WalkInSpace.ru - Статьи - Основы жизни во вселенной - Физико-химическая природа жизни. Часть 1
Главная Новости Форум Поиск



Физико-химическая природа жизни. Часть 1

Только физиология и биофизика не могут дать объяснение жизни. В ее основе есть нечто более высокое. Но реализация жизни происходит через конкретные физические и химические процессы. Они могут быть разными. Жизнь, как храм, состоит из разных кирпичей и строительных блоков.

Специалисты рассматривают разные варианты материальной реализации жизни. Один из них земной. Но он не может считаться единственным. В основу земной жизни положена вода как растворитель. Но эту роль может выполнять аммиак, кремний и другие вещества.

Чтобы что-нибудь понять в этом плане, нам придется окунуться в химию. Конечно, не во всю химию, а только в некоторые ее понятия и положения. Поскольку наши книги рассчитаны на неспециалистов, то мы приведем некоторые сведения, которые взяты из программ средней школы. Но без этих сведений трудно будет понять основной текст.

Начнем с атома. Слово «атом» означает «неделимый». Так оно и есть. Но не совсем. Если уж атом начнет делиться, то прежнее вещество исчезает и появляется новое. Поэтому атом в химическом плане является неделимым. Примитивная конструкция атома напоминает нашу Солнечную систему. В центре находится массивное ядро, вокруг которого на разных орбитах вращаются очень легкие электроны. На самом деле все значительно сложнее. Например, электрон нельзя считать только частицей (шариком). Во многих физических экспериментах он ведет себя как волна. Но для понимания (достаточно наглядного) химических процессов такая модель строения атома вполне пригодна. Нормальный, полноценный атом является электрически нейтральным, то есть, у него нет электрического заряда. А точнее, положительный электрический заряд ядра атома полностью компенсируется отрицательным суммарным электрическим зарядом всех орбитальных электронов. Поэтому в сумме получается нуль. Если же атом не нормальный, то возможны два варианта. В одном из них к атому присоединился один или несколько лишних (избыточных) орбитальных электронов. Тогда суммарный электрический заряд всего атома в целом является отрицательным, поскольку эти избыточные электроны (как и вообще все электроны) заряжены отрицательно. Во втором варианте нормальный атом потерял один или несколько электронов. Тогда будет преобладать положительный электрический заряд ядра. Важно, что заряд электрона строго фиксирован по величине. Он не может быть ни больше, ни меньше этой величины. В природе не встречается ни половины, ни четверти заряда электрона. Вообще любая величина электрического заряда обязана быть кратной величине электрического заряда электрона. Деформированный атом называют ионом. Как мы уже видели, он может быть положительным и отрицательным. Такое состояние атома является ненормальным и недолговечным, потому что в нем положительный заряд не скомпенсирован отрицательным. Кроме того, число орбитальных электронов или больше или меньше нормы. Проходит какое-то время, и ненормальный атом (ион) приходит в нормальное состояние. Для этого он расстается с излишним электроном (или электронами) или же возвращает себе утерянные электроны.

Одной из главных характеристик любого химического элемента является его атомный номер в периодической системе Менделеева. Атомный номер равен положительному электрическому заряду ядра, который выражен в элементарных единицах электричества, то есть в зарядах одного электрона. Для нормального атома атомный номер равен числу орбитальных электронов, вращающихся вокруг ядра. Атомный номер очень важен. Именно он определяет химические свойства атома и вообще данного химического элемента. Самая простая конструкция у атома водорода. Он состоит из одного протона (это ядро) и одного отрицательного электрона, который вращается вокруг этого ядра. Протон тяжелее электрона в 1840 раз. Поэтому в ядре атома и сосредоточена практически вся масса. На долю орбитальных электронов приходится только пренебрежимо малая доля массы атома.

Как электрический заряд атома измеряют в зарядах электрона, так массу атома измеряют в массах протона. Ядро атома водорода состоит из одного протона. Но в ядрах более сложных химических элементов кроме протонов имеются и нейтроны. Это электрически нейтральные протоны. У этих частиц масса равна в точности массе протонов, но у них нет никакого электрического заряда.

Кроме обычного водорода, ядро атома которого состоит из одной частицы (протона), имеется и двойной водород (дейтерий), у которого ядро атома состоит из двух частиц – одного протона и одного нейтрона. Имеется и водород – тритий, у которого в ядре содержатся три частицы – один протон и два нейтрона. Свойства у этих трех разновидностей водорода разные, поскольку их атомные веса разные. У нормального водорода атомный вес равен 1. У дейтерия он равен 2, а у трития – 3. Но это физические свойства. А химические свойства у всех этих разновидностей водорода одинаковые, поскольку у них одинаковый номер в периодической системе Менделеева, то есть у них одинаковое число орбитальных электронов. Такие химические элементы, а точнее – разновидности одного и того же химического элемента называются изотопами («изо» – значит «равный»). Речь идет о равных, одинаковых номерах или, другими словами, о равном числе орбитальных электронов.

