשורה לאובייקטים בתנועה נקראת אנרגיה קינטית. לכדור דוהר, לאדם מהלך ולתנועה מהירה של מולקולות באוויר יש אנרגיה קינטית. עכשיו מה אם אותו כדור הריסה ללא תנועה מורם שתי קומות מעל פני האדמה בעזרת מנוף? אם כדור ההריסה התלוי אינו זז, האם יש אנרגיה הקשורה אליו? התשובה היא כן. האנרגיה שנדרשה להרים את הכדור ההורס לא נעלמה, אלא מאוחסנת כעת בכדור ההריסה מתוקף מיקומו וכוח הכובד הפועל עליו. סוג זה של אנרגיה נקרא אנרגיה פוטנציאלית (איור \(\PageIndex{3}\) לְהַלָן). אם הכדור היה נופל, האנרגיה הפוטנציאלית תהפוך לאנרגיה קינטית עד שכל האנרגיה הפוטנציאלית תמצה כאשר הכדור נח על הקרקע. כדורי הריסה מתנדנדים גם הם כמו מטוטלת; דרך הנדנדה יש שינוי מתמיד של אנרגיה פוטנציאלית (הגבוהה ביותר בראש הנדנדה) לאנרגיה קינטית (הגבוהה ביותר בתחתית הנדנדה). דוגמאות אחרות לאנרגיה פוטנציאלית כוללות את אנרגיית המים המוחזקת מאחורי סכר או אדם שעומד לצנוח מחוץ למטוס.

אנרגיה פוטנציאלית אינה קשורה רק למיקום החומר, אלא גם למבנה החומר. אפילו למעיין על הקרקע יש אנרגיה פוטנציאלית אם הוא דחוס; כך גם רצועת גומי שנמשכת מתוחה. ברמה המולקולרית, הקשרים המחזיקים את אטומי המולקולות יחד קיימים במבנה מסוים שיש לו אנרגיה פוטנציאלית. העובדה שניתן לשחרר אנרגיה על ידי פירוק קשרים כימיים מסוימים מרמזת שלקשרים אלה יש אנרגיה פוטנציאלית. למעשה, קיימת אנרגיה פוטנציאלית המאוחסנת בקשרים של כל מולקולות המזון שאנו אוכלים, אשר רתומה לשימוש. סוג האנרגיה הפוטנציאלית הקיימת בתוך קשרים כימיים, ומשתחרר כאשר קשרים אלה נשברים, נקרא אנרגיה כימית. אנרגיה כימית אחראית לספק לתאים חיים אנרגיה מהמזון. שחרור האנרגיה מתרחש כאשר הקשרים המולקולריים בתוך מולקולות המזון נשברים.

תורמים וייחוסים

יסודות מדעי הסביבה מאת קמלה דורשנר מורשה תחת CC BY 4.0. שונה מהמקור על ידי מתיו ר 'פישר.