Today I'm going to talk to you about energy in biology.
"In biology" I mean all of biology,
from evolution to ecology, to physiology to cellular biology.
And, the reason I can talk to you about it from such a wide swathe of biology
is because we use energy for everything we do
and because we spend a lot of our time and abilities
just trying to get energy and make energy.
For those reasons, there's infinitely many ways
in which I could talk about energy
and infinitely many ways I could describe it to you,
but one of the most fun things to me and one of the arts of science to me
is deciding how to draw the boxes that we're gonna use.
And, to do that, you often have to frame a question
or think about some objective you're trying to meet.
And, the two I'm going to talk about in this talk:
one is with relation to evolution - how do we think about energy
in terms of evolution and what's needed for evolution?
And, the other is more in relation to physiology and ecology,
which really has to do with how do we get energy
and how do we make energy.
So, from an evolutionary perspective,
the main thing we are concerned about is fitness,
which is how many offspring or individuals
we give to the next generation.
To do that, we first have to grow and maintain ourselves to reproduce.
So, one of the main boxes for evolution actually is development and growth.
So, in this slide, I show a plant growing
from early stages to later, and, in doing that,
it has to create many more cells,
it has to create new types of cells and new types of structures -
so this takes a lot of energy and is a very energy intensive process.
And, that's also true for animals and their growth.
Here, there's a picture of these two birds
crying out to their parents for food - to bring them food -
because they need lots more food to grow and have energy
to get to be big enough to reproduce.
The next box I'll talk to you about for energy is maintenance,
and that's sort of a less obvious visible one
because you're not seeing cells change or structures change or reproducing -
you sort of see things staying the same way they are visibly,
but actually that takes a lot of energy just to replace cells that die
or to feed cells energy just to keep living.
As extreme examples, if you look at these redwood trees,
it takes an enormous amount of energy just to keep water or sap
pumping up to the leaves at the top - it's a huge distance they have to travel.
And, you have to build structures to maintain them to go up to these leaves.
So, you use a lot of energy just to keep pushing
up to the tops of the trees.
And, similarly, we use energy for all the structures in our body.
But, there are extreme examples here too
where - if we're thinking about a peacock -
if it builds a whole array of feathers,
that takes a lot of energy to build and to maintain.
And, it's going to use that to attract a mate,
which it again it needs for reproduction,
which is important for evolution.
As a brief aside, before I get to reproduction,
from maintenance, one of the interesting things to me
about us as humans is that, individually biologically,
we use about the same amount of power or energy per time
that you would see in a light bulb, but once you add in things -
how much energy we use for cars or computers or light bulbs
or heating our houses - we actually, each individual in the US,
uses about the same amount of energy as a blue whale,
so we're really enormous energy users in terms of our biological footprint.
The last evolutionary box I'll talk about for energy is reproduction,
which is where evolution sort of ultimately aimed most of the time.
And, that can be things like oranges on a tree
that tempt us to eat them
because they're so pretty and flavorful and taste good,
and then, we walk around and distribute those seeds
to help our orange trees grow elsewhere and increase their numbers.
Or also, an embryo growing inside a mother
that takes a huge amount of energy and time to produce
that's necessary for reproduction.
So, growth, maintenance and reproduction
are the main boxes that I think you can think about for evolution
where energy is needed.
But now, I'm gonna shift gears and talk a little bit more
about how it's needed for physiology and ecology,
which has a lot to do with
how do you get energy and how do you make energy,
which evolution still plays a big role in because you need those things to survive,
but it's not as explicit as if you do it this way.
So, in terms of obtaining energy,
this is a dramatic picture of an owl chasing down a mouse to eat for food,
and that's one type of example of getting resources or food
through what we call "active capture."
But, other ways include things like grazing - like a cow in a pasture,
or "sit-and-wait,"
which would be like snakes or spiders waiting for prey items to come to them.
And also, plants are a little bit like that
in terms of getting energy.
They're more like sit-and-waits, where they build structures
and wait for things to come to them.
So, as we see here, there's an extensive branching system for this tree,
and when the leaves are all present on the limbs,
it's using that to get light... from the environment,
and get as much light in this little area as it can - within that canopy.
And, that sort of branching system is reflected below ground
in terms of root systems that it uses to get water nutrients
from the ground as well, where it has to branch out
and get as much resources as it can.
Once resources are obtained,
we have to process that to make energy,
and, the first step in that for animals is the digestive system,
which, you know, involves...
going through our stomachs and things like that.
But, the part I want to highlight here
is that, in our guts, there are these microbial systems,
often now called the "microbiome" or the "gut microbiome,"
which we have to have to process energy.
It's this own little world - an ecosystem - inside our bodies.
And, basically, based on how it processes energy and the energy it needs,
it really affects which bacteria you see and the diversity of bacteria you see,
and when that's off it can really affect our digestive system.
After we process energy
and get it in a more usable form from what we took into our bodies,
we still have to get it to the rest of our bodies -
to our fingertip, our toe tip, or our head to use,
and that's done by a branching system inside our bodies.
It looks a lot like the branching system in trees outside
or in their roots in the ground - and that's the cardiovascular system,
where we use a heart to pump blood out to our limbs and to our head.
And then, at the finer scale, we have capillaries or capillary beds,
which is where the transfer of oxygen or other nutrients can take place.
Once we distribute energy
and get it to each cell that needs it to keep producing energy and living,
the main way we make energy - at least in animals -
is through mitochondria, and each mitochondria
is like a little engine that takes oxygen and makes energy.
And, it's actually a really old bacteria that we've brought in to -
not "we" humans - but a long time ago
cells brought in to make energy for them.
So, it's a really ancient way of making energy.
And, that begs the question of: if it's really ancient,
is it really good at it - is it very efficient?
And, I would think it would be because, if it's used that broadly,
you would think it must be pretty good or you would reinvent the wheel somehow.
But, what's interesting is if you compare...
to something like solar panels,
and compare like the grass and the trees in the background here
to the solar panels in the foreground,
the grass and the trees use photosynthesis to make energy,
which is about three percent effective, but the solar panels can get up to
about 30 percent efficiency, so about 10 times better,
which was kind of shocking to me when I first learned about it -
that they can do so much better.
And, maybe this does suggest
that biology can still evolve and do better.
But, the catch here really is that solar panels use a lot of elements
that aren't easily accessible to biological organisms -
they take money to to either mine or to construct them the right way.
When we think about sort of being efficient or evolving,
it's always within constraints.
So, I'd argue that biology is applied really well in the constraints it has,
but we're able to get at things biology has not been able to get to.
And, looking at this efficiency question from a different perspective,
if you think back again to the networks,
either for trees or the cardiovascular system within our bodies,
there's a million ways you could build such a network.
We want those networks to span space
to be able to get blood or water everywhere it needs to go,
and we want them to do so in an efficient way
so we don't spend a huge amount of energy
just pumping blood around and losing energy pushing fluid around.
And, if you think about all the ways in which networks could be built,
you can look at... drive theory and look at data
to see what's the most optimal.
And, it turns out that biology has done a really good job
of optimizing networks to be efficient
And, one consequence of that,
actually, as you look at metabolic rates on the y-axis here
versus mass on the x-axis, you see a very clean systematic pattern
where, the bigger something is, the more energy it uses -
which isn't surprising.
But, the surprising piece here is that it's nonlinear.
So, you think about an elephant that's 10,000 times bigger than a mouse,
it only uses about a thousand times more energy,
which means - per cell - a cell from an elephant
uses about ten times less energy than a cell from a mouse.
So, you're gaining efficiency by getting bigger
in this way of looking at it.
And, just to make sure for people paying close attention to the axes here,
they're logarithmic axes - so a curved line becomes a straight line,
and, what would be the exponent of a mathematical equation
becomes the slope.
And, this pattern is true, not just for across these large...
huge range of sizes in mammals or animals in general,
but also for plants -
xylem flux is a similar sort of measure of metabolic rate in plants.
We plot that versus body size again.
And again, you see a very clear straight line
across a huge range in size for plants, and, again,
an exponent or a slope that's close to 3/4.
So, the same sort of pattern shows up again.
And, another big effector, besides body size - after body size,
the biggest effector of energy use across individuals is temperature.