Орбитальные уровни вращаются вокруг ядра не так, как им заблагорассудится. Здесь, как и везде в природе, имеются строгие законы, которые нельзя нарушить. Имеются определенные электронные уровни (их еще называют оболочками), на которых может находиться только строго определенное количество электронов. На самой нижней оболочке могут находиться только два электрона. Так, у химического элемента гелия эта оболочка заполнена. У атома гелия два орбитальных электрона. Атомный номер гелия равен двум. Когда заполнена первая оболочка, начинается заселение электронами второй оболочки. Эта оболочка дальше удалена от ядра. Она имеет целых восемь вакансий для электронов. За этими двумя оболочками следуют другие, на которых могут разместиться восемь, восемнадцать, еще раз восемнадцать и тридцать два электрона.

Когда два атома приближаются друг к другу, то на определенном расстоянии они испытывают действие сил сопротивления. Это наступает, когда соприкасаются самые внешние оболочки атомов. Собственно именно эти внешние оболочки с их электронами и определяют химические свойства данного элемента. Так, если внешняя оболочка упакована полностью (заполнена), то атом инертен. Он очень неохотно вступает в различные взаимодействия с другими атомами или молекулами. В обычных условиях такие атомы вообще не образуют соединений. Совсем другое дело, если на внешней оболочке имеются вакансии, то есть свободные места. В этом случае вакансии постараются занять электроны другого, соседнего атома. Здесь работает закон очереди. В новую очередь переходят те, кто находится в хвосте. Поэтому кандидатами на вакантные места являются только электроны, которые находятся на самой внешней оболочке другого атома. Но они при этом поступают очень осмотрительно: занимают вакантные места в не своем атоме, но места в своем атоме не сдают. Так они являются слугами двух господ, а точнее – атомов. Они и связывают эти атомы в единое целое. Это целое, образованное описанным выше способом, называется молекулой.

Способность атома соединяться с водородными атомами или их эквивалентами, называется валентностью. Самая большая нормальная валентность атома определяется числом свободных мест на внешней оболочке, которые он может предоставить другим атомам. Но имеется и другая возможность того, как осуществить связь между атомами. Данный атом может не только предоставить вакансии для электронов других атомов, но он может отдать свои свободные электроны ради такой связи. Это тоже валентность, то есть связь. Она определяется числом тех электронов, которые атом может отдать для заполнения свободных мест во внешних оболочках других атомов. На практике самая большая (максимальная) валентность может и не быть достигнута. Валентность никогда не превышает восьми.

Важно подробнее рассмотреть связи углерода. Он имеет четыре электрона на внешней оболочке. Заполненной эта оболочка становится только при восьми. Это значит, что число электронов, которое может принять или отдать атом углерода, в обоих случаях равно четырем. Это свойство атомов водорода принципиально важно. Благодаря ему атомы углерода легко соединяются друг с другом в цепочки. Благодаря этому именно углерод занимает исключительное место в химии земной жизни. У других элементов все по-другому. Так, азот имеет на внешней оболочке три свободных места и пять электронов. Это значит, что его валентность равна соответственно трем или пяти. Связь между атомами может осуществляться одним или несколькими электронами. В первом случае связь является одиночной. Если связь осуществляют два электрона, то связь называют двойной, и т. д.

Прочность созданной таким путем связи зависит от того, как много надо затратить энергии для того, чтобы эту связь разорвать. На научном языке это значит, что прочность связи зависит от относительных электрических потенциалов соединяющихся атомов. Потенциал – это возможность, способность.

Мы описали наиболее распространенные связи между атомами. Но имеются и более слабые связи. Например, когда единственный орбитальный электрон атома водорода присоединяется к другому атому, то с противоположной стороны вблизи ядра возникает небольшой местный избыток положительного заряда. А это открывает возможность установления нового типа связи между атомами. Она более слабая, чем связь путем обмена электронами.

