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.