So, if you look in this figure, basically the warmer something is -
if we think about a frog or a turtle or a plant -
the warmer it is, the faster it uses energy,
and that increases at exponential rates that are faster and faster and faster
up to the point where you get extreme temperatures
and things start to fall apart and things just start to die.
But, up until that point or close to it,
the warmer you are the faster you use that energy.
And because, as we started seeing at the start of this talk,
that we use energy for everything we do,
understanding how mass and temperature affect metabolic rate
or the power we produce
tells us a lot about all kinds of other things in biology.
So, for example, if we look at heart rates across mammals,
another way to think about this in terms of mouse versus elephant
is that an elephant's heart beats about ten times slower than a mouse.
So, every time an elephant's heart beats once,
the mouse will have beat ten times really quickly.
Or, if you look at ecology
when we correct for temperature and like versus size
and we think about how much each individual produces in a system,
that actually follows a very tight, clean pattern here as well
and it's true across a huge, diverse variety of taxa
that includes plants, mammals, insects, fish -
almost everything you can think of.
And finally, as another ecological example -
this affects how many individuals we see or density, sorry -
so how many individuals per area that we see
where, the bigger you are or the warmer you are,
the more energy you need the fewer individuals you get around
in a very systematic.
And, you see this systematic pattern for animals,
which are the red dots
and plants, which are the green dots.
And, one of the interesting things here
is that animals are much lower than the plants
and that's because it has conversion efficiency,
where plants have to convert sunlight into energy,
and, basically, all animals either directly or indirectly
get their energy from plants.
So, they get about ten percent of the energy from plants
that they can use to produce their numbers.
So they're lower down
because they lose a lot of efficiency in going from plants to animals.
Those are the main messages I wanted to get across today,
and I want to end by giving references.
And, there's a lot of different ways these topics could go:
there's so much to read in all of these.
So, I try to give really big, all-encompassing references that,
if you're interested in a topic, you can get in and go from there
and search that lots more and find as much as you want.
اليوم
Heute möchte ich über Energie in der Biologie sprechen.
Mit "in der Biologie" meine ich die Gesamtheit der Biologie,
von der Evolution bis zur Ökologie, zur Physiologie und der Zellbiologie.
Und der Grund, warum dieses Thema aus so vielen Blickwinkeln der Biologie betrachtet werden kann ist,
dass wir Energie nutzen, für alles was wir tun
und dass wir einen großen Teil unserer Zeit und unserer Fähigkeiten dafür einsetzen
Energie zu bekommen und zu erzeugen.
Aus diesem Grund gibt es unendlich viele Wege
über Energie zu sprechen
unendlich viele Möglichkeiten, Ihnen Energie zu beschreiben.
Was für mich den Reiz des Themas ausmacht und worin für mich die Kunst der Wissenschaft liegt,
ist die Entscheidung über die Einteilung des Themas.
Um diese Einheiten zu finden, muss man oft eine Frage herausarbeiten
oder über ein Ziel nachdenken, das erreicht werden soll.
Für dieses Video habe ich mich für diese beiden Fragestellungen entschieden:
Eine hängt mit der Evolution zusammen, welche Rolle Energie da spielt
und inwiefern Energie dafür benötigt wird.
Die andere gehört eher in die Physiologie und Ökologie:
Wie bekommen wir Energie,
und wie erzeugen wir sie?
Aus evolutionärer Sicht
ist das Hauptthema Fitness,
also, wieviele Nachkommen
wir bis in die nächste Generation bekommen.
Um das zu erreichen müssen wir zunächst selber wachsen und uns erhalten, damit wir uns fortpflanzen können.
Daher ist eines der Hauptthemen der Evolution Entwicklung und Wachstum.
Auf dieser Folie ist eine wachsende Pflanze zu sehen,
von einem frühen Stadium bis zu späteren.
Um das zu erreichen muss sie viele Zellen erzeugen,
neue Zelltypen und neue Strukturen.
Das verbraucht sehr viel Energie, es ist ein sehr energieintensiver Prozess.
Das gilt auch für Tiere und deren Wachstum.
Dieses Bild zeigt zwei Vögel,
die nach ihren Eltern rufen, damit sie sie füttern.
Denn sie brauchen sehr viel mehr Futter um zu wachsen
und die Energie zu haben, so groß zu werden, dass sie sich selber fortpflanzen können.
Das nächste Thema über das ich mit Bezug zur Energie sprechen möchte, ist die Erhaltung.
Das ist ein weniger offensichtliches Thema,
denn man sieht nicht, dass Zellen oder Strukturen sich verändern oder fortpflanzen.
Es sieht mehr oder weniger aus, als ob alles gleich bleibt.
In Wirklichkeit ist sehr viel Energie nötig um Zellen zu ersetzen wenn sie sterben
oder um ihnen so viel Energie zuzuführen, dass sie am Leben bleiben.
Ein extremes Beispiel sind diese Mammutbäume.
Es sind gewaltige Mengen an Energie nötig, schon allein um das Wasser bzw. den Saft bis zu den Blättern im Wipfel zu pumpen
denn dabei muss ein riesiger Höhenunterschied überwunden werden.
Es müssen die Strukturen aufgebaut werden um sie zu erhalten, und um diesen Fluss zu gewährleisten.
Und es sind gewaltige Energiemengen nötig
für den Transportvorgang selbst.
In ähnlicher Weise brauchen auch wir Energie für alle Strukturen unseres Körpers.
Auch da gibt es Extrembeispiele:
Ein Pfau
bildet gewaltige Schwanzfedern für sein Rad
deren Wachstum und Erhaltung jede Menge Energie erfordert.
Der Pfau nutzt diese Federn um ein Weibchen anzulocken
sie dienen also letztendlich der Fortpflanzung.
die für die Evolution wichtig ist.
Hier möchte ich noch kurz etwas einschieben, bevor wir zum Thema Fortpflanzung kommen,
etwas zum Thema Erhaltung, das ich sehr interessant finde.
Ein Mensch braucht für den biologischen Unterhalt seines Körpers
etwas so viel Energie pro Zeit wie eine Glühbirne.
Aber wenn man einbezieht
wieviel Energie wir für Autos, Computer, Beheizung unserer Häuser, und eben auch Glühbirnen verbrauchen.
Dann braucht jeder US-Bürger heute
ungefähr so viel Energie wie ein Blauwal.
Wir sind also gewaltige Energieverbraucher im Sinne unseres biologischen Fußabdrucks.
Das letzte Thema hier zur Energie soll die Fortpflanzung sein.
Also, das, worum es bei der Evolution letztendlich meistens geht.
Und das, woraus so etwas entsteht wie
Orangen an einem Baum, die uns dazu verführen, sie zu essen
weil sie so schön und schmackhaft sind.
Und dann gehen wir weiter und verteilen die Samen
was dazu beiträgt, dass Orangenbäume woanders wachsen können und zahlreicher werden.
Oder auch ein Embryo, der im Innern seiner Mutter wächst
und dabei sehr viel Energie und Zeit braucht
damit die Fortpflanzung gelingt.
Wachstum, Erhaltung und Fortpflanzung
sind also die Hauptthemen über Evolution nachzudenken
und darüber, wo Energie benötigt wird.
Jetzt möchte ich den Standpunkt ändern und mich
der Physiologie und Ökologie zuwenden, und wo da Energie benötigt wird.
Das hat eine Menge damit zu tun
wie man Energie bekommt und erzeugt.
Evolution spielt da immer noch eine große Rolle, denn diese Dinge sind nötig um zu überleben
aber aus diesem Blickwinkel steht sie nicht mehr so im Vordergrund.
Es geht also darum, Energie zu bekommen.
Dies ist ein dramatisches Bild einer Eule, die eine Maus erjagt um sie zu fressen.
Das ist ein Beispiel für mögliche Futterquellen
durch das, was wir "Jagen"[?] nennen.
Aber es gibt auch andere Möglichkeiten
wie "Grasen", so wie eine Kuh auf einer Weide
oder "Lauern", der Methode von Schlangen oder Spinnen, die darauf warten, dass die Beute in ihre Nähe kommt.
Pflanzen verhalten sich auch ein bisschen so
um Energie zu bekommen.
