1.1: Хімічні основи життя

Last updated
Save as PDF

Page ID: 28856

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Наприкінці цього розділу студенти зможуть:

Опишіть на вступному рівні основні хімічні та біологічні основи життя на Землі
Визначте навколишнє середовище, екосистеми та екологічні науки
Наведіть приклади міждисциплінарного характеру екологічної науки
Визначення сталого розвитку та сталого розвитку
Поясніть складний зв'язок між природною та людською системами, що стосуються впливу на навколишнє середовище, принципу обережності та екологічних обґрунтувань
Розібратися в науковому підході і почати застосовувати науковий метод

Хімічні та біологічні основи життя

Елементи в різних поєднаннях складають всю речовину на Землі, включаючи живі істоти. Деякі з найпоширеніших елементів живих організмів включають вуглець, водень, азот, кисень, сірку та фосфор. Вони утворюють нуклеїнові кислоти, білки, вуглеводи та ліпіди, які є основними компонентами живої речовини. Біологи повинні розуміти ці важливі будівельні блоки та унікальні структури атомів, що складають молекули, дозволяючи формувати клітини, тканини, системи органів та цілі організми.

На самому фундаментальному рівні життя складається з матерії. Матерія - це будь-яка речовина, яка займає простір і має масу. Елементи - це унікальні форми матерії зі специфічними хімічними та фізичними властивостями, які не можуть бути розщеплені на більш дрібні речовини звичайними хімічними реакціями. Є 118 елементів, але тільки 92 зустрічаються природним шляхом. Решта елементи синтезуються в лабораторіях і є нестабільними. П'ять елементів, загальних для всіх живих організмів, - це кисень (O), вуглець (С), водень (H) та азот (N) та фосфор (P). У неживому світі елементи зустрічаються в різних пропорціях, а деякі загальні для живих організмів елементи відносно рідкісні на землі в цілому (табл.\(\PageIndex{1}\)). Наприклад, атмосфера багата азотом і киснем, але містить мало вуглецю та водню, тоді як земна кора, хоча вона містить кисень і невелику кількість водню, має мало азоту та вуглецю. Незважаючи на їх відмінності в достатку, всі елементи і хімічні реакції між ними підкоряються однаковим хімічним і фізичним законам незалежно від того, є вони частиною живого чи неживого світу.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Приблизний відсоток елементів в живих організмах (від бактерій до людини) в порівнянні з неживим світом. Трасування становить менше 1%.
	Біосфера	Атмосфера	Літосфера
Кисень (O)	65%	21%	46%
Вуглець (C)	18%	слід	слід
Водень (Н)	10%	слід	слід
Азот (N)	3%	78%	слід
Фосфор (P)	слід	слід	> 30%

будова атома

Атом - це найменша одиниця речовини, яка зберігає всі хімічні властивості елемента. Наприклад, один атом золота має всі властивості золота в тому, що це твердий метал при кімнатній температурі. Золота монета - це просто дуже велика кількість атомів золота, сформованих у формі монети і містять невелику кількість інших елементів, відомих як домішки. Атоми золота не можна розбити на щось менше, зберігаючи при цьому властивості золота. Атом складається з двох областей: ядра, яке знаходиться в центрі атома і містить протони і нейтрони, і крайньої області атома, яка тримає свої електрони на орбіті навколо ядра, як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\) Атоми містять протони, електрони та нейтрони, серед інших субатомних частинок. Виняток становить лише водень (Н), який складається з одного протона і одного електрона без нейтронів.

Знімок екрана (7) .png — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Елементи, такі як гелій, зображені тут, складаються з атомів. Атоми складаються з протонів і нейтронів, розташованих всередині ядра, з електронами на орбіталі, що оточують ядро.

Протони і нейтрони мають приблизно однакову масу, приблизно 1,67 × 10 ^-24 грами. Вчені довільно визначають цю величину маси як одну атомну одиницю маси (аму) (табл.\(\PageIndex{2}\)). Хоча схожі за масою, протони і нейтрони відрізняються своїм електричним зарядом. Протон позитивно заряджений, тоді як нейтрон не заряджений. Тому кількість нейтронів в атомі значно сприяє його масі, але не його заряду.