Когда атомы благодаря описанным возможностям объединяются, то они образуют соединения. В соединения могут входить атомы одного химического элемента, или же они состоят из атомов различных элементов. Легче всего одному атому зацепиться за другой в том случае, если они дальше находятся друг около друга. Кроме того, соединение создается легче, если атомы находятся ближе друг к другу. Сточки зрения физики это означает, что чем выше температура, тем этот процесс идет медленнее. Это и понятно – чем выше температура, тем с большими скоростями носятся атомы и молекулы. Температура и определяется через скорость движения атомов и молекул. Кроме того, чем больше давление, то есть чем плотнее прижаты друг к другу атомы, тем процесс идет быстрее. Таким образом, с понижением температуры и с увеличением давления количество возможных соединений увеличивается. При этом речь не идет о столь высоких давлениях, при которых уже начинают разрушаться сами атомы и молекулы. Если же температура очень высокая, как в атмосферах горячих звезд и горячих диффузных туманностях, никакие химические соединения образоваться не могут. Каждый отдельный атом носится сам по себе, и ему не дают возможности соединиться с соседним атомом. Поэтому в атмосферах горячих звезд могут существовать только одноатомные газы. Но если температура понижается и атомы двигаются с меньшей скоростью, у них появляется возможность и время организовать с соседями некие конструкции, соединения. Самой простой такой конструкцией является молекула. В ней связь между отдельными атомами очень сильная. Если температура достаточно высокая, то есть скорости движения атомов большие, то слабая конструкция тут же развалится и атомы разбегутся в разные стороны. Молекула же является конструкцией с сильными связями, и она до определенной температуры остается целой. Чем ниже температура, тем больше возможностей у атомов образовывать различные соединения. Кроме молекул обычных образуются более сложные соединения с большим молекулярным весом и более слабыми связями.

В качестве примера можно взять кислород. Его атомы могут соединяться друг с другом и при этом образовывать конструкции, состоящие из двух атомов (О2), трех атомов (О3) – это озон, четырех атомов (О4). Они могут образовывать конструкции и с другими химическими элементами. Когда атом кислорода соединяется с атомом углерода, образуется окись углерода СО. Это ненасыщенное соединение с двумя свободными валентностями. Другими словами, здесь открыт путь еще для двух участников, которые могут войти в эту корпорацию. Если все вакансии (валентности) заняты, то соединение считают насыщенным, спроса на участников больше нет. Примером такой конструкции является соединение СО2, в котором все валентности заняты. Нельзя говорить о проблемах жизни и вообще Земли, не упомянув о СО2.

Каждый газ обладает своими особыми возможностями и свойствами. Так, атомы каждого газа объединяются в сложные конструкции при определенной температуре. Эту температуру называют критической. Если температура становится ниже критической для данного газа, то его атомы и молекулы начинают объединяться в более крупные конструкции. Если температура выше критической, то газ является паром. Если температура ниже критической, а давление достаточно высокое, то часть газа-пара переходит в жидкое состояние, начинает конденсироваться. При температуре выше критической это не может произойти, несмотря на очень высокое давление. Дело в том, что газ превращается в жидкость тогда, когда внешнее давление больше собственного давления газа-пара. А это давление зависит от температуры. Если же повышать температуру при постоянном давлении, которое равно нормальному атмосферному давлению (760 мм рт. ст.), то при определенной температуре вся жидкость превратится в пар. Эта температура и называется точкой кипения данного вещества при атмосферном давлении. Можно говорить, что эта температура является точкой сжижения. Совершенно ясно, что для каждого химического элемента эта точка кипения (сжижения) разная по величине температуры.

Поведение жидкости отличается от поведения газов. Молекулы в жидкости также образуют конструкции. Но они очень напоминают кристаллы, в которых не все направления равноправны, равнозначны. Там имеется очень много направлений пониженной прочности. Поэтому кристалл рвется, деформируется, и жидкость течет. Если бы эта прочность была больше, то кристалл оставался бы кристаллом. Эта прочность достигается при дальнейшем понижении температуры. Так можно достичь определенной температуры (для каждой жидкости разной), при которой жидкость превращается в настоящие, крепкие кристаллы. Жидкость переходит в твердую фазу, она замерзает. Эта температура называется точкой замерзания. Точка замерзания (плавления) для каждого вещества своя. Эта температура зависит от давления, хотя и очень слабо.

В газообразном состоянии атомы движутся с большой скоростью, то есть они обладают большой кинетической энергией. Когда газ превращается в жидкость, то скорости движения атомов и молекул значительно уменьшаются, то есть, уменьшается их кинетическая энергия. Она еще больше уменьшается, когда жидкость переходит в твердую фазу. Но энергия исчезать и возникать не может. Она всегда сохраняется постоянной в сумме и может только переходить из одного вида в другой. В случае превращения газа в жидкость лишняя энергия выделяется в виде тепла. То же самое происходит при превращении жидкости в твердое тело. Но если вы хотите осуществить обратное превращение – твердое тело (лед) превратить в жидкость (воду), а воду в пар, вы должны эту выделенную теплоту вернуть веществу обратно. Как видите, в природе законы выполняются в полной мере, и никто не может их обойти. Очень важно то, что когда вы возвращаете льду тепло, чтобы он снова мог превратиться в воду, которой он уже был, то температура льда не повышается. Лед использует возвращаемую ему энергию (теплоту) строго по назначению – на переход в жидкое состояние. И только после того, как весь лед превратиться в воду, поступающую к нему (к ней) энергию в виде тепла он использует на повышение температуры.