Gewissermaßen lauern sie auch darauf, dass etwas zu ihnen kommt
und bilden dafür Strukturen aus.
Wir sehen bei diesem Baum hier eine sehr ausgeprägte Verzweigung.
Wenn die Äste voller Blätter sind
kann so möglichst viel Licht aus der Umgebung aufgefangen werden.
Damit kann das Licht in dem beschränkten Raum der Baumkrone optimal ausgenutzt werden.
Diese Verzweigung spiegelt sich auch unter der Oberfläche
im Wurzelsystem, durch das Wasser und Nährstoffe aus dem Boden aufgenommen werden.
Auch das muss möglichst fein verzweigt sein
um möglichst viele Nährstoffe zu erreichen.
Wenn die Rohstoffe gewonnen sind,
müssen sie verarbeitet werden um Energie zu erzeugen.
Bei Tieren ist der erste Schritt dazu die Verdauung.
Wie Sie wissen,
durchläuft das Futter dazu den Magen usw.
Worauf ich hier aber hinaus will,
sind die mikrobiellen Systeme in unserem Darm.
Es wird heute oft als "Mikrobiom" bezeichnet
und wir brauchen es um Energie zu verarbeiten.
Es ist eine eigene kleine Welt, ein Ökosystem in unserem Körper.
Und die Art, wie es Energie verarbeitet und welche Energie es verbraucht,
hat große Auswirkungen darauf, welche Bakterien, auch welche Diversität an Bakterien, dort zu finden sind.
Und wenn das nicht funktioniert, kann das Ihre Verdauung sehr stark beeinflussen.
Der erste Schritt ist also die Umwandlung der Energie,
von der Form, in der wir sie aufgenommen haben, in eine besser nutzbare.
Dann muss sie aber noch in den Rest des Körpers transportiert werden, damit sie dort verwendet werden kann,
von den Finger- bis zu den Zehenspitzen und in den Kopf.
Das geschieht durch ein verzweigtes System in unserem Körper.
Es sieht der Verzweigung der Äste oder Wurzeln eines Baumes ähnlich.
Die Rede ist vom Herz-Kreislauf-System:
Wir haben ein Herz um Blut in unsere Gliedmaßen und in den Kopf zu pumpen.
Und das verzweigt sich in feine Kapillaren,
wo der Austausch von Sauerstoff und anderen Nährstoffen stattfindet.
Damit bekommt jede Zelle die Energie,
die sie braucht um zu leben und Energie zu erzeugen.
Die Energieerzeugung in den Zellen geschieht hauptsächlich, zumindest bei Tieren, durch die Mitochondrien.
Jedes Mitochondrium ist wie eine kleine Maschine,
die Sauerstoff in Energie umwandelt.
Es sind in Wirklichkeit sehr alte Bakterien, die wir,
also nicht wir als Menschen, sondern unsere Vorfahren vor sehr langer Zeit,
in unsere Zellen aufgenommen haben, um für diese Energie zu erzeugen.
Es ist also eine sehr alte Methode um Energie zu erzeugen.
Und weil sie so alt ist, stellt sich die Frage:
funktioniert das überhaupt gut, ist es sonderlich effizient?
Ich würde davon ausgehen. Denn es ist so verbreitet,
dass es gut sein muss, sonst wäre irgendwann etwas besseres erfunden worden.
Aber es ist sehr interessant, was herauskommt,
wenn man es mit so etwas wie Solarzellen vergleicht.
Wenn man also das Gras und die Bäume im Hintergrund
mit den Solarzellen im Vordergrund vergleicht.
Beide wandeln Sonnenlicht in Energie um.
Bäume und Gras verwenden Photosynthese, die einen Wirkungsgrad von etwa 3% hat.
Solarzellen schaffen bis zu 30%, sind also 10 mal besser.
Das hat mich ziemlich erschüttert, als ich das zum ersten mal erfahren habe:
Solarzellen können das so viel besser!
Das bedeutet vielleicht,
dass sich biologische Systeme noch weiter entwickeln und verbessern können.
Aber der Haken ist, dass Solarzellen eine Menge an Elementen brauchen
die für biologische Organismen nicht einfach erreichbar sind.
Es kostet Geld, sie entweder durch Bergbau zu erschließen oder sie in geeigneter Form zu synthetisieren.
Evolution und Effizienz müssen immer
zusammen mit den Rahmenbedingungen gesehen werden.
Ich würde behaupten, dass die Biologie, unter den gegebenen Rahmenbedingungen, sehr gut funktioniert.
Aber wir können Dinge erreichen, die für die Biologie unerreichbar waren.
Sehen wir also die Frage der Effizienz noch einmal aus einem anderen Blickwinkel an.
Betrachten wir nochmal die Netzwerke,
die Verästelungen von Bäumen oder der Adern in unserem Körper,
so gäbe es Millionen von Möglichkeiten so ein Netzwerk aufzubauen.
Das Netzwerk soll einen Raum abdecken
um Blut oder Wasser überall hin zu transportieren, wo es benötigt wird.
Es soll möglichst effizient sein,
so dass keine großen Energiemengen nötig sind um das Blut zupumpen.
Es soll kein großer Energieverlust entstehen durch den Transport von Flüssigkeiten.
Man kann alle Möglichkeiten für die Struktur eines Netzwerks betrachten,
und Triebtheorie[?] zu Rate ziehen
um das Optimum zu finden,
Dann zeigt sich, dass die Biologie sehr erfolgreich darin war
diese Netzwerke für Effizienz zu optimieren.
Eine Folge davon zeigt dieser Plot:
der Umsatz (y-Achse) von Tieren unterschiedlicher Masse (x-Achse)
zeigt einen klaren, systematischen Zusammenhang:
je mehr Masse ein Tier hat, desto mehr Energie braucht es.
Das ist nicht überraschend.
Folgendes aber schon: der Zusammenhang ist nicht linear.
Ein Elefant hat die Masse von ca. 10 000 Mäusen,
braucht aber nur etwa so viel Energie wie 1000 Mäuse.
Die Zellen eines Elefanten brauchen also jeweils
nur etwas ein Zehntel der Energie, die eine Mäusezelle braucht.
So gesehen ermöglich der Größenzuwachs
also eine Steigerung der Effizienz.
Dabei möchte ich nochmal darauf hinweisen, dass die Skalen logarithmisch sind:
eine Kurve wird also als Gerade dargestellt
und was der Exponent einer mathematischen Gleichung wäre
entspricht hier der Steigung (hier 0.737.
Dieses Muster trifft nicht nur zu für diese riesige Spanne an Größen
bei Säugetieren, oder Tieren allgemein,
sondern auch bei Pflanzen.
Der Fluss im Xylem[?] ist ein Maß für Pflanzen, das etwa dem Umsatz entspricht.
Hier ist ein Plot dieses Maßes, wieder im Verhältnis zur Größe.
Und wieder kann man eine sehr deutliche, gerade Linie erkennen.
Das gilt über eine riesige Bandbreite an Größen für die Pflanzen.
Und wieder ist der Exponent, der hier als Steigung zu sehen ist, nah an 3/4 (0.736).
Es taucht also wieder das gleiche Muster auf.
Der nächste wichtige Einflussfaktor, auf den Energieverbrauch,
auf nach der Körpergröße, ist die Temperatur.
Dieser Plot zeigt im wesentlichen:
je wärmer etwas ist - denken Sie an einen Frosch, eine Schildkröte, oder eine Pflanze -
desto schneller verbraucht es Energie.
Und dieser Wert steigt exponentiell, schneller und schneller.
Bis zu diesem Punkt mit extremen Temperaturen,
ab da beginnt es auseinandere zu fallen, die Lebewesen beginnen zu sterben.
Aber bis zu diesem Punkt, oder bis kurz davor gilt:
je wärmer etwas ist, desto schneller verbraucht es eine Energiemenge.
Wie wir zu Beginn dieses Videos gesehen haben,
brauchen wir für alles was wir tun Energie.
Daher ist das Verständnis davon, wie Masse und Temperatur unseren Energieumsatz beeinflussen,
oder die Energie, die wir produzieren,
ganz wesentlich um viele ander Dinge in der Biologie zu verstehen.
