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← Origins of Life: Astrobiology & General Theories for Life - Energy

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Showing Revision 12 created 12/08/2019 by Marcel Gomes.

  1. Hoje eu falarei para vocês sobre energia
    em biologia.
  2. "Em biologia" Eu quero dizer toda a
    biologia,
  3. Da evolução à ecologia,
    da fisiologia à biologia celular.
  4. E, a razão pela qual eu posso falar sobre
    isso de uma ampla faixa de biologia
  5. É porque usamos energia para tudo o que
    fazemos
  6. E porque nós usamos muito nosso
    tempo e habilidades
  7. Só tentando obter e fazer energia.
  8. Por essas razões,
    há muitos caminhos
  9. Dos quais eu posso falar sobre energia
  10. E infinitos caminhos
    que eu poderia lhes descrever,
  11. Mas uma das coisas mais divertidas
    e uma das artes da ciência para mim
  12. É decidindo como desenhar as caixas
    que nós usaremos.
  13. E, para fazer isso,
    você tem de fazer uma pergunta
  14. Ou pensar sobre algum objetivo
    que está tentando alcançar.
  15. E duas coisas que eu falarei sobre
    Nessa conversa:
  16. Uma é a relação com a evolução -
    Como nós pensamos sobre energia
  17. Em termos de evolução
    e o que é necessário para que ela ocorra.
  18. E, a outra é mais sobre a relação da
    fisiologia e ecologia,
  19. A qual tem haver com como
    nós obtemos energia
  20. E como fazemos energia.
  21. Então, de uma perspectiva evolucionaria,
  22. A principal coisa que nos preocupa
    é fitness,
  23. Que é quantos descendentes ou indivíduos
  24. Nós damos para a próxima geração.
  25. Para fazer isso, primeiro temos de crescer
    e nos manter reproduzindo.
  26. Então, uma das caixas principais para
    a evolução é o desenvolver e crescer.
  27. Então, nesse slide eu mostro uma planta crescendo.
  28. dos estágios iniciais para mais tarde,
  29. E, o fazendo, tem que criar mais células,
  30. Tem que criar novos tipos de células
    e novos tipos de estruturas -
  31. E isso toma muita energia e é um processo
    intensivo em energia.
  32. E, isso também é verdade para animais
    e seu crescimento.
  33. Aqui tem uma foto desses dois pássaros
  34. Chorando aos seus pais por comida -
    para trazer-lhes comida -
  35. Porque precisam de muita comida para
    crescer e ter energia
  36. Para crescerem o bastante para
    reproduzir.
  37. A próxima caixa eu irei falar sobre
    energia ser manutenção,
  38. E isso é uma espécie de menos visível
  39. Porque você não está vendo células mudando
    ou estruturas mudando ou reproduzindo -
  40. Você tipo vê as coisas mantendo-se
    do mesmo modo e são visíveis,
  41. Mas isso toma muita energia
    só para repor as célula que morrem
  42. Ou para alimentar células só para
    manterem-se vivas.
  43. Como exemplos extremos,
    se você olhar para essas sequóias,
  44. Isso requer uma enorme quantidade de
    energia só para manter sua água ou seiva
  45. Fluindo até das folhas até o topo -
    é uma grande distância que tem de viajar.
  46. E, você terá de montar estruturas
    para mantê-los subindo até as folhas.
  47. Então, você usa muita energia
    só para
  48. empurrar até o topo das árvores.
  49. E, similarmente, usamos energia para
    todas as estruturas de nosso corpo.
  50. Mas há exemplos extremos também.
  51. Onde se você pensar em um pavão
  52. Se ele constrói uma gama de penas,
  53. Isso toma muita energia para montar e
    manter.
  54. E, ele usará para atrair um companheiro,
  55. Que é necessário para reprodução,
  56. O qual é importante para a evolução.
  57. Como um breve aparte,
    antes de entrar em reprodução,
  58. Da manutenção, uma das coisas
    mais relevantes para mim
  59. Sobre nós como humanos é que,
    individualmente, biologicamente,
  60. Nós usamos a mesma quantidade de poder
    ou energia por tempo
  61. Que você vê em uma lâmpada,
    uma vez que você adiciona as coisas -
  62. Quanta energia usamos para carros ou
    computadores ou lâmpadas
  63. Ou aquecendo nossas casas -
    na verdade, cada indivíduo dos EUA,
  64. Usam a mesma quantidade de energia que
    uma baleia azul,
  65. Então somos enormes usuários de energia em
    termos de nossa pegada biológica.
