Creato da: CK-12/Adattato da Christine Miller
Questi bellissimi cani da slitta sono una meraviglia metabolica. Durante l’esecuzione fino a 160 chilometri (circa 99 miglia) al giorno, ognuno di essi consumare e bruciare circa 12 mila calorie — circa 240 calorie per libbra al giorno, che è l’equivalente di circa 24 Big Mac! Un atleta di resistenza umana, al contrario, brucia in genere solo circa 100 calorie per libbra (0,45 kg) ogni giorno. Gli scienziati sono incuriositi dallo straordinario metabolismo dei cani da slitta, anche se non hanno ancora determinato come consumano così tanta energia. Ma una cosa è certa: tutti gli esseri viventi hanno bisogno di energia per tutto ciò che fanno, che si tratti di correre una gara o battere ciglio. Infatti, ogni cellula del tuo corpo ha costantemente bisogno di energia solo per eseguire i processi vitali di base. Probabilmente sai che ottieni energia dal cibo che mangi, ma da dove viene il cibo? Come si arriva a contenere l’energia? E come fanno le tue cellule a ottenere l’energia dal cibo?
Che cos’è l’energia?
Nel mondo scientifico, l’energia è definita come la capacità di fare lavoro. Spesso puoi vedere l’energia al lavoro negli esseri viventi: un uccello vola nell’aria, una lucciola si illumina al buio, un cane agita la coda. Questi sono modi ovvi in cui gli esseri viventi usano l’energia, ma gli esseri viventi usano costantemente l’energia in modi meno ovvi.
Perché gli esseri viventi hanno bisogno di energia
All’interno di ogni cellula di tutti gli esseri viventi, l’energia è necessaria per svolgere i processi vitali. L’energia è necessaria per abbattere e costruire molecole e per trasportare molte molecole attraverso le membrane plasmatiche. Tutto il lavoro della vita ha bisogno di energia. Anche molta energia viene semplicemente persa nell’ambiente come calore. La storia della vita è una storia di flusso di energia-la sua cattura, il suo cambiamento di forma, il suo uso per il lavoro, e la sua perdita come calore. L’energia (a differenza della materia) non può essere riciclata, quindi gli organismi richiedono un apporto costante di energia. La vita funziona su energia chimica. Dove gli organismi viventi ottengono questa energia chimica?
Come gli organismi ottengono energia
L’energia chimica di cui gli organismi hanno bisogno proviene dal cibo. Il cibo è costituito da molecole organiche che immagazzinano energia nei loro legami chimici. In termini di ottenere cibo per l’energia, ci sono due tipi di organismi: autotrofi ed eterotrofi.
Gli autotrofi
Gli autotrofi sono organismi che catturano energia da fonti non viventi e trasferiscono tale energia nella parte vivente dell’ecosistema. Sono anche in grado di fare il proprio cibo. La maggior parte degli autotrofi usa l’energia alla luce del sole per produrre cibo nel processo di fotosintesi. Solo alcuni organismi — come piante, alghe e alcuni batteri-possono produrre cibo attraverso la fotosintesi. Alcuni organismi fotosintetici sono mostrati nella Figura 4.9.2.
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| Figura 4.9.2 autotrofi Fotosintetici, che rendono il cibo, utilizzando l’energia della luce del sole, includono le piante (a sinistra), alghe (al centro), e di alcuni batteri (a destra). |
Gli autotrofi sono anche chiamati produttori. Producono cibo non solo per se stessi, ma anche per tutti gli altri esseri viventi (noti come consumatori). Questo è il motivo per cui gli autotrofi costituiscono la base delle catene alimentari, come la catena alimentare mostrata nella Figura 4.9.3.
Una catena alimentare mostra come l’energia e la materia fluiscono dai produttori ai consumatori. La materia viene riciclata, ma l’energia deve continuare a fluire nel sistema. Da dove viene questa energia?
Guarda il video “La semplice storia della fotosintesi e del cibo – Amanda Ooten” da TED-Ed per saperne di più sulla fotosintesi:
La semplice storia della fotosintesi e del cibo – Amanda Ooten, TED-Ed, 2013.
Eterotrofi
Gli eterotrofi sono esseri viventi che non possono produrre il proprio cibo. Invece, ottengono il loro cibo consumando altri organismi, motivo per cui sono anche chiamati consumatori. Possono consumare autotrofi o altri eterotrofi. Gli eterotrofi includono tutti gli animali e i funghi, così come molti organismi unicellulari. Nella figura 4.9.3, tutti gli organismi sono consumatori ad eccezione delle erbe e del fitoplancton. Cosa pensi che accadrebbe ai consumatori se tutti i produttori sparissero dalla Terra?