Wenn wir uns z.B. die Herzfrequenz verschiedener Säugetiere ansehen,
also wieder einem anderen Aspekt um Mäuse und Elefanten zu vergleichen,
zeigt sich, dass das Herz eines Elefanten etwa zehn mal langsamer schlägt als das einer Maus.
Jedes mal, wenn das Herz eines Elefanten einmal schlägt,
schlägt das Herz der Maus zehn mal sehr schnell.
Wenn wir uns die Ökologie ansehen,
und den Einfluss von Temperatur und ähnlichem herausrechnen,
dann ist die Produktion jedes Individuums in einem System ganz klar gekoppelt an seine Masse.
Es ergibt sich ein sehr enger, klarer Zusammenhang,
der für eine riesige Auswahl an Taxa (Arten) gilt,
u.a. für Pflanzen, Insekten, Fische, Säugetiere...
fast alles, was einem in den Sinn kommt.
Und zum Schluss noch ein Beispiel aus der Ökologie:
es geht um die Anzahl von Individuen,
genau genommen der Anzahl pro Fläche, also der Dichte.
Je größer, je wärmer ein Lebewesen ist, je mehr Energie es braucht,
desto weniger Individuen findet man auf der gleichen Fläche,
auch dies ist ein sehr klarer Zusammenhang.
Man sieht hier das systematische Muster für Säugetiere,
dargestellt durch die roten Punkte (um die untere Linie)
und für Pflanzen, den grünen Punkten (um die obere Linie).
Man sieht hier einen Interessanten Effekt,
die Dichte von Tieren ist jeweils viel kleiner als die gleich großer Pflanzen.
Das liegt an der Effizienz der Umwandlung:
Pflanzen wandeln Sonnenlicht in Energie um
Tiere dagegen, beziehen ihre Energie im Wesentlichen,
direkt oder indirekt, aus Pflanzen.
Letztendlich können sie etwa ein Zehntel der Energie von Pflanzen nutzen
um die jeweilige Anzahl von Individuen zu erzeugen.
Sie sind also seltener,
denn auf dem Weg von der Pflanze zum Tier geht eine Menge Effizienz verloren.
Das waren also die wesentlichen Botschaften, die ich heute rüberbringen wollte.
Ich möchte zum Abschluss noch einige Verweise geben.
Es gibt sehr viele Möglichkeiten, diese Themen zu betrachten
und zu jeder könnte man jede Menge lesen.
Ich versuche hier, die wirklich großen, umfassenden Referenzen anzugeben,
die sich als Einstiegspunkt für jeden eignen, der an dem Thema interessiert ist
und von wo aus Sie noch viel mehr finden können, wenn es Sie interessiert.
Hoy voy hablarles sobre la energía en la biología.
Por "en biología" me refiero a toda la biología,
desde la evolución, la ecología, la fisiología hasta la biología celular.
Y la razón por la que quiero hablarles de un sector tan amplio de la biología
se debe a que usamos energía para cualquier cosa que hacemos
y porque dedicamos mucho tiempo y tenemos muchas funciones,
únicamente, para generar y obtener la energía.
Por estas razones, hay formas infinitas
a través de las cuales pudiéramos hablar sobre energía
y describírselas de incontables maneras,
pero una de las más divertidas para mí
y una de las artes de la ciencia, para mí, es determinar cómo esbozar las cajas
que vamos a usar.
Y para hacer eso, casi siempre hay que formular una pregunta
o concebir un objetivo que cumplir.
Las dos cosas de las cuales voy hablar en esta charla son: una relacionada
con la evolución, ¿cómo pensar en la energía en términos evolutivos
y que se necesita para la evolución?
Y la otra está más relacionada con la fisiología y la ecología
y que, de hecho, se refiere a cómo obtener y cómo generar la energía.
Desde la perspectiva evolutiva, lo que más nos interesa
es la "aptitud" que es la cantidad de descendencia o individuos
que podemos dejar en la próxima generación.
Para que esto suceda, primero, tenemos que crecer
y mantenernos para reproducirnos
así que unas de las cajas principales para la evolución
son el desarrollo y el crecimiento.
En esta diapositiva muestro a una planta que crece desde
el primer estadio hasta el último y, para ello, tiene que generar
muchas más células, tiene que formar nuevos tipos de células
y nuevos tipos de estructuras, lo cual consume muchísima energía
y es un proceso que demanda muchísima energía.
Lo mismo pasa con los animales y su crecimiento.
Esta es una foto de dos pájaros llamando a sus padres
para que los alimenten; ellos necesitan muchísimo alimento
para crecer y madurar para reproducirse.
La siguiente caja sobre energía a la cual me referiré
es el mantenimiento, el cual es un tipo menos obvio y menos visible
porque no se ve cuando las células cambian o cuando las estructuras cambian
o cuando se están multiplicando. Solo se ve que las cosas siguen estando
allí de la misma forma, pero se consume mucha energía
al reemplazar células que mueren o proveer a las células con energía
para mantenerse vivas.
Como ejemplo extremo tenemos que, si se examinan estas secoyas,
ellas necesitan una enorme cantidad de energía para bombear agua,
constantemente, hacia las hojas que están en lo más alto
y que esta tiene que recorrer una gran distancia.
Estos árboles deben formar estructuras para que el agua llegue de forma sostenida
hasta las hojas de arriba, de manera que usan mucha energía
para bombearla de forma constante hacia lo más alto de los árboles.
Lo mismo pasa para mantener todas las estructuras del cuerpo
y aquí también hay otros ejemplos extremos.
Si pensamos en un pavo real que genera toda una exhibición de plumas,
necesitará mucha energía para producirlas y mantenerlas
porque las va a utilizar para atraer a la pareja,
las cuales necesita para reproducirse porque es importante para la evolución.
Como un breve aparte, antes de llegar a la reproducción desde el mantenimiento;
para mí, una de las cosas acerca de nosotros como humanos
es que, biológicamente, y de forma individual,
consumimos aproximadamente la misma cantidad de energía por tiempo
que la que consume una bombilla. Pero si añadimos otras cosas:
la cantidad de energía que usamos para los carros
o las computadoras o la bombilla o calentar nuestros hogares,
en Estados Unidos, cada individuo consume, más o menos, la misma cantidad de energía
que consume una ballena Azul. De manera que somos grandes consumidores
de energía desde el punto de vista de nuestra huella biológica.
La última caja evolutiva de la energía
sobre la cual les hablaré es la reproducción
que es donde la evolución apunta la mayoría de las veces.
Y que puede ser algo así como las naranjas de un árbol
que nos provoca comerlas porque son tan bellas y tan sabrosas
y saben bien y al deambular por ahí,
dispersamos las semillas y ayudamos a que estos árboles crezcan
en otros lugares y a que aumenten en número.
También, un embrión que crece dentro de su madre
que consume una enorme cantidad de energía en el tiempo
para producir lo necesario para la reproducción.
De manera que el crecimiento, el mantenimiento y la reproducción,
a los cuales me refiero como cajas para la evolución
es donde se necesita energía.
Ahora voy a cambiar de herramientas y voy hablar sobre lo que se necesita
para la fisiología y la ecología, las cuales tienen que ver más
con cómo obtener y cómo generar la energía
y donde la evolución todavía juega un papel importante;
porque se necesitan esas cosas para sobrevivir,
pero no es tan explícita si se hace de esta forma.
Desde el punto de vista de la obtención de la energía,
tenemos a esta impresionante foto de un búho persiguiendo a un ratón
para alimentarse y es un ejemplo de obtención de recursos alimenticios
a través de lo que llamamos la captura activa.
También está el pastoreo de las vacas o la emboscada
que usan las serpientes y las arañas al esperar que las presas se acerquen.
Las plantas también hacen algo similar,
desde el punto de vista de la obtención de la energía,
tienden emboscadas, construyen estructuras y esperan a que la presa se acerque.
Como vemos aquí, este árbol tiene un vasto sistema de ramificación
y al tener todas las hojas, y estar presentes en todas las ramas,
las usa para captar la luz del ambiente. Capta la mayor cantidad de luz posible
con esta pequeña área de su copa.
Ese tipo de sistema de ramificación se refleja dentro del suelo
como sistema radical que es para obtener el agua, los nutrientes
del suelo y se extiende para tomar la mayor cantidad posible de recursos.
