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← 生命的起源:天体生物学及生命的一般理论 - 能量

这些视频来自 ComplexityExplorer.org 课程“生命起源”。 本课程旨在通过将新的综合思维带入关于生命如何从非生物世界中出现的问题,来推动生命起源研究领域的发展。

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Showing Revision 34 created 04/10/2020 by Jiong Guo.

  1. 今天我要给大家讲的是
    在生物学中的能量。
  2. “在生物学中”我指的是
    广义的生物学,
  3. 从进化到生态学,
    从生理学到细胞生物学。
  4. 我可以和大家在如此广泛的
    生物学领域讲述的原因
  5. 是因为我们做什么事情
    都离不开能量
  6. 还因为我们用了很多时间和能力
  7. 仅仅要获得能量及产生能量。
  8. 因为这些原因,
    我可以用超级多的
  9. 方式讲述能量
  10. 超级多的方式
    向大家描述能量,
  11. 但对我来说最有趣的,我认为
    最具科学艺术的方式
  12. 是怎样描绘出我们
    要用到的诸多盒子。
  13. 为了做到这个,
    你通常应该限定一个问题
  14. 或设定一个要达到的目标。
  15. 这次要讲的两点:
  16. 一是与进化相关 -
    我们对在进化中的能量
  17. 持什么观点,进化过程需要什么?
  18. 另一个则更多地与
    生理学和生态学有联系,
  19. 就是关于我们如何获得能量
  20. 以及如何产生能量。
  21. 从进化的观点出发,
  22. 我们关心的主要事情是适应问题,
  23. 也就是我们有多少后代或个体
  24. 继续在下一代生存。
  25. 为保证这一点,我们必须能够成长
    并保持我们的繁育。
  26. 所以,进化中一个主要的盒子
    实际上是生存和发展。
  27. 所以在这个幻灯片里,
    我展示了一株植物的生长
  28. 从最早期一直到最后,
    在这个过程里,
  29. 它长出了很多细胞,
  30. 它还长出了新型的细胞
    以及新型的结构 -
  31. 这需要很多能量
    是一个非常耗能的过程。
  32. 对于动物和
    动物的生长也是如此。
  33. 这张图片里有两只幼鸟
  34. 正在向成鸟叫,想要食物 -
  35. 因为他们需要很多食物
    才能生长
  36. 以及足够繁育的能量。
  37. 关于能量给大家要谈的
    下一个盒子是维持,
  38. 那是一种不那么明显的盒子
  39. 因为你看不到细胞的变化或者
    结构的变化,以及繁殖 -
  40. 你看到的是可见条件下
    事情没什么变化,
  41. 但实际上仅仅死亡细胞的更替
    或给细胞提供给养
  42. 保持其存活就会
    消耗很多能量。
  43. 举一个极端的例子,
    看看这些红杉树,
  44. 要保持水或汁液泵到顶部的叶子,
  45. 需要大量的能量-
    它们必须行进很远的距离。
  46. 而且,需要构建一些结构
    才能保持液汁抵达这些树叶。
  47. 所以,它使用了很大
    的能量,只为了用于
  48. 向树顶的输送。
  49. 类似地,为了身体的全部结构
    也要使用很多能量。
  50. 这里也可以举个极端的例子
  51. 这个例子中 - 如果我们想想孔雀 -
  52. 如果它能长出一幅漂亮的羽毛,
  53. 就需要大量的能量来生长和维持。
  54. 而且,孔雀用它来吸引配偶,
  55. 也是繁殖的需要,
  56. 对进化很重要。
  57. 简短地讲,在我讲完维护
  58. 开始讲繁殖之前,
    对我来说,作为人类,
  59. 有趣的事情之一是,
    就生物学而言,
  60. 我们每次使用的功率或能量
  61. 与我们看到的灯泡使用的能量
    大致相同 -
  62. 但是一旦添加了其它东西-
    汽车、计算机或灯泡
  63. 或房屋供暖-
    实际上,在美国的每个人
  64. 所消耗的能量与蓝鲸差不多,
  65. 因此,就生物足迹而言,
    我们的能源消耗量巨大 。
  66. 我要谈的关于能量的
    最后一个进化的盒子是繁殖,
  67. 那是进化在大多数时间
    的最终目标。
  68. 就像树上结的橘子
  69. 会诱使我们吃它们,
  70. 因为它们是如此漂亮、
    美味、口感好,
  71. 然后我们到处趴趴走,散播它们的种子
  72. 帮助橘子树在别的地方生长
    并增加数量。
  73. 再举个例子,在母亲体内
    生长的胚胎
  74. 要花费大量的能量和时间
  75. 才能满足繁殖的需要。
  76. 所以,我认为生长、维持和繁殖
  77. 是你能想到的进化中
  78. 需要能量的主要盒子。
  79. 现在,我们转一下话题,
  80. 稍微多谈一些生理学和
    生态学的需要,
  81. 这与如何获取能量、
  82. 产生能量有很大关系,
  83. 进化在其中依旧起着重要的作用
    因为有了它才能生存,
  84. 虽然在实际中并非显而易见。
  85. 在获得能量方面,
  86. 这有一张猫头鹰追老鼠,
    要把它当作食物的生动照片,
  87. 这是通过所谓的“主动捕获”
  88. 获取资源或食物的一种示例。
  89. 但是其他方式还包括
    放牧之类的事情,
  90. 如牧场中的奶牛,还有“坐等”,
  91. 就像蛇或者蜘蛛
    静候猎物主动上门。
  92. 而且,就获得能量而言
  93. 植物也像这样。
  94. 它们更多地是静等
    它们构建了结构
  95. 静等其它东西自投罗网。
  96. 所以,就像我们这里看到的,
    这棵树繁茂的树枝系统,
  97. 当树叶都生长在枝杈上,
  98. 就用它们从环境中...
