Năng lượng (Năng lượng và công)

Năng lượng và công Có thể định nghĩa một cách đơn giản nhất năng lượng là khả năng tạo nên công hoặc gây nên những biến đổi đặc biệt. Do đó, tất cả các quá trình lý, hoá là kết quả của việc sử dụng hoặc vận động của năng lượng. Tế bào sống thực hiện ba loại công chủ yếu, tất cả đều cần thiết cho các quá trình sống.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Năng lượng (Năng lượng và công) Năng lượng (Năng lượng và công)16.1. NĂNG LƯỢNG16.1.1. Năng lượng và công Có thể định nghĩa một cách đơngiản nhất năng lượng là khả năngtạo nên công hoặc gây nên nhữngbiến đổi đặc biệt. Do đó, tất cả cácquá trình lý, hoá là kết quả của việcsử dụng hoặc vận động của nănglượng. Tế bào sống thực hiện baloại công chủ yếu, tất cả đều cầnthiết cho các quá trình sống. Công hoá học, bao gồm việc tổng hợp các phân tử sinh học phức tạp từ các tiền chất đơn giản hơn. Năng lượng ở đây được dùng để nâng cao tính phức tạp phân tử của tế bào. Công vận chuyển, cần năng lượng để hấp thu các chất dinh dưỡng, loại bỏ các chất thải và duy trì các cân bằng ion. Như ta biết, nhiều phân tử chấtdinh dưỡng bên ngoài môi trườngphải đi vào tế bào mặc dù nồng độnội bào của các chất này thườngcao hơn ngoại bào nghĩa là ngượcvới gradien điện hoá. Với các chấtthải và các chất độc hại cần phảiđược loại bỏ khỏi tế bào, tình hìnhcũng diễn ra tương tự. Công cơ học, có lẽ là loại công quen thuộc nhất trong ba loại công. Năng lượng ở đây cần cho việc thay đổi vị trí vật lý của các cơ thể, các tế bào và các cấu trúc bên trong tế bào. Hầu hết năng lượng sinh học bắt nguồn từ ánh sáng mặt trời khả kiến chiếu lên bề mặt trái đất. Quang năng đượchấp thu bởi các sinh vật quangdưỡng trong quá trình quang hợpnhờ chất diệp lục và các sắc tốkhác sau đó chuyển thành hoánăng. Trái với sinh vật quangdưỡng, nhiều vi khuẩn hoá tựdưỡng vô cơ(chemolithoautotrophs) lại thuđược năng lượng nhờ oxy hoácác chất vô cơ. Hoá năng từquang hợp và hoá dưỡng vô cơsau đó có thể được các sinh vậtquang tự dưỡng vô cơ và hoá tựdưỡng vô cơ sử dụng để chuyểnCO2 thành các phân tử sinh họcnhư Glucose (Hình 16.1).  Hình 16.1: Dòng carbon và năng lượng trong một hệ sinh thái (Theo: Prescott và cs, 2005) Các phân tử phức tạp do các cơthể tự dưỡng tổng hợp (cả thực vậtvà vi sinh vật) được dùng làmnguồn carbon cho các sinh vật hoádị dưỡng và các sinh vật tiêu thụkhác vốn sử dụng các phân tử hữucơ phức tạp làm nguồn vật chất vànăng lượng để xây dựng nên cáccấu trúc tế bào của riêng mình (trênthực tế các sinh vật tự dưỡng cũngsử dụng các phân tử hữu cơ phứctạp). Các sinh vật hoá dị dưỡngthường sử dụng O2 làm chất nhậnelectron khi oxy hoá Glucose vàcác phân tử hữu cơ khác thànhCO2. Trong quá trình này - đượcgọi là hô hấp hiếu khí - O2 đóng vaitrò là chất nhận electron cuối cùngvà bị khử thành nước. Quá trìnhtrên giải phóng ra nhiều nănglượng. Do đó trong hệ sinh tháinăng lượng được hấp thu bởi các cơthể quang tự dưỡng và hoá tựdưỡng vô cơ. Sau đó, một phầnnăng lượng này được chuyền chocác cơ thể hoá dị dưỡng khi chúngsử