Una vez que se obtienen los recursos,
estos deben procesarse para obtener energía
y, en los animales, el primer paso para obtenerla
es el sistema digestivo,
lo cual incluye pasar por al estómago y cosas así,
pero la parte que quiero destacar es que, en nuestros intestinos,
existen esos sistemas microbianos
que ahora muchos los llaman el microbioma o el microbioma intestinal
y que están para procesar energía. Es nuestro propio micromundo,
un ecosistema dentro de nuestro cuerpo.
Fundamentalmente, de acuerdo a cómo procesan la energía
y de acuerdo a las necesidades de energía, se verá afectado
el tipo de bacterias y la diversidad de bacterias presentes.
y cuando este no funciona, nuestro sistema digestivo se ve afectado.
Después de procesar la energía y obtenerla de una forma más utilizable
para ser asimilada, todavía hay que llevarla al resto de nuestros cuerpos:
a la punta de los dedos, a la de los de los pies o a nuestra cabeza
a través de un sistema de ramificación interno, muy parecido
al sistema de ramificación externo de los árboles y el sistema radical
dentro del suelo; que es el sistema cardiovascular
con el corazón que bombea sangre hacia nuestras extremidades,
hacia nuestra cabeza. Y existe una escala más fina,
los capilares, o un lecho capilar,
que es donde ocurre la transferencia de oxígeno y nutrientes.
Una vez distribuida la energía a cada célula
que necesita seguir produciendo energía y vivir,
la principal forma de generación de energía,
por lo menos en animales, es a través de la mitocondria.
Cada mitocondria es como un motor que toma el oxígeno y genera energía.
La mitocondria es en realidad una bacteria primitiva
que tenemos los humanos. Desde hace mucho tiempo,
fue incorporada a la célula para generar energía;
de modo que es una forma muy primitiva de generar energía
y de aquí surge la pregunta de si es realmente primitiva
porque en realidad es muy competente y muy eficiente.
Yo diría que sí porque si su uso es generalizado,
se diría que debe ser muy bueno o, de alguna manera,
se reinventaría la rueda.
Pero lo que es interesante es que si se compara
con algo como los paneles solares
y comparan las gramíneas y los árboles que están en el fondo
con los paneles solares que están en primer plano,
las gramíneas y los árboles hacen la fotosíntesis para generar energía,
la cual tiene una eficacia de un 3 % y los paneles solares alrededor de un 30 %
de eficacia, 10 veces mejor y me causó una especie de impacto
la primera vez que supe que podían desempeñarse mucho mejor.
Tal vez, esto sugiere que la naturaleza puede evolucionar y desempeñarse mejor.
Pero lo que tenemos que entender aquí es que los paneles solares
utilizan muchos elementos que no son de fácil acceso
para los organismos biológicos. Se usa el dinero para buscar información
o para construirlo de la forma correcta.
De manera que, cuando hablamos de ser eficiente
o de evolución, siempre es bajo condiciones restrictivas.
Yo argüiría que la naturaleza se maneja muy bien bajo restricciones,
nosotros tenemos al alcance cosas que ella no ha podido obtener.
Al examinar esta pregunta sobre eficiencia desde una perspectiva distinta,
y recordemos, otra vez, a las redes tanto para árboles
como para el sistema cardiovascular dentro de nuestros cuerpos,
vemos que hay múltiples formas de crear estas redes.
Estas redes tienen que abarcar espacio para llevar la sangre o el agua
a cualquier lugar donde se necesite, pero es necesario
que lo haga eficientemente porque si no, gastaremos muchísima energía
solo para bombear sangre por ahí, perdiendo energía llevando fluido por ahí.
Si piensan en todas las formas en las que se pudiera erigir una red,
podemos revisar las teorías y los datos para ver cuál es la más óptima
y resulta que la naturaleza ha hecho un excelente trabajo, optimizando
las redes para que sean eficientes.
Una consecuencia de esto
es que, si se observan las tasas metabólicas
aquí en el eje Y, versus la masa en el eje X,
se observa un claro patrón sistemático
donde a mayor tamaño, mayor es la energía que se usa,
lo cual no es sorprendente.
Lo que sí es sorprendente aquí es que no es lineal.
Pensemos en un elefante, que es 10.000 veces más grande
que un ratón, que solo consume alrededor de mil veces más energía, lo que significa
que un elefante usa 10 veces menos energía por célula
que la célula de un ratón.
Viéndolo así, se gana eficiencia si se es más grande.
Para estar seguros de que están poniendo atención
a los ejes, aquí están en escala logarítmica,
de modo que una línea curva se convierte en una recta
y sería el exponente de una ecuación matemática
el que pasaría a ser la pendiente.
Este patrón no solo se cumple para esta enorme cantidad de tamaños
de mamíferos y animales en general,
sino que también se cumple para las plantas.
El flujo del xilema es una medida de la tasa metabólica en las plantas.
Al graficar este flujo versus el tamaño de la planta;
otra vez, se ve una línea recta a través de una enorme gama
de tamaños de plantas y, otra vez, un exponente
o una pendiente cercana a 3/4; o sea, que aparece el mismo patrón otra vez.
Además del tamaño, hay otro gran efector, la temperatura,
que, después del tamaño del cuerpo, es el otro gran efector
del uso de la energía a través de los individuos.
Si observamos estas cantidades, vemos que, a mayor temperatura,
pensemos en una rana o una tortuga o una planta,
a mayor temperatura, más rápido es el consume energía,
lo cual aumenta a tasas exponenciales cada vez más rápidas hasta un punto
donde las temperaturas son tan extremas que todo comienza a descomponerse
y todo empieza a morirse. Pero hasta ese punto o próximo a él,
a mayor temperatura, la energía se consume con mayor rapidez.
Y como vimos al principio de esta charla,
todos consumimos energía para todo lo que hacemos.
El conocimiento de cómo la masa y la temperatura afectan
la tasa metabólica, o la potencia que producimos, nos explica todo tipo
de cosas distintas en biología. Por ejemplo, si observamos
el ritmo cardíaco de los mamíferos,
y analizarlo en términos de elefante versus ratón,
vemos que el ritmo cardiaco de un elefante es 10 veces más lento que el de un ratón.
De modo que, cada vez que el corazón de un elefante tiene una pulsación,
el de un ratón tendrá 10 veces más pulsaciones.
Si examinamos en términos ecológicos
la corrección de la temperatura versus el tamaño
e, incluso, lo que produce cada individuo en el sistema,
observaremos que hay un claro patrón bien ajustado,
el cual se cumple para una inmensa variedad de taxones
que incluye: plantas, mamíferos, insectos, peces
y cualquiera cosa que podamos imaginar.
Finalmente, tenemos un ejemplo ecológico, el cual afecta la cantidad de individuos
o la densidad; es decir, la cantidad de individuos que hay en un área
donde a mayor tamaño o a mayor temperatura,
mayor será la energía que necesiten y menor será la cantidad de individuos
que habrá de forma sistemática y este patrón regular se observa
en animales, que son los puntos rojos, y en las plantas, que son los verdes.
Lo interesante es que en los animales es más baja que en las plantas
y eso se debe a la eficiencia de la transformación de la energía,
donde las plantas tienen que transformar la luz solar en energía
y, básicamente, todos los animales obtienen la energía,
directa o indirectamente, de las plantas; por lo tanto, ellos obtienen el 10 %
de la energía de las plantas que usan para crecer en número.
Por ello, su cantidad es menor, pues la eficiencia baja muchísimo
cuando la energía va de planta a animales. Estos fueron los principales temas
que quería clarificar hoy; y quiero terminar dándoles
estas referencias.
Hay múltiples formas de tratar estos temas.
Hay mucho que leer, así que traté de darles las referencias
que engloban mejor estos temas; de manera que si están interesados
en alguno, pueden partir de aquí para investigar mucho más
y encontrar lo que quieran.
Hoje eu falarei para vocês sobre energia em biologia.
"Em biologia" Eu quero dizer toda a biologia,
Da evolução à ecologia, da fisiologia à biologia celular.
