اهمیت اتم ها و مولکول ها در اخترزیست
نیلوفر ترکزاده( دانشجو کارشماسی ارشد بیوشیمی; دانشگاه ازاد واحد فلاورجان اصفهان )
چکیده
از سطح شیمیایی مولکول کلروفیل شروع می کنیم تا به مرحله ی ساختار برگ گیاه برسیم. در ساختار کلروفیل پنج نوع اتم وجود دارد. در ساختار کلروفیل پنج نوع اتم وجود دارد. کلروفیل به خودی خود تنها قدم های اولیه ی فتوسنتز را اجرا می کند. اجرای کامل این فرآیند نیازمند صف آرایی بسیاری از مولکول هایی است که با یکدیگر و همراه کلروفیل کار می کنند. کلروپلاست ها و سایر ساختارهایی که عملی را در سلول انجام می دهند اندامک نام دارند. می دانیم که حیات، ترکیبی از مواد است. منظور از ماده هر چیزی است که فضایی را اشغال می کند و جرمی دارد. اتم ها اجزایی بسیار کوچکی هستند که مولکول ها را می سازند. عملکرد هر مولکول بستگی به اتم های سازنده ی آن اعم از نوع اتم ها، تعداد و طرز قرارگیری آن ها دارد و کلروفیل هم از این قائده مستنی نیست.
اتم ها و مولکول ها
هر زمان سیستمی زیستی را تجربه کنیم، در پایان به سطح شیمیایی می رسیم. در این نوشته اول از سطح شیمیایی مولکول کلروفیل شروع می کنیم تا به مرحله ی ساختار برگ گیاه برسیم. اگر شما طرح شیمیایی مولکول کلروفیل را ببینید متوجه می شوید که در ساختار کلروفیل پنج نوع اتم وجود دارد: کربن=C ، هیدروژن=H ، اکسیژن=O ، نیتروژن= N ، منیزیم=Mg. طرح شیمیایی زیر اطلاعاتی را در مورد قرارگیری دقیق اتم های کلروفیل ارائه می دهند که باعث شده است، تا این مولکول بتواند نور خورشید را جذب کند. کلروفیل به خودی خود تنها قدم های اولیه ی فتوسنتز را اجرا می کند. اجرای کامل این فرآیند نیازمند صف آرایی بسیاری از مولکول هایی است که با یکدیگر و همراه کلروفیل کار می کنند. این مولکول ها، همه درون کلروپلاست هستند، اندامک هایی که درون بعضی سلول های گیاه وجود دارد، از کلروپلاست است. توانایی کلروپلاست در فتوسنتز به تمامی مولکول هایی که در آن وجود دارند بستگی دارد. وقتی به سلول گیاهی نگاه می کنیم به شکل چند ضلعی هستند که درون این سلول ها می توانیم کلروپلاست ها را ببینیم. این اندامک ها شبیه کره های کوچکی هستند. کلروپلاست ها و سایر ساختارهایی که عملی را در سلول انجام می دهند اندامک نام دارند. هر کدام از این سلول های گیاهی، به عنوان یک واحد زنده عمل می کند و زندگی آن ها مرهون همکاری بین کلروپلاست ها و سایر اندامک ها می باشد. در بین خود سلول ها نیز نوعی همکاری وجود دارد. سلول ها در کنار یکدیگر به عنوان یک بافت فعالیت می کنند. عمل اصلی این بافت فتوسنتز می باشد. نهایتا به ساختار برگ می رسیم که یکی از اندام های گیاه است. برگ از بافت های متفاوتی تشکیل شده است که شامل: بافت فتوسنتز کننده، بافت اپی درم و بافت هادی می باشد. بافت هادی، آب مورد نیاز برای فتوسنتز را از ریشه ها به برگ ها منتقل می کند. برگ نمی تواند به تنهایی برای مدت طولانی به فتوسنتز ادامه دهد و برای این کار به کمک ریشه ها و تنه احتیاج دارد، که این ها خود از اندام های گیاه می باشند. تمامی اندام ها به صورت هماهنگ با یکدیگر فعالیت می کنند. می توانیم این مثال را تا مرحله ی کلیه ی اندام های گیاه توسعه دهیم پس اکنون می توانیم به مسائل اساسی حیات نگاهی دقیق تر داشته باشیم و می دانیم که پایه و اساس موجودات زنده از واحدهای شیمیایی تشکیل شده است.