    获得光亮,
  99. 在这个小区域中尽可能得到光
    - 在这个树冠上。
  100. 而且,这种分支系统
    也反映到地面之下
  101. 就植物的根系而言
    那是用于从地下
  102. 吸收水分,
    那里根系很发达
  103. 极力地想获得更多资源。
  104. 一旦获得了资源,
  105. 就需要处理它,获得能量,
  106. 第一步,对动物来说
    就是消化系统,
  107. 你知道,消化系统涉及...
  108. 通过我们的肠胃系统
    那类的事情。
  109. 但这里我要强调的是
  110. 在我们的消化道里
    有这些微生物系统,
  111. 现在通常称为“微生物组”
    或“肠道微生物组”,
  112. 我们需要用来处理能量。
  113. 这是独立的小世界-
    我们身体中的生态系统。
  114. 基本上,根据其处理能量
    及需要的能量,
  115. 真的会影响你能看到什么样的
    细菌、细菌的种类有多少,
  116. 而且它要是停止工作
    确实会影响我们的消化系统。
  117. 我们把吃进去的东西
  118. 经过能量处理
    把它变成有用的形式之后,
  119. 我们仍旧需要把能量
    传到身体的其他部分-
  120. 到手指、脚趾、
    或是大脑中以资使用,
  121. 这由我们身体中的
    分支系统完成。
  122. 那很像外面树木的分支系统
  123. 或树木地下的根系 -
    那就是心血管系统,
  124. 我们用心脏把血泵到
    四肢和头部。
  125. 然后,在更精细的尺度上,
    我们有毛细管或毛细管床,
  126. 那是用于传输
    氧或其他营养素的。
  127. 在我们分配能量
  128. 到每一个需要它的细胞
    保持产生赖以生存的能量,
  129. 我们主要产生能量的方式
    - 至少在动物 -
  130. 是通过线粒体,
    每个线粒体
  131. 就像个小发动机
    使用氧产生能量。
  132. 那实际上是我们发现的
    最古老的细菌 -
  133. 不是“我们”人类 -
    而是很久之前
  134. 细胞发现来为自己产生能量的。
  135. 所以这是非常古老的
    产生能量的方式。
  136. 这就带来个问题:
    如果它确实古老,
  137. 那它是不是好用 -
    效率高么?
  138. 我觉得应该效率高,
    因为既然这么广泛地应用,
  139. 你会觉得它一定非常好
    要不肯定就会另辟捷径了。
  140. 但,如果与其它方式
    相比较...