E, a razão pela qual eu posso falar sobre isso de uma ampla faixa de biologia
É porque usamos energia para tudo o que fazemos
E porque nós usamos muito nosso tempo e habilidades
Só tentando obter e fazer energia.
Por essas razões, há muitos caminhos
Dos quais eu posso falar sobre energia
E infinitos caminhos que eu poderia lhes descrever,
Mas uma das coisas mais divertidas e uma das artes da ciência para mim
É decidindo como desenhar as caixas que nós usaremos.
E, para fazer isso, você tem de fazer uma pergunta
Ou pensar sobre algum objetivo que está tentando alcançar.
E duas coisas que eu falarei sobre Nessa conversa:
Uma é a relação com a evolução - Como nós pensamos sobre energia
Em termos de evolução e o que é necessário para que ela ocorra.
E, a outra é mais sobre a relação da fisiologia e ecologia,
A qual tem haver com como nós obtemos energia
E como fazemos energia.
Então, de uma perspectiva evolucionaria,
A principal coisa que nos preocupa é fitness,
Que é quantos descendentes ou indivíduos
Nós damos para a próxima geração.
Para fazer isso, primeiro temos de crescer e nos manter reproduzindo.
Então, uma das caixas principais para a evolução é o desenvolver e crescer.
Então, nesse slide eu mostro uma planta crescendo.
dos estágios iniciais para mais tarde,
E, o fazendo, tem que criar mais células,
Tem que criar novos tipos de células e novos tipos de estruturas -
E isso toma muita energia e é um processo intensivo em energia.
E, isso também é verdade para animais e seu crescimento.
Aqui tem uma foto desses dois pássaros
Chorando aos seus pais por comida - para trazer-lhes comida -
Porque precisam de muita comida para crescer e ter energia
Para crescerem o bastante para reproduzir.
A próxima caixa eu irei falar sobre energia ser manutenção,
E isso é uma espécie de menos visível
Porque você não está vendo células mudando ou estruturas mudando ou reproduzindo -
Você tipo vê as coisas mantendo-se do mesmo modo e são visíveis,
Mas isso toma muita energia só para repor as célula que morrem
Ou para alimentar células só para manterem-se vivas.
Como exemplos extremos, se você olhar para essas sequóias,
Isso requer uma enorme quantidade de energia só para manter sua água ou seiva
Fluindo até das folhas até o topo - é uma grande distância que tem de viajar.
E, você terá de montar estruturas para mantê-los subindo até as folhas.
Então, você usa muita energia só para
empurrar até o topo das árvores.
E, similarmente, usamos energia para todas as estruturas de nosso corpo.
Mas há exemplos extremos também.
Onde se você pensar em um pavão
Se ele constrói uma gama de penas,
Isso toma muita energia para montar e manter.
E, ele usará para atrair um companheiro,
Que é necessário para reprodução,
O qual é importante para a evolução.
Como um breve aparte, antes de entrar em reprodução,
Da manutenção, uma das coisas mais relevantes para mim
Sobre nós como humanos é que, individualmente, biologicamente,
Nós usamos a mesma quantidade de poder ou energia por tempo
Que você vê em uma lâmpada, uma vez que você adiciona as coisas -
Quanta energia usamos para carros ou computadores ou lâmpadas
Ou aquecendo nossas casas - na verdade, cada indivíduo dos EUA,
Usam a mesma quantidade de energia que uma baleia azul,
Então somos enormes usuários de energia em termos de nossa pegada biológica.
A última caixa evolucionaria que falarei sobre energia é reprodução,
A qual é onde a evolução busca na maior parte do tempo.
E, podem ser como laranjas na árvore
Que nos tentam a comê-las
porque são tão bonitas e cheias de sabor e tão saborosas,
Nós andamos e distribuímos as sementes
Para ajudar nossas laranjeiras a crescer em outro lugar e a aumentar seus números.
Ou também, um embrião crescendo dentro de uma mãe
Que toma uma muita de energia e tempo para produzir
Que é necessário para a reprodução.
Então, crescimento, manutenção e reprodução
São as caixas principais que te fazem pensar sobre evolução
Onde a energia é necessária.
Mas agora, eu mudarei as marchas e falarei um pouco mais
Sobre o que é necessário para fisiologia e ecologia,
Que tem muito haver com
Como você consegue energia e como você faz energia,
Que a evolução a tem um grande papel porque tu precisa disso para sobreviver,
Mas não é tão explicito se você fizer desse jeito.
Então, em termos de obtenção de energia,
Essa é uma foto dramática de uma coruja caçando um rato por comida,
E isso é um tipo de exemplo de obtenção de recursos ou comida
Pelo que chamamos "captura ativa".
Mas, outros caminhos incluem coisas como pastar - como uma vaca no pasto,
Ou "sentar e esperar",
Que seriam como cobras ou aranhas esperando pela presa vir até elas.
E também, plantas são um pouco assim
Em termos de obtenção de energia.
Elas são do tipo sentar e esperar, onde montam estruturas
E esperam pelas coisas virem até elas.
Então, como vemos aqui, há um sistema extensivo de ramificações para a árvore,
e quando as folhas estão todas pressentes nos membros,
São usadas para captar luz... do ambiente,
E pegar o máximo de luz nessa pequena área - dentro desse dossel.
E, esse tipo de ramificação é refletido no subsolo
Em termos de sistemas de raiz que usam para pegar nutrientes da água
Do chão também, onde tem de se ramificar
E pegar o máximo de recursos possível.
Quando os recursos forem obtidos,
Nós temos de processá-los para fazer energia,
E, o primeiro passo nesses animais é o sistema digestivo,
Que, você sabe, envolve...
Passar por nossos estômago e coisas assim.
Mas, a parte que eu quero destacar aqui
É que, em nossas tripas, há esses sistemas microbiais,
Que nós chamamos de "microbioma" ou de "microbioma de tripa",
Que nós temos para processar a energia.
Ele é seu próprio mundo - um ecossitema - dentro de nossos corpos.
E, basicamente, baseado em como processa a energia e como a usa,
Ele realmente afeta qual bactéria você vê e a diversidade de bactérias que você vê,
E quando está fora pode realmente afetar nosso sistema digestivo.
Após processarmos a energia
e obtermos uma forma mais utilizável do que colocamos em nossos corpos,
Nós temos de transportá-lo para o resto de nossos corpos -
Até as pontas dos dedos, as pontas dos pés ou para nossa cabeça usar,
e isso é feito por um sistema de ramificações em nossos corpos.
aprece muito com um sistema de ramificações de árvores lá fora
Ou em suas raízes no chão - e isso é o sistema cardiovascular,
Onde nós usamos o coração para bombear sangue para os nossos membros e cabeça.
E então, na escala mais fina, nós temos capilares ou camas capilares,
Onde há a transferência de oxigênio ou outros nutrientes podem ocorrer.
Quando nós distribuímos energia
E enviamos para cada célula que precisa para manter-se produzindo energia e viva.
A maneira principal que fazemos energia - pelo menos nos animais -
É pelas mitocôndrias, e cada mitocôndria
É um pequeno motor que pega o oxigênio e transforma em energia.
E é na verdade uma bactéria muito velha que nós trazemos -
Não "nós" humanos - mas há muito tempo atrás
As células traziam para fazer energia para elas.
Então, é um jeito bem antigo de fazer energia.
E, isso nos traz a questão: se é tão antigo,
É realmente bom nisso - É bem eficiente?
E, eu penso que seria porque, se é usado tão extensivamente,
Você pensaria que deve ser muito bom ou que reinventaria a roda de algum jeito.
Mas, o interessante é que se você comparar...
Com algo como painéis solares,
E comparar com a grama e as árvores ao fundo aqui
para os painéis solares em primeiro plano,
A grama e as árvores usam fotossíntese para fazer energia,
Que é apenas três porcento efetiva, mas os painéis solares podem chegar até
A trinta porcento de eficiência, entorno de 10 vezes melhor,
Que é um tanto chocante para mim quando eu aprendi sobre -
Que eles podem ser muito melhores.
E, talvez isso dê a sugestão
Que a biologia possa ainda evoluir e melhorar.
Mas, a pegadinha aqui é que os painéis solares usam muitos elementos
Que não são acessíveis aos organismos biológicos -
Eles tomam dinheiro para minar ou construir da maneira correta.