Любое структурное изменение вещества, физическое или химическое, всегда связано с энергией. Оно при этом или выделяется, или поглощается. Это тепловая энергия. Наиболее частые физические структурные превращения – это затвердевание и плавление, а также испарение и сжижение (конденсация).

В природе все строго определено. Так, та теплота, которая поглощается веществом и идет на превращение одной фазы данного вещества в другую, остается в пересчете на один грамм данного вещества строго постоянной. Эту теплоту называют скрытой, поскольку ее введение в вещество не вызывает увеличения температуры. Она как будто не проявляет своего присутствия через видимое увеличение температуры. В качестве примера можно указать, что на превращение одного грамма воды в пар при температуре 100 °C требуется 539 калорий. Справедливо обратное – при превращении одного грамма пара в воду (путем конденсации) выделяется в точности такое же количество тепловой энергии.

Для Земли и человека вода – самое главное. Благодаря указанному свойству воды и сохраняется неизменным или маломеняющимся тепловое состояние планеты. Значит, вода стабилизирует климат Земли. Это мы подробно рассмотрели в книге «Озонные дыры и гибель человечества?».

Любопытно, что переход вещества из одного фазового состояния в другое может быть задержан. Так, можно задержать кристаллизацию в переохлажденной жидкости. Известно, что переохлажденная жидкость с понижением температуры становится все плотнее и плотнее. Но при этом она все же не превращается в твердое тело в собственном смысле этого слова. Как ни странно это звучит, такой переохлажденной жидкостью является стекло. Стекло течет, это доказывает то, что старинные оконные стекла внизу толще, чем в верхней части. Собственно, переохлажденная жидкость отличается от твердого тела тем, что она не имеет четко выраженной точки (температуры) плавления. Когда переохлажденная жидкость поглощает тепло, она не переходит в жидкое нормальное состояние резко, а постепенно размягчается. Что же касается истинных твердых тел, то они бывают макро – и микрокристаллическими. В микрокристаллических твердых телах кристаллы слишком малы, для того чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.

Когда образуются кристаллы, то молекулярные структуры в них исчезают. При этом атомы образуют сравнительно крупную решетку. Это можно видеть на рисунке 1, где изображено вольфрамовое острие диаметром около 150 ангстрем. Один ангстрем равен одной стотысячной доле миллиметра. Кристаллическая решетка может меняться в зависимости от давления и температуры. Примером разных кристаллических решеток могут служить алмаз и графит, которые являются модификациями углерода.

Обычная соль NaCl состоит из кристаллов, в которых атомы образуют правильную решетку. Сейчас такие решетки изучают с помощью электронного микросита. Силикаты образуют самые различные кристаллы весьма сложной структуры. В определенных условиях кристаллы любого вещества имеют строго определенную форму. Это напоминает живой организм. В сущности, они тоже растут, пристраивая к своей поверхности новые решетки из молекул, которые они извлекают из окружающей среды. Этот процесс очень непростой. Он создает сам себя (растет) из материала, который содержится в окружающей среде. Поэтому и возникает аналогия между кристаллом и живым веществом. Когда органическая молекула действует как шаблон при самокопировании или самовоспроизведении, то происходит точно такой же процесс. Ведь кристаллизация родственна химическому процессу полимеризации, при котором одинаковые молекулы соединяются в цепочки большого молекулярного веса. Вполне можно рассматривать кристалл как одну молекулу полимера.

Простой вариант полимеризации реализуется, когда сложные молекулы образуются из атомов одного сорта. Мы говорили о кислороде в виде О, О2, О3 и О4. Формально это можно считать начальной стадией кристаллизации. Она не имеет своего продолжения только потому, что температура для этого очень высокая, а давление слишком мало. Уникальным является углерод. Его атомы способны объединяться друг с другом и образовывать цепочки. Можно сказать, что органическая химия является химией углерода. Если к углероду добавить его соединения с водородом, то получается практически вся органическая химия. Да, собственно, деление химии на органическую и неорганическую весьма условно и не всегда целесообразно. Правда, с точки зрения решения проблемы жизни на Земле такое деление себя оправдывает.