Molecole energetiche: glucosio e ATP
Gli organismi utilizzano principalmente due tipi di molecole per l’energia chimica: glucosio e ATP. Entrambe le molecole sono utilizzate come combustibili in tutto il mondo vivente. Entrambe le molecole sono anche attori chiave nel processo di fotosintesi.
Glucosio
Il glucosio è un semplice carboidrato con la formula chimica C6H12O6. Immagazzina energia chimica in una forma concentrata e stabile. Nel tuo corpo, il glucosio è la forma di energia che viene trasportata nel sangue e assorbita da ciascuno dei tuoi trilioni di cellule. Il glucosio è il prodotto finale della fotosintesi ed è il cibo quasi universale per la vita. Nella Figura 4.9.4, si può vedere come la fotosintesi immagazzina energia dal sole nella molecola di glucosio e quindi come la respirazione cellulare rompe i legami nel glucosio per recuperare l’energia.
ATP
Se si ricorda dalla sezione 3.7 Acidi nucleici, ATP (adenosina trifosfato) è la molecola che trasporta energia che le cellule utilizzano per alimentare la maggior parte dei processi cellulari (conduzione degli impulsi nervosi, sintesi proteica e trasporto attivo sono buoni esempi di processi cellulari che si basano su ATP come fonte di energia). L’ATP viene prodotto durante la prima metà della fotosintesi e quindi utilizzato per l’energia durante la seconda metà della fotosintesi, quando viene prodotto il glucosio. L’ATP rilascia energia quando cede uno dei suoi tre gruppi fosfato (Pi) e cambia in ADP (adenosina difosfato, che ha due gruppi fosfato), come mostrato nella Figura 4.9.5. Pertanto, la ripartizione dell’ATP in ADP + Pi è una reazione catabolica che rilascia energia (esotermica). ATP è fatto dalla combinazione di ADP e Pi, una reazione anabolica che prende in energia (endotermica).
Perché gli organismi hanno bisogno sia di glucosio che di ATP
Perché gli esseri viventi hanno bisogno di glucosio se l’ATP è la molecola che le cellule usano per l’energia? Perché gli autotrofi non fanno solo ATP e lo fanno? La risposta è nella ” confezione.”Una molecola di glucosio contiene più energia chimica in un “pacchetto” più piccolo di una molecola di ATP. Il glucosio è anche più stabile dell’ATP. Pertanto, il glucosio è migliore per immagazzinare e trasportare energia. Il glucosio, tuttavia, è troppo potente per le cellule da usare. L’ATP, d’altra parte, contiene la giusta quantità di energia per alimentare i processi vitali all’interno delle cellule. Per questi motivi, sia il glucosio che l’ATP sono necessari agli esseri viventi.
Come l’energia scorre attraverso gli esseri viventi
Il flusso di energia attraverso gli organismi viventi inizia con la fotosintesi. Questo processo immagazzina energia dalla luce solare nei legami chimici del glucosio. Rompendo i legami chimici nel glucosio, le cellule rilasciano l’energia immagazzinata e producono l’ATP di cui hanno bisogno. Il processo in cui il glucosio viene scomposto e viene prodotto ATP è chiamato respirazione cellulare.
La fotosintesi e la respirazione cellulare sono come due facce della stessa medaglia. Ciò è evidente nella Figura 4.9.6. I prodotti di un processo sono i reagenti dell’altro. Insieme, i due processi immagazzinano e rilasciano energia negli organismi viventi. I due processi lavorano anche insieme per riciclare l’ossigeno nell’atmosfera terrestre.
- L’energia è la capacità di fare lavoro. È necessario a tutti gli esseri viventi e a ogni cellula vivente per eseguire processi vitali, come abbattere e costruire molecole e trasportare molte molecole attraverso le membrane cellulari.
- La forma di energia di cui gli esseri viventi hanno bisogno per questi processi è l’energia chimica e proviene dal cibo. Il cibo è costituito da molecole organiche che immagazzinano energia nei loro legami chimici.
- Gli autotrofi fanno il loro cibo. Le piante, ad esempio, producono cibo per fotosintesi. Gli autotrofi sono anche chiamati produttori.
- Gli eterotrofi ottengono cibo mangiando altri organismi. Gli eterotrofi sono anche noti come consumatori.
- Gli organismi utilizzano principalmente le molecole glucosio e ATP per l’energia. Il glucosio è una forma compatta e stabile di energia che viene trasportata nel sangue e assorbita dalle cellule. L’ATP contiene meno energia e viene utilizzato per alimentare i processi cellulari.
- Il flusso di energia attraverso gli esseri viventi inizia con la fotosintesi, che crea glucosio. In un processo chiamato respirazione cellulare, le cellule degli organismi abbattono il glucosio e producono l’ATP di cui hanno bisogno.
- Definisci energia.
- Perché gli esseri viventi hanno bisogno di energia?