Quando pensamos nisso sobre ser eficiente ou evoluir,
É sempre dentro das restrições.
Então, eu diria que a biologia é muito bem aplicada em suas limitações,
Mas nós somos capazes de chegar às coisas que a biologia não foi capaz de chegar.
E, olhando esta questão sobre eficiência de uma perspectiva diferente,
Se você pensar de novo em redes,
Quer para árvores ou o sistema cardiovascular em nossos corpos,
Há um milhão de jeitos que você pode construir esta rede.
Nós queremos estas redes abrangendo o espaço
Sendo capazes de conseguir sangue ou água aonde precisa ir,
E nós precisamos fazer isso de forma eficiente
Então nós não gastamos uma grande quantidade de energia
Apenas bobeando sangue e perdendo energia empurrando os fluídos.
E, se você pensar em todo o caminho no qual as redes podem ser construídas,
Você pode olhar em...teoria da unidade e olhar os dados
Para ver o que é mais ideal.
E, acontece que a biologia fez um trabalho muito bom
Ao melhorar as redes para ser mais eficiente
E, uma consequência é que,
Na verdade, quando você vê os níveis metabólicos do eixo y aqui
Contra a massa do eixo x, você vê um padrão sistematicamente limpo
Onde, quanto maior algo é, mais energia usará -
O que não é surpreendente.
Mas, a parte surpreendente aqui é que não é não linear.
Então, você pensa em um elefante que é 10000 maior do que um rato,
E usa mil vezes mais energia,
Que significa - por célula - Uma célula de elefante
Usa dez vezes menos energia que uma célula de um rato.
Então, você está ganhado eficiência por tornar-se maior
Desta forma de olhar para isso.
E, para ter certeza que as pessoas prestem bastante atenção aos eixos aqui,
Eles são eixos logarítmicos - então uma linha curva torna-se reta,
E, o que seria o expoente de uma equação matemática
torna-se a inclinação.
E, esse padrão é verdadeiro, não apenas através desta grande...
Grande variedade de tamanhos de mamíferos ou animais em geral,
Mas também para plantas -
O fluxo de Xilem é um tipo de medição da taxa metabólica das plantas.
Nós traçamos isso contra o tamanho do corpo novamente.
E de novo, você vê claramente uma linha reta
Através de uma grande variedade de tamanhos de plantas, e, de novo,
Um expoente ou uma inclinação que é próxima de 3/4.
Então, o mesmo padrão aparece de novo.
E, outro grande efetor, além do tamanho do corpo - após o tamanho do corpo,
O maior efetor de uso de energia através dos indivíduos é a temperatura.
Então, se está olhando essa figura, basicamente quanto mais quente algo é -
Se pensarmos num sapo ou uma tartaruga ou uma planta -
Quanto mais quente for, mais rápido usará energia,
E isso aumenta em um nível exponencial que só acelera
Até o ponto onde você tem temperaturas extremas
E as coisas começam a ruir e a morrer.
Mas, até esse ponto ou próximo disso,
quanto mais quente você está, mais rápido você usará essa energia.
E porque, como vimos no começo no começo da conversa,
Que nós usamos energia para tudo que nós fazemos,
Entendendo como a massa e a temperatura afetam a taxa metabólica
Ou o poder que produzimos
Nos diz muito sobre todas as outras coisas em biologia.
Então, por exemplo. se olharmos nos batimentos cardíacos entre os mamíferos,
Uma outra forma de pensar nisso em termos de rato contra elefante
É que os batimentos cardíacos do elefante é dez vezes mais lento do que o do rato.
Então, toda vez que o coração de um elefante bate uma vez,
O rato bate o coração dez vezes bem rápido.
Ou, se você olhar para a ecologia
Quando nós corrigimos para temperatura contra tamnho
E pensamos sobre quanto cada indivíduo produz em um sistema,
Que na verdade segue um padrão muito apertado e limpo aqui também
E é verdade através de uma grande variedade diversa de táxons
Que incluem plantas, mamíferos, insetos, peixes -
Quase tudo o se possa pensar.
E finalmente, como outro exemplo ecológico -
Isso afeta quantos indivíduos nós vemos ou densidade, desculpe -
assim quantos indivíduos por a área nós vemos
Onde, quão grande você é ou mais quente você é,
Mais energia você precisa e terá menos indivíduos envolta de você
sendo bem sistemático.
E, você verá esse padrão sistemático para animais,
Que são os pontos vermelhos
E plantas, que são pontos verdes.
E, uma coisa interessante aqui
É que os animais são muito menores do que as plantas
E é porque tem a eficiência de conversão,
Onde as plantas tem de converter luz solar em energia,
E, basicamente, todos os animais direta ou indiretamente
Tomam sua energia das plantas.
Então, ele tomam em torno de dez porcento da energia das plantas
Que podem ser usadas para produzir seus números.
Então, eles estão mais abaixo
Porque eles perdem muita eficiência transitando de plantas para animais.
Essas são as mensagens principais que eu queria transmitir hoje,
E eu queria dando essas referências.
E, há muitos jeitos diferentes que esses tópicos podem ir:
Há muito o que ler em todos eles.
Então, eu tento dar referências muito grande e abrangentes que,
Se estiver interessado no tópico, você pode começar e avançar daqui
E procurar muito mais e encontrar tanto quanto quiser.
今天我要给大家讲的是 在生物学中的能量。
“在生物学中”我指的是 广义的生物学，
从进化到生态学， 从生理学到细胞生物学。
我可以和大家在如此广泛的 生物学领域讲述的原因
是因为我们做什么事情 都离不开能量
还因为我们用了很多时间和能力
仅仅要获得能量及产生能量。
因为这些原因， 我可以用超级多的
方式讲述能量
超级多的方式 向大家描述能量，
但对我来说最有趣的，我认为 最具科学艺术的方式
是怎样描绘出我们 要用到的诸多盒子。
为了做到这个， 你通常应该限定一个问题
或设定一个要达到的目标。
这次要讲的两点：
一是与进化相关 - 我们对在进化中的能量
持什么观点，进化过程需要什么？
另一个则更多地与 生理学和生态学有联系，
就是关于我们如何获得能量
以及如何产生能量。
从进化的观点出发，
我们关心的主要事情是适应问题，
也就是我们有多少后代或个体
继续在下一代生存。
为保证这一点，我们必须能够成长 并保持我们的繁育。
所以，进化中一个主要的盒子 实际上是生存和发展。
所以在这个幻灯片里， 我展示了一株植物的生长
从最早期一直到最后， 在这个过程里，
它长出了很多细胞，
它还长出了新型的细胞 以及新型的结构 -
这需要很多能量 是一个非常耗能的过程。
对于动物和 动物的生长也是如此。
这张图片里有两只幼鸟
正在向成鸟叫，想要食物 -
因为他们需要很多食物 才能生长
以及足够繁育的能量。
关于能量给大家要谈的 下一个盒子是维持，
那是一种不那么明显的盒子
因为你看不到细胞的变化或者 结构的变化，以及繁殖 -
你看到的是可见条件下 事情没什么变化，
但实际上仅仅死亡细胞的更替 或给细胞提供给养
保持其存活就会 消耗很多能量。
举一个极端的例子， 看看这些红杉树，
要保持水或汁液泵到顶部的叶子，
需要大量的能量- 它们必须行进很远的距离。
而且，需要构建一些结构 才能保持液汁抵达这些树叶。
所以，它使用了很大 的能量，只为了用于
向树顶的输送。
类似地，为了身体的全部结构 也要使用很多能量。
这里也可以举个极端的例子
这个例子中 - 如果我们想想孔雀 -
如果它能长出一幅漂亮的羽毛，
就需要大量的能量来生长和维持。
而且，孔雀用它来吸引配偶，
也是繁殖的需要，
对进化很重要。
简短地讲，在我讲完维护
开始讲繁殖之前， 对我来说，作为人类，
有趣的事情之一是， 就生物学而言，
我们每次使用的功率或能量
与我们看到的灯泡使用的能量 大致相同 -
但是一旦添加了其它东西- 汽车、计算机或灯泡
或房屋供暖- 实际上，在美国的每个人
所消耗的能量与蓝鲸差不多，
因此，就生物足迹而言， 我们的能源消耗量巨大 。
我要谈的关于能量的 最后一个进化的盒子是繁殖，
那是进化在大多数时间 的最终目标。
就像树上结的橘子
会诱使我们吃它们，
因为它们是如此漂亮、 美味、口感好，
然后我们到处趴趴走，散播它们的种子
帮助橘子树在别的地方生长 并增加数量。
再举个例子，在母亲体内 生长的胚胎
要花费大量的能量和时间
才能满足繁殖的需要。
所以，我认为生长、维持和繁殖
是你能想到的进化中
需要能量的主要盒子。
现在，我们转一下话题，
稍微多谈一些生理学和 生态学的需要，
这与如何获取能量、
产生能量有很大关系，
进化在其中依旧起着重要的作用 因为有了它才能生存，
虽然在实际中并非显而易见。
在获得能量方面，
这有一张猫头鹰追老鼠， 要把它当作食物的生动照片，
这是通过所谓的“主动捕获”
获取资源或食物的一种示例。
但是其他方式还包括 放牧之类的事情，
如牧场中的奶牛，还有“坐等”，
就像蛇或者蜘蛛 静候猎物主动上门。
而且，就获得能量而言
植物也像这样。
它们更多地是静等 它们构建了结构
静等其它东西自投罗网。
所以，就像我们这里看到的， 这棵树繁茂的树枝系统，
当树叶都生长在枝杈上，
就用它们从环境中... 获得光亮，
在这个小区域中尽可能得到光 - 在这个树冠上。
而且，这种分支系统 也反映到地面之下
就植物的根系而言 那是用于从地下
吸收水分， 那里根系很发达
极力地想获得更多资源。
一旦获得了资源，
就需要处理它，获得能量，
第一步，对动物来说 就是消化系统，
你知道，消化系统涉及...