  66. A última caixa evolucionaria que falarei
    sobre energia é reprodução,
  67. A qual é onde a evolução busca na maior parte
    do tempo.
  68. E, podem ser como laranjas na árvore
  69. Que nos tentam a comê-las
  70. porque são tão bonitas e cheias de sabor
    e tão saborosas,
  71. Nós andamos e distribuímos as
    sementes
  72. Para ajudar nossas laranjeiras a crescer
    em outro lugar e a aumentar seus números.
  73. Ou também, um embrião crescendo dentro
    de uma mãe
  74. Que toma uma muita de energia
    e tempo para produzir
  75. Que é necessário para a reprodução.
  76. Então, crescimento, manutenção e
    reprodução
  77. São as caixas principais que te fazem
    pensar sobre evolução
  78. Onde a energia é necessária.
  79. Mas agora, eu mudarei as marchas e falarei
    um pouco mais
  80. Sobre o que é necessário para fisiologia
    e ecologia,
  81. Que tem muito haver com
  82. Como você consegue energia e como você
    faz energia,
  83. Que a evolução a tem um grande papel
    porque tu precisa disso para sobreviver,
  84. Mas não é tão explicito se você fizer
    desse jeito.
  85. Então, em termos de obtenção de energia,
  86. Essa é uma foto dramática de uma coruja
    caçando um rato por comida,
  87. E isso é um tipo de exemplo de obtenção
    de recursos ou comida
  88. Pelo que chamamos "captura ativa".
  89. Mas, outros caminhos incluem coisas como
    pastar - como uma vaca no pasto,
  90. Ou "sentar e esperar",
  91. Que seriam como cobras ou aranhas
    esperando pela presa vir até elas.
  92. E também, plantas são um pouco assim
  93. Em termos de obtenção de energia.
  94. Elas são do tipo sentar e esperar, onde
    montam estruturas
  95. E esperam pelas coisas virem até elas.
  96. Então, como vemos aqui, há um sistema
    extensivo de ramificações para a árvore,
  97. e quando as folhas estão todas pressentes
    nos membros,
  98. São usadas para captar luz...
    do ambiente,
  99. E pegar o máximo de luz nessa pequena área
    - dentro desse dossel.
  100. E, esse tipo de ramificação é refletido
    no subsolo
  101. Em termos de sistemas de raiz que usam
    para pegar nutrientes da água
  102. Do chão também, onde tem de se ramificar
  103. E pegar o máximo de recursos possível.
  104. Quando os recursos forem obtidos,
  105. Nós temos de processá-los para fazer
    energia,
  106. E, o primeiro passo nesses animais é o
    sistema digestivo,
  107. Que, você sabe, envolve...
  108. Passar por nossos estômago e coisas assim.
  109. Mas, a parte que eu quero destacar aqui
  110. É que, em nossas tripas, há esses sistemas
    microbiais,
  111. Que nós chamamos de "microbioma" ou de
    "microbioma de tripa",
  112. Que nós temos para processar a energia.
  113. Ele é seu próprio mundo - um ecossitema -
    dentro de nossos corpos.
  114. E, basicamente, baseado em como processa
    a energia e como a usa,
  115. Ele realmente afeta qual bactéria você vê
    e a diversidade de bactérias que você vê,
  116. E quando está fora pode realmente afetar
    nosso sistema digestivo.
  117. Após processarmos a energia
  118. e obtermos uma forma mais utilizável do
    que colocamos em nossos corpos,
  119. Nós temos de transportá-lo para o resto de
    nossos corpos -
  120. Até as pontas dos dedos, as pontas dos
    pés ou para nossa cabeça usar,
  121. e isso é feito por um sistema de
    ramificações em nossos corpos.
  122. aprece muito com um sistema de
    ramificações de árvores lá fora
  123. Ou em suas raízes no chão -
    e isso é o sistema cardiovascular,
  124. Onde nós usamos o coração para bombear
    sangue para os nossos membros e cabeça.
