Matematické Fórum

↑ check_drummer:
Je to série chemických reakcí které uvolňují a spotřebovávají energii. Na začátku se "spálí" tuky/cukry za vzniku hlavně vody, CO2 a energie, pak vznikají další meziprodukty a nakonec se energie uvolněná z ATP použije na vazbu myosinu a aktinu, což jsou dvě bílkovinné struktury, které se do sebe zasunou (zkrácení svalového vlákna).

V buňkách se skoro všechna energie získaná z chemických vazeb nakonec přemění na energii chemické vazby v AdenosinTriPhosphátu (zkráceně ATP) tím že se na ADP (AdenosinDiPhosphát) naváže ta jedna fosfátová molekula navíc. Říkají tomu "makro-ergní vazba", že při přechodu z ATP na ADP se uvolní relativně hodně té energie. Takže ATP je v buňce takový univerzální přenašeč té energie. I když určitě existují i metabolické dráhy které ho nevyužívají.

A tahle energie pohání i pohyb motorických proteinů po aktinových vláknech, jak už napsal kolega nade mnou. Akorát je otázka, jak k tomu přesně dochází, a myslím, že se to tak úplně zatím neví.

Tak nějak v principu to funguje tak, že se motorický protein naváže na to vlákno, tím se nějak změní trochu jeho tvar, načež se na něj naváže molekula toho ATP, on změní tvar, posune se o nějaký ten krok po vlákně - tím se zase změní tvar, přitom dojde k odštěpení toho fosfátu z ATP, a vzniknuvší ADP se z proteinu uvolní, a tak pořád dál. Každý rozklad jedné té molekuly ATP vykoná jeden krok (nebo půlkrok). Detaily nevím, a možná to neví nikdo.

Ta aktinová vlákna mají takovou nějakou "polární strukturu" nebo jak tomu říkají, něco jako na střídačku poskládané magnety, takže to má + a - konec, a lze se po tom tedy v principu nějak pohybovat.

Na webu je spousta animací, něco jako tohle, ale já myslím, že to realitě úplně neodpovídá. Je třeba si uvědomit, že pohyb molekul je převážně náhodný (tepelný pohyb) a to se určitě týká i toho ťapání motorického proteinu. Ale po všech těch náhodných pohybech nakonec ta jeho nožička skončí na té přední pozici a tím nějak umožní uvolnění té zadní. Ale základ je určitě to, že energie získaná rozštěpením ATP umožní změnu tvaru té proteinové molekuly a to zařídí ten mikropohyb. Ale je klidně možné, že to probíhá i nějak sofistikovaněji.

V buňkách existují i jiné "generátory" a ty jsou poznané trochu lépe - a říká se jim molekulární motory. A v podstatě to připomíná malou turbínu, která je poháněná průtokem protonů (proton je vlastně atom vodíku bez svého elektronu).

Díky, hlavně mě zajímalo co v tomto příapdě je ta "energie" - chápu to tedy tak, že ta "energie" je uložena v ATP, který se rozštěpí a tím štěpením umožní, aby se v těle "něco pohnulo".

↑ MichalAld:
... protože slovo energie je dost nekonkrétní pojem, když o tom tak přemýšlím tak energie může být ve formě "pohybujících se" částic a nebo ve formě nějaké "vazby" několika částic. Pak je teda otázka co je to "energie pole", ten pojem jsem někde zaslechl.... :-)

check_drummer napsal(a):

↑ MichalAld:
... protože slovo energie je dost nekonkrétní pojem, když o tom tak přemýšlím tak energie může být ve formě "pohybujících se" částic a nebo ve formě nějaké "vazby" několika částic. Pak je teda otázka co je to "energie pole", ten pojem jsem někde zaslechl.... :-)

No, není to tak dlouho, co jsme vedli diskusi o fyzikálním významu fyzikálních veličin a o tom, že některé veličiny nemají (přímý) fyzikální význam. No, tak energie je zrovna jednou z nich, že, takže se není až tak čemu divit.

Energii nelze nijak přímo měřit, musíme ji spočítat z toho, co měřit lze. A dnešní (správná) definice energie je - že je to veličina, která se zachovává v důsledku toho, že se daný přírodní zákon nemění v čase.

Jenže takových přírodních zákonů máme kupu, a s tím tedy souvisí i kupa energií. Kdybychom měli nějakou univerzální teorii všeho, bude obsahovat i univerzální vzorec pro energii. Jenže takhle to ve fyzice není. Používáme vícero variant formulací přírodních zákonů, i takové, o kterých víme, že obecně neplatí. Jako třeba Newtonův zákon.