- Confronta e contrappone i due modi fondamentali in cui gli organismi ottengono energia.
- Descrivere i ruoli e le relazioni delle molecole energetiche glucosio e ATP.
- Riassumi come l’energia scorre attraverso gli esseri viventi.
- Perché la trasformazione di ATP in ADP rilascia energia?
Imparare la biologia: Autotrofi vs. eterotrofi, Mahalodotcom, 2011.
Trasferimento di energia nei livelli trofici, Teacher’s Pet, 2015.
Attribuzioni
Figura 4.9.1
Tre aviatori partecipano alla spedizione in slitta trainata da cani della U. S. Air Force foto di Tech. Sgt. Dan Rea è rilasciato nel pubblico dominio (https://en.wikipedia.org/wiki/Public_domain).
Figura 4.9.2
- Plant by Ren Eseguito su Unsplash viene utilizzato sotto la licenza Unsplash (https://unsplash.com/license).
- Green Algae di Tristan Schmurr su Flickr viene utilizzato con licenza CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/).
- Cyanobacteria da Argon National Laboratory su Flickr è utilizzato sotto una licenza CC BY-NC-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/).
Figura 4.9.3
Biomass_Pyramid di Swiggity.Malloppo.YOLO.Bro su Wikipedia è usato e adattato da Christine Miller sotto una licenza CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en).
Figura 4.9.4
La fotosintesi e la respirazione di Christine Miller sono utilizzate sotto una licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Figura 4.9.5
La sintesi fotografica e la respirazione cellulare di Lady of Hats/ CK-12 Foundation sono utilizzate sotto una licenza CC BY-NC 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/).
©CK-12 Foundation 
• Condizioni di utilizzo • Attribuzione LadyofHats/CK-12 Fondazione. (2016, 15 agosto). Figura 5: Fotosintesi e respirazione cellulare . In Brainard, J. e Henderson, R., CK-12’s College Human Biology FlexBook® (Sezione 4.9). Fondazione CK-12. https://www.ck12.org/book/ck-12-college-human-biology/section/4.9/
Mahalodotcom. (2011, 14 gennaio). Imparare la biologia: Autotrofi vs. eterotrofi. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=eDalQv7d2cs
Animale domestico dell’insegnante. (2015, 23 marzo). Trasferimento di energia nei livelli trofici. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=0glkXIj1DgE&feature=emb_logo
TED-Ed. (2013, 5 marzo). La semplice storia della fotosintesi e del cibo – Amanda Ooten. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=eo5XndJaz-Y&feature=youtu.be
La capacità di fare lavoro.
La più piccola unità di vita, costituita da almeno una membrana, citoplasma e materiale genetico.
Qualsiasi sostanza consumata per fornire supporto nutrizionale per un organismo.
Un organismo che produce composti organici complessi (come carboidrati, grassi e proteine) da sostanze semplici presenti nel suo ambiente, generalmente utilizzando energia dalla luce (fotosintesi) o reazioni chimiche inorganiche (chemiosintesi).
La fotosintesi è un processo utilizzato dalle piante e da altri organismi per convertire l’energia luminosa in energia chimica che può essere successivamente rilasciata per alimentare le attività degli organismi.
Organismi che fanno il loro cibo. Ottengono energia dalle sostanze chimiche o dal sole e, con l’aiuto dell’acqua, convertono quell’energia in energia utilizzabile sotto forma di zucchero o cibo. L’esempio più comune di un produttore sono le piante.
Un organismo che non può produrre il proprio cibo, basandosi invece sull’assunzione di nutrimento da altre fonti di carbonio organico, principalmente materia vegetale o animale. Nella catena alimentare, gli eterotrofi sono consumatori primari, secondari e terziari, ma non produttori.
Organismi che mangiano organismi di una popolazione diversa per soddisfare i loro bisogni energetici.
Il glucosio (chiamato anche destrosio) è uno zucchero semplice con la formula molecolare C6H12O6. Il glucosio è il monosaccaride più abbondante, una sottocategoria di carboidrati. Il glucosio è prodotto principalmente dalle piante e dalla maggior parte delle alghe durante la fotosintesi dall’acqua e dall’anidride carbonica, utilizzando l’energia della luce solare.
La forma più semplice di zucchero e le unità più elementari di carboidrati, chiamati anche zuccheri semplici.
Una sostanza chimica organica complessa che fornisce energia per guidare molti processi nelle cellule viventi, ad esempio contrazione muscolare, propagazione dell’impulso nervoso e sintesi chimica. Trovato in tutte le forme di vita, l’ATP è spesso definito come “unità molecolare di valuta” del trasferimento di energia intracellulare.
Un insieme di reazioni metaboliche e processi che avvengono nelle cellule degli organismi per convertire l’energia biochimica dai nutrienti in adenosina trifosfato (ATP).