Таблиця\(\PageIndex{2}\): Протони, нейтрони та електрони
	Заряджати	Маса (аму)	Розташування в атомі
Протон	+1	1	Ядро
Нейтронний	0	1	Ядро
Електрон	-1	0	Орбіталі

Електрони набагато менше за масою, ніж протони, вагою всього 9,11 × 10 ^-28 грам, або близько 1/1800 одиниці атомної маси. Отже, вони не дуже сприяють загальній атомній масі елемента. Незважаючи на те, що не є значними факторами маси, електрони роблять значний внесок у заряд атома, оскільки кожен електрон має негативний заряд, рівний позитивному заряду протона. У незаряджених, нейтральних атомах кількість електронів, що обертаються навколо ядра, дорівнює кількості протонів всередині ядра. У цих атомах позитивні та негативні заряди скасовують один одного, що призводить до атома без чистого заряду. Враховуючи розміри протонів, нейтронів та електронів, більша частина об'єму атома - більше 99 відсотків - насправді є порожнім простором. З усім цим порожнім простором можна запитати, чому так звані тверді предмети не просто проходять один через одного. Причина, по якій вони цього не роблять, полягає в тому, що електрони, які оточують всі атоми, негативно заряджені, а негативні заряди відштовхують один одного. Коли атом отримує або втрачає електрон, утворюється іон. Іони є зарядженими формами атомів. Позитивно заряджений іон, такий як натрій (Na ⁺), втратив один або кілька електронів. Негативно заряджений іон, такий як хлорид (Cl ^-), отримав один або кілька електронів.

Молекули

Молекули утворюються, коли два або більше атомів з'єднуються між собою через хімічні зв'язки, утворюючи одиницю речовини. Під час вивчення екологічної науки ви зіткнетеся з багатьма молекулами, включаючи газ вуглекислого газу. Його хімічна формула - CO ₂, що вказує на те, що ця молекула складається з одного атома вуглецю та двох атомів кисню. Деякі молекули заряджаються за рахунок містяться в них іонів. Це стосується нітрату (NO ₃ ^-), загального джерела азоту для рослин. Він містить один атом азоту і три атоми кисню, і має загальний заряд негативного.

Ізотопи

Ізотопи - це різні форми елемента, які мають однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів. Деякі елементи, такі як вуглець, калій та уран, мають природні ізотопи. Вуглець-12 містить шість протонів, шість нейтронів і шість електронів; отже, він має масове число 12 (шість протонів і шість нейтронів). Вуглець-14 містить шість протонів, вісім нейтронів і шість електронів; його атомна маса 14 (шість протонів і вісім електронів). Ці дві альтернативні форми вуглецю - ізотопи. Деякі ізотопи можуть випромінювати нейтрони, протони та електрони та досягати більш стабільної атомної конфігурації (нижчий рівень потенційної енергії); це радіоактивні ізотопи або радіоізотопи. Радіоактивний розпад описує втрати енергії, що виникають, коли ядро нестабільного атома вивільняє випромінювання, наприклад, вуглець-14 втрачає нейтрони, щоб в кінцевому підсумку стати вуглецем-12.

Вуглець

Основною функціональною одиницею життя є клітина і всі організми складаються з однієї або декількох клітин. Клітини складаються з багатьох складних молекул, які називаються макромолекулами, таких як білки, нуклеїнові кислоти (РНК та ДНК), вуглеводи та ліпіди. Макромолекули - це підмножина органічних молекул, які особливо важливі для життя. Основним компонентом для всіх цих макромолекул є вуглець. Атом вуглецю має унікальні властивості, які дозволяють йому утворювати ковалентні зв'язки з цілими чотирма різними атомами, що робить цей універсальний елемент ідеальним для того, щоб служити основним структурним компонентом або «основою» макромолекул.

Вуглеводні

Вуглеводні - це органічні молекули, що складаються повністю з вуглецю і водню, таких як метан (CH ₄). Ми часто використовуємо вуглеводні в нашому повсякденному житті як паливо - як пропан у газовому грилі або бутан у запальничці. Багато ковалентні зв'язки між атомами в вуглеводнях зберігають велику кількість енергії, яка виділяється при спалюванні (окисленні) цих молекул. Метан, відмінне паливо, є найпростішою молекулою вуглеводню, з центральним атомом вуглецю, зв'язаним з чотирма різними атомами водню, як показано на малюнку\(\PageIndex{2}\).

Знімок екрана (8) .png — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Метан (CH ₄) має чотиригранну геометрію, причому кожен з чотирьох атомів водню знаходиться на відстані 109,5° один від одного.

Як основа великих молекул живих істот, вуглеводні можуть існувати у вигляді лінійних вуглецевих ланцюгів, вуглецевих кілець або комбінацій обох. Ця тривимірна форма або конформація великих молекул життя (макромолекул) має вирішальне значення для того, як вони функціонують.