К проблеме жизни причастна органическая химия. Суть органической химии начинают изучать с парафинового ряда углеводородов. Это СН4, С2Н6, С4Н10… СnH2n+2. Записанные формулы изображают в следующем виде:

Бутан и изобутан имеют одинаковую формулу С4Н10. Они отличаются только пространственным расположением атомов в молекуле и своими свойствами. Свойства их настолько разнятся, что их можно считать разными веществами. Их называют изомерами. Что касается парафинов, то это простейшие углеводороды. Это соединения с цепным строением. В них повторяется группа атомов с двумя свободными валентностями, которые способны образовывать связи.

Пропан С3Н8 может быть записан как сумма Н + СН2 + СН2 + СН2 + Н. Этан С2Н6 образуется при полимеризации двух метиловых групп СН3. Каждая из этих групп имеет одну свободную валентность.

Другие углеводороды и органические соединения можно получить из парафинов. Для этого надо Н и СН заменить другими атомами или их группами (их радикалами). Кроме того, надо осуществить структурную перестройку. Углерод кроме цепочки может образовывать кольца. Это мы наблюдали в циклических углеводородах.

. В органических соединениях бензольные кольца появляются в разных комбинациях и с разными замещениями. Собственно, сами углеводороды обычно не присутствуют в живых тканях. Они появляются главным образом в продуктах распада живых тканей. Да и для синтеза углеводородов биологические процессы не нужны, а точнее, не являются обязательными. Так, углеводороды образуются, например, при вулканической деятельности. Но, тем не менее, углеводороды являются тем стержнем, вокруг которого построено вещество жизни. Можно сказать, что жизнь начинается с углеводов, в которых углерод входит в соединение с составными частями молекулы воды, то есть с двумя атомами водорода и одним атомом кислорода.

Химия – наука о растворах, и прежде всего о водных растворах. В идеальном растворе вещество распределено в виде отдельных молекул. Исключение составляют коллоидные растворы. В них растворенное вещество взвешено в виде частичек вещества. Эти частички настолько малы, что способны реагировать на удары отдельных молекул. Именно удары отдельных молекул и поддерживают частички вещества во взвешенном состоянии. Эти взвешенные частицы можно отфильтровать фильтром из пергамента или с помощью другой диа-литической мембраны. Кроме коллоидных растворов имеются и суспензии. Но в суспензиях частички вещества побольше, поэтому они оседают под действием силы тяжести. Удары молекул не в состоянии предотвратить этот процесс.

Вода как растворитель образует ионные растворы. В них молекулы растворенного вещества расщеплены на электрически заряженные группы атомов или на ионы. Ион – это атом, у которого есть электрический заряд. Если у атома не хватает одного или больше орбитальных электронов, то он заряжен положительно, то есть является положительным ионом. Если же у атома имеется лишний орбитальный электрон, то он заряжен отрицательно, то есть является отрицательным ионом. Положительно заряженный атом еще называют катионом, а отрицательно заряженный – анионом. Отсюда происходят «катод» и «анод». Как это ни парадоксально звучит, но вода растворяется сама в себе, поскольку часть молекул воды диссоциирует (расщепляется) на две части – положительно заряженный ион Н+ и отрицательно заряженный ион НО – . Н+ – это протон, то есть ядро обычного водорода. Это ядро потеряло свой орбитальный электрон, поскольку он «прилип» к молекуле ОН, которая стала отрицательно заряженной. ОН – еще называют гидроксилом.

После того как молекулы воды разорвались на ионы, она стала более активной. Ведь электрически заряженные частицы более активны, чем нейтральные.

Если вещество, растворяясь в воде, образует положительный ион Н+, то есть протон, то это вещество называют кислотой. То вещество, которое при растворении в воде образует отрицательно заряженный гидроксил ОН – , называют основанием. Поскольку вода дает и то, и другое, то она одновременно является и кислотой и основанием. Правда, вода – это кислота очень сильная и одновременно очень слабое основание. А в целом плюс компенсирует минус, поэтому вода в целом остается нейтральной. Но, тем не менее, она проявляет свои свойства кислоты и свойства основания в том, что способна расщеплять молекулы некоторых соединений путем гидролиза. При этом вода действует в валентном отношении двойственно: по отношению к одной группе атомов в соединении вода действует как кислота, а по отношению к другой группе атомов в соединении – как основание.


WalkInSpace.Ru

Правила:

«Путешествие в космос» © 2018

Использование материалов допускается при условии указания авторства WalkInSpace.ru и активной ссылки на www.WalkInSpace.ru.

Используются технологии uCoz


Яндекс.Метрика