trim_c (trim_c) wrote,
trim_c
trim_c

Category:

Химия и жизнь. И Вселенная

Галопом по органике
В школе мы учили органическую химию.
Из школьного курса мы узнали, что главным веществом в органической химии как и в биохимии является углерод. Даже до такой степени, что органическая химия и химия углеродистых соединений считались некогда почти синонимами.

Такому особому положению углерод обязан своей способности к образованию длинных цепочек из атомов углерода, примерно вот так  .

К свободным связям сверху и снизу и к двум по торцам могут цепляться атомы водорода, и тогда образуются типичные углеводороды с формулой С6Н6
Н-(СН2)n-Н,
например так ; если атомов углерода в цепи мало, один-два-три, получим природный газ,

а при длинных цепях получим компоненты нефти бензин и керосин.

Углеродный цепи могут сворачиваться в "кольца" т.е. замкнутые структуры. Бывают они трех, четырех, пяти- и шестиугольные угольные

Как видим в углах конструкции могут стоять не только атомы водорода, но и другие атомы, группы атомов и целые цепи.
Конечно самой знаменитой из замкнутых конструкций в истории и очень распространенной является шестиугольник из атомов углерода с атомами водорода при каждом углероде с чередующимися одинарными и двойными связями, известное бензольное кольцо, которое приснилось Кекуле, с формулой С6Н6 и структурной схемой

Если мы в углеводородной цепи один или несколько атомов водорода заменим группой ОН , получим спирты, а если заменить этой группой атом водорода в бензоле, получим фенол.

Цепи и кольца в различных сочетаниях с кислородом образуют также эфиры, кетоны, альдегиды и органические кислоты. Соединений такого типа очень много, и все это богатство образуется из трех типов атомов: Н С О

И вообще одним прыжком в биохимию
Простые сахара - например глюкоза. Это шестиугольник атомов углерода, к пяти вершинам прицеплена
группа ОН , а к шестой - атом кислорода. Цепляться могут не только гидроксилы, могут цепляться более сложные группы, тогда образуются другие моносахара.
Сахара образуют полимеры, самые известные это крахмал, который мы можем переварить и различные виды клетчатки, которые мы уже переварить не можем. Все это вместе называется углеводы, и состоит из тех трех типов атомов.

Но самое интересное начинается, когда к трем атомам водород, углерод и кислород присоединяется четвертый - азот. Тогда возникают самые главные для жизни вещества: белки и нуклеиновые кислоты.
Белки это полимеры аминокислот
Аминокислот очень много, но земная жизнь использует в основном только двадцать. Аминокислоты образуют длиннющие цепи из многих тысяч компонент, эти цепи в трехмерном мире укладывается в очень сложные пространственные конструкции, которые прежде всего используются как ускорители реакций. Идея - в трехмерной конструкции белка формируется сложный пространственный паз, который подходит к субстратам как замок к ключу. Как видим, участвуют в беках все те же три типа атомов, плюс обязательные атомы азота, плюс иногда сера. В активных центрах ферментов встречаются металлы, например в центре гемоглобина находится железо, встречаются цинк, медь, фосфор, магний - но их количества ничтожны.

Главные носители наследственности РНК и ДНК состоят из сахара, нуклеотида и фосфатной группы, а нуклеотид это один или два цикла, в которых углерод частично заменен азотом.

В общем, получается такая картина. Если разложить земную жизнь, например наше тело, на атомы, то больше всего окажется атомов водорода, раза в два меньше углерода. Дальше идет кислород, но его меньше в разы, еще меньше - азота.

Все остальные элементы присутствуют в очень малых количествах - сравните сколько в день вы съедаете белков, жиров и углеводов, т.е. водорода, углерода, кислорода и азота - а сколько соли. Это соотношение между главными элементами - и натрием. А мы еще соли едим во много раз больше, чем реально нужно, просто она - усилитель вкуса.

В общем два главных плюс два вспомогательных: четыре элемента Н С + О N понадобились природе, чтобы соорудить жизнь на Земле.

А теперь заглянем в мастерскую природы
Когда родилась Вселенная, она состояла их водорода и гелия, причем 90% атомов были водородными. А больше ничего не было. И была Вселенная безвидна и пуста

НО прошло где-то миллионов 70 лет - и загорелись первые звезды. Что очень важно - среди них было много массивных звезд, т.е. таких, что тяжелее Солнца в 8 и более раз. Такие звезды живут по звездным меркам очень недолго, сотни миллионов лет. Сначала в них водород превращается в гелий, а потом в ядре три атома гелия сливаются в один атом - углерода.
Если звезда очень большая, то процесс на этом не останавливается, углерод превращается в кислород, кислород в кремний и серу, а кремний - в железо.

Появление железа означает смерть звезды, потому что железо уже ни во что в ходе ядерных реакций слияния перейти не может. Реакции ядерного синтеза в ядре прекращаются а значит прекращается поток энергии, который удерживал звезду в равновесии, больше нечему противостоять гигантской мощи гравитации - звезда коллапсирует и взрывается сверхновой, выбрасывая в окружающее пространство значительную часть своей массы. А там уже много и углерода и кислорода, да и азот встречается.

Если взрывается звезда по схеме сверхновой II типа, то в образовавшейся туманности кислорода много больше чем углерода - он почти весь превращен на последнем этапе горения звезды.

НО так было только на первом этапе, когда изначально звезды первого поколения содержали только водород и гелий. Звезды следующих поколений формировались из газа, уже обогащенного кислородом и углеродом (кстати, Солнечная система - система третьего и даже отчасти четвертого поколения, наши атомы уже не раз побывали внутри звезды, которая либо взорвалась, либо угасла). К тому же часть менее массивных звезд уже успела догореть до стадии красных гигантов и тихо сбросить свои оболочки без взрыва, обогащая вселенную углеродом, кислородом и азотом.

Итак на сегодня: водород и гелий - это твердые два первых места. Дальше идут в сопоставимых количествах кислород, углерод, неон, азот.

Т.е. что мы имеем? Если исключить гелий и неон, они инертные газы и ни в какие реакции не вступают, то самые распространенные типы атомов в нашей Вселенной - наша великолепная четверка
Н С О N.
Наш мир устроен таким образом, что атомы наиболее необходимые для жизни, какой мы ее знаем, это просто самые распространенные атомы во Вселенной.

Тут хочется сделать паузу и немного подумать.
Наш мозг вообще склонен видеть во всем чей-то направленный умысел, отсюда и возникновение богов молнии, ветра и т.д. и вера в конспирологию. И не удивительно, что первая мысль - мысль о Творце, который специально так устроил мир, чтобы возникла жизнь.

Ответом является "сильный антропный принцип" - миры, организованные иначе, не имеют наблюдателей. Причем ниоткуда не следует, что наша Вселенная единственная, как раз среди теоретиков достаточно модна теория множественности миров, такое получается как следствие некоторых вариантов теории инфляции.

Есть и еще одно соображение - если атомы, необходимые для жизни, Вселенная производит и разбрасывает в изобилии, то по идее и жизнь не должна быть редкостью. И тогда возникает вопрос о парадоксе Ферми - а почему мы нигде не видим следов великих цивилизаций?

Но это уже совсем другая история

Tags: жизнь, проблема, экзожизнь
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 25 comments