  125. E então, na escala mais fina,
    nós temos capilares ou camas capilares,
  126. Onde há a transferência de oxigênio
    ou outros nutrientes podem ocorrer.
  127. Quando nós distribuímos energia
  128. E enviamos para cada célula que precisa
    para manter-se produzindo energia e viva.
  129. A maneira principal que fazemos energia -
    pelo menos nos animais -
  130. É pelas mitocôndrias, e cada mitocôndria
  131. É um pequeno motor que pega o oxigênio e
    transforma em energia.
  132. E é na verdade uma bactéria muito velha
    que nós trazemos -
  133. Não "nós" humanos -
    mas há muito tempo atrás
  134. As células traziam para fazer energia
    para elas.
  135. Então, é um jeito bem antigo de fazer
    energia.
  136. E, isso nos traz a questão:
    se é tão antigo,
  137. É realmente bom nisso -
    É bem eficiente?
  138. E, eu penso que seria porque, se é usado
    tão extensivamente,
  139. Você pensaria que deve ser muito bom ou
    que reinventaria a roda de algum jeito.
  140. Mas, o interessante é que se você
    comparar...
  141. Com algo como painéis solares,
  142. E comparar com a grama e as árvores ao
    fundo aqui
  143. para os painéis solares em primeiro plano,
  144. A grama e as árvores usam fotossíntese
    para fazer energia,
  145. Que é apenas três porcento efetiva,
    mas os painéis solares podem chegar até
  146. A trinta porcento de eficiência, entorno
    de 10 vezes melhor,
  147. Que é um tanto chocante para mim quando
    eu aprendi sobre -
  148. Que eles podem ser muito melhores.
  149. E, talvez isso dê a sugestão
  150. Que a biologia possa ainda evoluir e
    melhorar.
  151. Mas, a pegadinha aqui é que os painéis
    solares usam muitos elementos
  152. Que não são acessíveis aos organismos
    biológicos -
  153. Eles tomam dinheiro para minar ou
    construir da maneira correta.
  154. Quando pensamos nisso sobre ser
    eficiente ou evoluir,
  155. É sempre dentro das restrições.
  156. Então, eu diria que a biologia é muito bem
    aplicada em suas limitações,
  157. Mas nós somos capazes de chegar às coisas
    que a biologia não foi capaz de chegar.
  158. E, olhando esta questão sobre eficiência
    de uma perspectiva diferente,
  159. Se você pensar de novo em redes,
  160. Quer para árvores ou o sistema
    cardiovascular em nossos corpos,
  161. Há um milhão de jeitos que você pode
    construir esta rede.
  162. Nós queremos estas redes abrangendo o
    espaço
  163. Sendo capazes de conseguir sangue ou água
    aonde precisa ir,
  164. E nós precisamos fazer isso de forma
    eficiente
  165. Então nós não gastamos uma grande
    quantidade de energia
  166. Apenas bobeando sangue e perdendo energia
    empurrando os fluídos.
  167. E, se você pensar em todo o caminho no
    qual as redes podem ser construídas,
  168. Você pode olhar em...teoria da unidade e
    olhar os dados
  169. Para ver o que é mais ideal.
  170. E, acontece que a biologia fez um
    trabalho muito bom
  171. Ao melhorar as redes para ser mais
    eficiente
  172. E, uma consequência é que,
  173. Na verdade, quando você vê os níveis
    metabólicos do eixo y aqui
  174. Contra a massa do eixo x, você vê um
    padrão sistematicamente limpo
  175. Onde, quanto maior algo é, mais energia
    usará -
  176. O que não é surpreendente.
  177. Mas, a parte surpreendente aqui é que não
    é não linear.
  178. Então, você pensa em um elefante que é
    10000 maior do que um rato,
  179. E usa mil vezes mais energia,
  180. Que significa - por célula -
    Uma célula de elefante
  181. Usa dez vezes menos energia que uma
    célula de um rato.
  182. Então, você está ganhado eficiência por
    tornar-se maior
  183. Desta forma de olhar para isso.
  184. E, para ter certeza que as pessoas prestem
    bastante atenção aos eixos aqui,
  185. Eles são eixos logarítmicos -
    então uma linha curva torna-se reta,
  186. E, o que seria o expoente de uma equação
    matemática
  187. torna-se a inclinação.