  141. 比如像太阳能板,
  142. 或拿背景的草和树与
  143. 前景的太阳能板比较,
  144. 草和树利用
    光合作用产生能量,
  145. 效率大约为百分之三,
    可太阳能可以达到
  146. 大约百分之三十,
    大约高出十倍,
  147. 我刚知道这个事实
    的时候感到有些惊异 -
  148. 它们竟然好很多。
  149. 也许这确实表明
  150. 在生物学上也许
    还能进化得更好。
  151. 但是,这里真正要注意的是,
    太阳能电池板
  152. 使用了许多生物无法
    轻易接触到的元素 -
  153. 他们花钱去采矿或
    以正确的方式建造太阳板。
  154. 我们在思考
    效率或进化的时候,
  155. 总是在约束下进行。
  156. 因此,我认为生物学在约束条件下
    确实可以很好地应用,
  157. 但是我们能够达到
    生物学无法企及的东西。
  158. 我们从不同视角来看看
    这个效率问题,
  159. 再回想一下我们讲过的网络,
  160. 无论是那些树还是
    我们身体中的心血管系统,
  161. 有太多的方式
    可以建立这样的网络。
  162. 我们想要的网络应该
    能够跨越空间
  163. 把血液或水分输送到
    需要它们的各处,
  164. 我们希望它们运行
    效率要高
  165. 这样就不会
    花费太多的能量
  166. 只是为了把血液泵到各处,
    把液体送到各处而损失能量。
  167. 如果大家想想创建网络
    的各种方式,
  168. 可以看看...驱动理论
    看看数据
  169. 了解什么是最优化的。
  170. 你会发现生物学方式
    在优化网络,
  171. 提高效率上确实做得不错
  172. 一个结果就是,
  173. 实际上,你可以看到 y 轴
    上的新陈代谢率
  174. 对 x 轴的质量,
    有一个非常清楚的系统模式
  175. 那就是生物越大,
    用的能量越多 -
  176. 这并不奇怪。
  177. 但令人惊奇的事情是
    那不是线性的。
  178. 比如一头大象
    比一只老鼠大一万倍,
  179. 但它所消耗的能量
    只是老鼠的一千倍,
  180. 这就是说 - 每个细胞 -
    每个大象的细胞
  181. 是老鼠的细胞使用
    能量的十分之一。
  182. 所以动物越大
    效率越高
  183. 这是我们用这个视角看到的。
  184. 为了确保让大家
    更仔细地注意这里的数轴,
  185. 它们是对数坐标系 -
    所以曲线变成了一条直线,
  186. 指数关系的数学方程
  187. 变成了一条斜线。
  188. 这个模式不仅是对
    这些大型的...
  189. 巨型的哺乳动物
    或一般动物是正确的,
  190. 对植物也是如此 -
  191. 木质部通量是对植物
    新陈代谢率类似的量测。
  192. 我们再画出代谢率
    和体量之间的关系。
  193. 可以看到一个非常
    清晰的直线
  194. 包括了很大尺寸范围的植物,
    我们再次看到了,
  195. 一个指数曲线
    或斜率大约为 3/4 的直线
  196. 同样的模式再次显现出来。
  197. 另外的一个重要影响因子,
    除了尺寸 - 在尺寸之后,
  198. 对不同个体的最大能量消耗
    的影响因子是温度。
  199. 所以看看这个图,
    基本上是某种生物温度越高 -
  200. 我们想想青蛙
    或者乌龟或者植物 -
  201. 它们的温度越高,
    消耗能量就越快,
  202. 那是以指数率增量的
    越来越快,越来越快
  203. 一直到某一点
    温度非常高
  204. 生物开始崩溃
    生物开始死亡。
  205. 但在到达、或者
    接近那一点之前,
  206. 温度越高
    消耗能量越快。
  207. 我们在开头讲过
  208. 我们做每件事都需要能量,
  209. 理解质量和温度怎样影响
    新陈代谢率
  210. 或我们产生的能量
  211. 能告诉我们生物学上
    很多其它事情。
  212. 比如,如果我们研究
    哺乳动物的心率,
  213. 就老鼠和大象的
    例子来思考
  214. 大象的心率大约是
    老鼠心率的十分之一。
  215. 所以每次大象的心脏
    跳一下,
  216. 老鼠要跳十下
    确实很快。
  217. 或者我们看看生态学
  218. 当我们看经过校正的温度和
    尺寸的关系时
  219. 考虑在系统中个体
    的贡献大小,
  220. 实际遵循非常集中、
    清晰的模式
  221. 这个关系在种类繁多
    各种群中都是如此
  222. 包括了植物、哺乳动物、
    昆虫、鱼类 -
  223. 几乎所有能想到的种类。
  224. 最后,
    举个生态学的实例 -
  225. 这影响到我们能看到多少个体
    即密度,抱歉-
  226. 是在一定大小区域中
    我们可以看到多少个体
  227. 个头越大
    或体温越高,
  228. 需要的能量就越多
    附近的同类个体就越少
  229. 这是系统性的现象。
  230. 你看到的这个
    动物的系统模式,
  231. 那些红点
  232. 以及植物,
    就是那些绿点。
  233. 这里有趣的一点是
  234. 动物比植物密度
    低很多
  235. 那是因为转换效率
    的问题
  236. 植物需要将太阳光
    转换成能量,
  237. 而动物基本上直接地
    或间接地
  238. 从植物获得能量。
  239. 它们从植物得到大约
    百分之十的能量
  240. 然后用其产生自己的能量。
  241. 所以它们密度要小
  242. 因为能量从植物到动物
    要损失效率。
  243. 这些就是我今天
    想要介绍的主要信息,
  244. 我在结束前列出参考材料。
  245. 而且,这些主题可以通过
    许多不同的方式继续探讨:
  246. 关于所有这些内容,
    有很多东西可供阅读。
  247. 因此,我尝试给出非常大的,
    无所不包的参考资料,
  248. 如果大家对其中的题目感兴趣,
    就可以从那里切入并继续
  249. 搜寻很多内容,按自己的意愿
    找到更多结果。