dụng các chất dinh dưỡng bắtnguồn từ bọn tự dưỡng (Hình 16.1).CO2 tạo thành trong hô hấp hiếukhí có thể lại được lắp vào các phântử hữu cơ phức tạp trong quang hợpvà hoá tự dưỡng vô cơ. Rõ ràng,dòng carbon và năng lượng tronghệ sinh thái có liên quan mật thiếtvới nhau. Các tế bào phải vận chuyểnnăng lượng một cách có hiệu quả từbộ máy sản xuất năng lượng tới cáchệ thống thực hiện công. Nghĩa là,chúng cần có một đồng tiền chungvề năng lượng để tiêu dùng, đó làAdenosine 5’- triPhosphate tứcATP (hình 16.2). Hình 16.2. AdenosinetriPhosphate và Adenosine diPhosphate. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005) Hình 16.3: Chu trình năng lượng của tế bào. Khi ATP phân giải thànhAdenosine diPhosphate (ADP) vàortoPhosphate (Pi) năng lượng giảiphóng ra sẽ được dùng để thực hiệncông hữu ích. Sau đó, năng lượngtừ quang hợp, hô hấp hiếu khí, hôhấp kỵ khí và lên men lại đượcdùng để tái tổng hợp ATP từ ADPvà Pi trong chu trình năng lượngcủa tế bào (Hình 16.3). ATP được tạo thành từ nănglượng cung cấp bởi hô hấp hiếukhí, hô hấp kị khí, lên men vàquang hợp. Sự phân giải của ATPthành ADP và Phosphate (Pi) giúpcho việc sản ra công hóa học, côngvận chuyển và công cơ học.16.1.2. Các định luật về nhiệtđộng học Để hiểu được năng lượng tạothành ra sao và ATP hoạt động nhưthế nào với vai trò là đồng tiềnnăng lượng ta cần nắm được một sốnguyên lý cơ bản của nhiệt độnghọc. Nhiệt động học phân tíchnhững thay đổi về năng lượng trongmột tổ hợp vật thể (ví dụ: một tếbào hay một cây) được gọi là mộthệ thống. Mọi vật thể khác trong tựnhiên được gọi là môi trường xungquanh. Nhiệt động học tập trungvào sự sai khác năng lượng giữatrạng thái ban đầu và trạng tháicuối cùng của một hệ thống màkhông quan tâm đến tốc độ của quátrình. Chẳng hạn, nếu một xoongnước được đun đến sôi thì, về nhiệtđộng học, chỉ điều kiện nước lúcban đầu và khi sôi là quan trọng,còn việc nước được đun nhanhchậm ra sao và được đun trên loạibếp lò nào thì không cần chú ý.Trong nhiệt động học không thểkhông đề cập đến hai định luậtquan trọng sau đây. Theo định luật thứ nhất, nănglượng không thể được tạo ra hoặcmất đi. Tổng năng lượng trong tựnhiên là hằng số mặc dù có thểđược phân bố lại. Chẳng hạn, trongcác phản ứng hoá học, thường diễnra sự trao đổi năng lượng (Ví dụ,nhiệt được thoát ra ở các phản ứngngoại nhiệt và được hấp thu trongcác phản ứng nội nhiệt) nhưngnhững sự trao đổi nhiệt này khôngtrái với định luật trên. Để xác định lượng nhiệt đượcsử dụng trong hoặc thoát ra từ mộtphản ứng nào đó người ta dùng hailoại đơn vị năng lượng: một calo(cal) là lượng nhiệt năng cần đểtăng nhiệt độ của một gam nước từ14,5 đến 15,50C. Lượng nhiệt cũngcó thể được biểu hiện bằng joule(joule, J) là đơn vị của công. 1 calcủa nhiệt tương đương với 4,1840 Jcủa công. 1000 cal hay 1 kilocalo(kcal) là lượng nhiệt đủ đun sôikhoảng 1,9ml nước. 1 kilojoule (kj)là lượng nhiệt đủ đun sôi khoảng0,44 ml nước hoặc giúp cho mộtngười nặng 70 kg leo lên được 35bậc. Joule thường được các nhà hoáhọc và vật lý học sử dụng, còn cácnhà sinh học lại quen s ...