Takže pro Newtonovská tělesa (nebo hmotné body) které na sebe působí konzervativními silami máme pohybovou energii částic a jejich polohovou (potenciální) energii.

Pokud analyzujeme tekutiny (kapaliny, plyny) máme tlakovou (potenciální) energii a kinetickou energii proudící tekutiny.

V elektrických obvodech máme energii uloženou v kondenzátoru a v cívce.

Zajímavé to začíná být v teorii elektromagnetického pole. Protože pole můžeme vyzářit z antény (radiovou vlnu, světlo) a ono si letí volným prostorem a o své zdroje už se nestará. A lze ukázat, že tohle pole nese s sebou i nějakou energii. Jenže kde se ta energie přesně nachází? Zatímco u částic předpokládáme, že energii "má" ta částice, pole je rozložené v celém prostoru. Takže lze očekávat, že energie bude taky.

Ale překvapivě - vztah popisující rozložení energie el. mag. pole v prostoru nelze rozumě odvodit. Přesněji - lze vymyslet nekonečné množství vztahů, které mohou představovat rozložení energie v prostoru - a nelze nijak rozhodnout, který z nich je správný. Ale jeden z nich je rozhodně jednodušší než všechny ostatní - Poyntingův vztah, a ten se tedy považuje za správný. Ale nelze to nijak ověřt.

Ještě komplikovanější je to s gravitačním polem v teorii relativity. Protože aparát obecné relativity využívá obecné souřadnice (nejen kartézské) a ukázalo se, že nelze vyrobit vztah pro energii, který by na volbě souřadnic nezávisel. Takže jen zavedením třeba polárních souřadnic dostaneme nekonečnou energii (neexistujícího) gravitačního pole v prázdném prostoru. Ale pokud zavedeme takové souřadnice, aby v nekonečné vzdálenosti byla energie gravitačního pole nulová, tak celková energie je určena jednoznačně. Ale lokalizovat ji prostě není možné.

V kvantovce je to zase trochu jinak, a kvantové teorii pole já nerozumím, abych věděl, jak je to tam s energií.

A v termodynamice je to zase jinak. Jenže termodynamika není fundamentální fyzika a na její energie asi nemůžeme aplikovat tu definici o symetrii v čase. Ale ta základní energi je pořád to samé co v jiné fyzice.

Ostatní termodynamické potenciály pak buď mají nebo nemají rozměr energie, a nějak s ní souvisejí. V principu jde pořád o pohybovou energii částic a potenciální energii těch chemických vazeb, ale je tu ještě něco, co "obyčejná", tedy deterministická fyzika nezná, totiž ta entropie a nemožnost toho, že by samovolně klesla.

No a pomocí těch dvou věcí se dají vyrobit další "energie". Které nemají ekvivalent v deterministické fyzice, protože ho nemá ta entropie.

Tak ano, práce souvisí bezprostředně se sílou, a mezi sílou a energií je vztah $F=dE/ds$. A teď je otázka, jestli to tedy má definovat sílu nebo energii. V klasické fyzice se za “reálnější” považuje ta síla. Ale s příchodem kvantové fyziky vzal tenhle přístup za své. Tam žádnou sílu zavést nejde. Ale energie tam má plus minus stejný význam jako v klasické fyzice.

Každopádně, to co pohání všechny ty biologické procesy (jako je náš život) a i nebiologické (jako třeba výroba automobilů) není energie, ale entropie. Energie, ta se prostě jen zachovává. Ale entropie chce narůstat, a tomu vděčíme za náš život a všechny ty věci kolem.

↑ MichalAld:
Ahoj, len by som si dovolil poznamenať, že aj to odpadné teplo čo posielame do vesmíru je mimozemského pôvodu. Čiže sa vracia naspäť, odkiaľ prišlo. Čo už tu na Zemi napáchalo, to je druhá kapitola.

↑ MichalAld:
Jak tomu rozumět? Jako že když kopnu do míče a ten se pohne tak za to může entropie?

Nejjednodušší systém, na kterém lze tyhle termodynamické principy demonstrovat je rohatka se západkou. Feynman o tom má celkou kapitolu, ve svých Přednáškách.

↑ MichalAld:
Ale snížit lokálně etropii lze ne? Není to, že se entropie zvyšuje, prostě jen důsledek toho, že je vše uspořádané a stává se to stále méně uspořádané? Jakou to má souvislost s energií? Co když sice vydám teplo (zvýším entropii), ale jinde zase entropii snížím?