  188. E, esse padrão é verdadeiro, não apenas
    através desta grande...
  189. Grande variedade de tamanhos de mamíferos
    ou animais em geral,
  190. Mas também para plantas -
  191. O fluxo de Xilem é um tipo de medição da
    taxa metabólica das plantas.
  192. Nós traçamos isso contra o tamanho do
    corpo novamente.
  193. E de novo, você vê claramente uma linha
    reta
  194. Através de uma grande variedade de
    tamanhos de plantas, e, de novo,
  195. Um expoente ou uma inclinação que é
    próxima de 3/4.
  196. Então, o mesmo padrão aparece de novo.
  197. E, outro grande efetor, além do tamanho do
    corpo - após o tamanho do corpo,
  198. O maior efetor de uso de energia através
    dos indivíduos é a temperatura.
  199. Então, se está olhando essa figura,
    basicamente quanto mais quente algo é -
  200. Se pensarmos num sapo ou uma tartaruga ou
    uma planta -
  201. Quanto mais quente for, mais rápido usará
    energia,
  202. E isso aumenta em um nível exponencial que
    só acelera
  203. Até o ponto onde você tem temperaturas
    extremas
  204. E as coisas começam a ruir e a morrer.
  205. Mas, até esse ponto ou próximo disso,
  206. quanto mais quente você está, mais rápido
    você usará essa energia.
  207. E porque, como vimos no começo no começo
    da conversa,
  208. Que nós usamos energia para tudo que nós
    fazemos,
  209. Entendendo como a massa e a temperatura
    afetam a taxa metabólica
  210. Ou o poder que produzimos
  211. Nos diz muito sobre todas as outras coisas
    em biologia.
  212. Então, por exemplo. se olharmos nos
    batimentos cardíacos entre os mamíferos,
  213. Uma outra forma de pensar nisso em termos
    de rato contra elefante
  214. É que os batimentos cardíacos do elefante
    é dez vezes mais lento do que o do rato.
  215. Então, toda vez que o coração de um
    elefante bate uma vez,
  216. O rato bate o coração dez vezes bem
    rápido.
  217. Ou, se você olhar para a ecologia
  218. Quando nós corrigimos para temperatura
    contra tamnho
  219. E pensamos sobre quanto cada indivíduo
    produz em um sistema,
  220. Que na verdade segue um padrão muito
    apertado e limpo aqui também
  221. E é verdade através de uma grande
    variedade diversa de táxons
  222. Que incluem plantas, mamíferos, insetos,
    peixes -
  223. Quase tudo o se possa pensar.
  224. E finalmente, como outro exemplo
    ecológico -
  225. Isso afeta quantos indivíduos nós vemos ou
    densidade, desculpe -
  226. assim quantos indivíduos por a área nós
    vemos
  227. Onde, quão grande você é ou mais quente
    você é,
  228. Mais energia você precisa e terá menos
    indivíduos envolta de você
  229. sendo bem sistemático.
  230. E, você verá esse padrão sistemático para
    animais,
  231. Que são os pontos vermelhos
  232. E plantas, que são pontos verdes.
  233. E, uma coisa interessante aqui
  234. É que os animais são muito menores do que
    as plantas
  235. E é porque tem a eficiência de conversão,
  236. Onde as plantas tem de converter luz solar
    em energia,
  237. E, basicamente, todos os animais direta ou
    indiretamente
  238. Tomam sua energia das plantas.
  239. Então, ele tomam em torno de dez porcento
    da energia das plantas
  240. Que podem ser usadas para produzir
    seus números.
  241. Então, eles estão mais abaixo
  242. Porque eles perdem muita eficiência
    transitando de plantas para animais.
  243. Essas são as mensagens principais que eu
    queria transmitir hoje,
  244. E eu queria dando essas referências.
  245. E, há muitos jeitos diferentes que esses
    tópicos podem ir:
  246. Há muito o que ler em todos eles.
  247. Então, eu tento dar referências muito
    grande e abrangentes que,
  248. Se estiver interessado no tópico, você
    pode começar e avançar daqui
  249. E procurar muito mais e encontrar tanto
    quanto quiser.