通过我们的肠胃系统 那类的事情。
但这里我要强调的是
在我们的消化道里 有这些微生物系统，
现在通常称为“微生物组” 或“肠道微生物组”，
我们需要用来处理能量。
这是独立的小世界- 我们身体中的生态系统。
基本上，根据其处理能量 及需要的能量，
真的会影响你能看到什么样的 细菌、细菌的种类有多少，
而且它要是停止工作 确实会影响我们的消化系统。
我们把吃进去的东西
经过能量处理 把它变成有用的形式之后，
我们仍旧需要把能量 传到身体的其他部分-
到手指、脚趾、 或是大脑中以资使用，
这由我们身体中的 分支系统完成。
那很像外面树木的分支系统
或树木地下的根系 - 那就是心血管系统，
我们用心脏把血泵到 四肢和头部。
然后，在更精细的尺度上， 我们有毛细管或毛细管床，
那是用于传输 氧或其他营养素的。
在我们分配能量
到每一个需要它的细胞 保持产生赖以生存的能量，
我们主要产生能量的方式 - 至少在动物 -
是通过线粒体， 每个线粒体
就像个小发动机 使用氧产生能量。
那实际上是我们发现的 最古老的细菌 -
不是“我们”人类 - 而是很久之前
细胞发现来为自己产生能量的。
所以这是非常古老的 产生能量的方式。
这就带来个问题： 如果它确实古老，
那它是不是好用 - 效率高么？
我觉得应该效率高， 因为既然这么广泛地应用，
你会觉得它一定非常好 要不肯定就会另辟捷径了。
但，如果与其它方式 相比较...
比如像太阳能板，
或拿背景的草和树与
前景的太阳能板比较，
草和树利用 光合作用产生能量，
效率大约为百分之三， 可太阳能可以达到
大约百分之三十， 大约高出十倍，
我刚知道这个事实 的时候感到有些惊异 -
它们竟然好很多。
也许这确实表明
在生物学上也许 还能进化得更好。
但是，这里真正要注意的是， 太阳能电池板
使用了许多生物无法 轻易接触到的元素 -
他们花钱去采矿或 以正确的方式建造太阳板。
我们在思考 效率或进化的时候，
总是在约束下进行。
因此，我认为生物学在约束条件下 确实可以很好地应用，
但是我们能够达到 生物学无法企及的东西。
我们从不同视角来看看 这个效率问题，
再回想一下我们讲过的网络，
无论是那些树还是 我们身体中的心血管系统，
有太多的方式 可以建立这样的网络。
我们想要的网络应该 能够跨越空间
把血液或水分输送到 需要它们的各处，
我们希望它们运行 效率要高
这样就不会 花费太多的能量
只是为了把血液泵到各处， 把液体送到各处而损失能量。
如果大家想想创建网络 的各种方式，
可以看看...驱动理论 看看数据
了解什么是最优化的。
你会发现生物学方式 在优化网络，
提高效率上确实做得不错
一个结果就是，
实际上，你可以看到 y 轴 上的新陈代谢率
对 x 轴的质量， 有一个非常清楚的系统模式
那就是生物越大， 用的能量越多 -
这并不奇怪。
但令人惊奇的事情是 那不是线性的。
比如一头大象 比一只老鼠大一万倍，
但它所消耗的能量 只是老鼠的一千倍，
这就是说 - 每个细胞 - 每个大象的细胞
是老鼠的细胞使用 能量的十分之一。
所以动物越大 效率越高
这是我们用这个视角看到的。
为了确保让大家 更仔细地注意这里的数轴，
它们是对数坐标系 - 所以曲线变成了一条直线，
指数关系的数学方程
变成了一条斜线。
这个模式不仅是对 这些大型的...
巨型的哺乳动物 或一般动物是正确的，
对植物也是如此 -
木质部通量是对植物 新陈代谢率类似的量测。
我们再画出代谢率 和体量之间的关系。
可以看到一个非常 清晰的直线
包括了很大尺寸范围的植物， 我们再次看到了，
一个指数曲线 或斜率大约为 3/4 的直线
同样的模式再次显现出来。
另外的一个重要影响因子， 除了尺寸 - 在尺寸之后，
对不同个体的最大能量消耗 的影响因子是温度。
所以看看这个图， 基本上是某种生物温度越高 -
我们想想青蛙 或者乌龟或者植物 -
它们的温度越高， 消耗能量就越快，
那是以指数率增量的 越来越快，越来越快
一直到某一点 温度非常高
生物开始崩溃 生物开始死亡。
但在到达、或者 接近那一点之前，
温度越高 消耗能量越快。
我们在开头讲过
我们做每件事都需要能量，
理解质量和温度怎样影响 新陈代谢率
或我们产生的能量
能告诉我们生物学上 很多其它事情。
比如，如果我们研究 哺乳动物的心率，
就老鼠和大象的 例子来思考
大象的心率大约是 老鼠心率的十分之一。
所以每次大象的心脏 跳一下，
老鼠要跳十下 确实很快。
或者我们看看生态学
当我们看经过校正的温度和 尺寸的关系时
考虑在系统中个体 的贡献大小，
实际遵循非常集中、 清晰的模式
这个关系在种类繁多 各种群中都是如此
包括了植物、哺乳动物、 昆虫、鱼类 -
几乎所有能想到的种类。
最后， 举个生态学的实例 -
这影响到我们能看到多少个体 即密度，抱歉-
是在一定大小区域中 我们可以看到多少个体
个头越大 或体温越高，
需要的能量就越多 附近的同类个体就越少
这是系统性的现象。
你看到的这个 动物的系统模式，
那些红点
以及植物， 就是那些绿点。
这里有趣的一点是
动物比植物密度 低很多
那是因为转换效率 的问题
植物需要将太阳光 转换成能量，
而动物基本上直接地 或间接地
从植物获得能量。
它们从植物得到大约 百分之十的能量
然后用其产生自己的能量。
所以它们密度要小
因为能量从植物到动物 要损失效率。
这些就是我今天 想要介绍的主要信息，
我在结束前列出参考材料。
而且，这些主题可以通过 许多不同的方式继续探讨：
关于所有这些内容， 有很多东西可供阅读。
因此，我尝试给出非常大的， 无所不包的参考资料，
如果大家对其中的题目感兴趣， 就可以从那里切入并继续
搜寻很多内容，按自己的意愿 找到更多结果。