در حدود 25 عنصر شیمیایی برای حیات ضروری اند
می دانیم که حیات، ترکیبی از مواد است. منظور از ماده هر چیزی است که فضایی را اشغال می کند و جرمی دارد. مواد مختلف مثل چوب، فلز، خرده سنگ و هوا، همه ی این ها از عناصر شیمیایی تشکیل شده اند. عنصر یعنی ماده ای که قابل تجزیه شدن به ماده ی شیمیایی دیگر نباشد. شیمی دانان 92 عنصر را در طبیعت شناسایی کرده اند مثل طلا، مس، کربن و اکسیژن. حدود دوازده عنصر دیگر در آزمایشگاه ساخته شده است. هر عنصر نشانه ای دارد که معمولا حرف اول یا دو حرف اول نام انگلیسی، آلمانی و یا لاتین آن عنصر می باشد. معمولا 25 عنصر از 92 عنصر طبیعی، برای حیات لازم هستند. 4 نوع عنصر اکسیژن، کربن، هیدروژن و نیتروژن، تقریبا 96% وزن بدن انسان را تشکیل می دهند و برای حیات بسیار مهم هستند. 4% باقی مانده شامل کلسیمCa ، فسفرP ، پتاسیمK ، گوگردS می باشد که اینها از عناصر کمیاب هستند و برای برخی از دستگاه های بدن ضروری می باشند. ولی باید توجه داشت که میزان آن ها بسیار اندک است. برخی از این عناصر، مانند آهن برای تمامی جانداران مورد نیاز هستند، ولی برخی عناصر فقط برای گونه های خاصی احتیاج می باشند. مثلا انسان به طور متوسط روزانه به مقدار 5/1 میلی گرم ید نیاز دارد کمبود آن باعث می شود غده ی تیروئید به شکل معمول خود کار نکند، و باعث بزرگ شدن غیر عادی این غده می شود به آن گواتر می گویند از طرفی مقدار زیاد ید هم می تواند باعث گواتر شود. مثال برای گیاه می دانیم که منیزیم در مرکز سر مولکول کلروفیل جای دارد، پس این عنصر برای فتوسنتز بسیار حائز اهمیت است. گیاهی که در فقر این عنصر حیاتی باشد، قطعا نمی تواند غذای کافی برای زنده ماندن تولید کند
عناصر می توانند با یکدیگر ترکیب شده و ترکیبات مختلف را به وجود آورند.
کلروفیل یک ترکیب است، ماده ای که از دو یا چند عنصر با نسبت های معین تشکیل شده است. ترکیبات فراوان تر از عناصر خالص است. در واقع فقط تعداد کمی از عناصر به شکل خالص در طبیعت پیدا می شوند. بسیاری از ترکیبات تنها از دو عنصر سدیم Na و کلرC و به نمک طعام (سدیم کلرید NaC ) تنها دو عنصر سدیم و کلر و به نسبت مساوی تشکیل شده است. در عوض بیشتر ترکیباتی که در موجودات زنده وجود دارند از سه یا چهار عنصر مختلف تشکیل شده اند که اساسا شامل کربن، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن می باشند. کلروفیل از قرارگیری متفاوت اتم ها در کنار یکدیگر می تواند خواص منحصر بفردی به ترکیبات بدهد.
اتم ها از پروتون، نوترون و الکترون تشکیل شده اند
هر عنصر از یک نوع اتم تشکیل شده است که با اتم عناصر دیگر متفاوت می باشد. اتم از لغتی یونانی به معنای دیده نشدنی منشا گرفته است و کوچک ترین واحدی است که دارای خواص عنصر مورد نظر می باشد. فیزیکداناناتم را به بیش از صد ذره ی زیراتمی تقسیم کرده اند. با وجود این، برای درک ابتدایی از اتم، فقط به سه نوع از این ذرات زیر اتمی می پردازیم پروتون، الکترون و نوترون.
پروتون یکی از ذرات زیر اتمی است که دارای یک بار الکتریکی مثبت می باشد. الکترون یکی دیگر از ذرات زیر اتمی می باشد که دارای یک بار الکتریکی منفی است. میزان بار الکتریکی پروتون و الکترون با یکدیگر برابر است. بارهای مخالف ( مثبت و منفی) یکدیگر را جذب می کنند. نوع سوم از ذرات زیراتمی نوترون است. این ذره از لحاظ الکتریکی خنثی است. وقتی دو نوترون و دو پروتون در مرکز یک اتم تجمع پیدا می کنند به ان هسته ی اتم می گویند. دو الکترون که بسیار کوچک تر از ذرات هسته ای اتم هستند، در اطراف هسته با سرعتی نزدیک به سرعت نور گردش می کنند. جاذبه ای که میان بار مثبت پروتون ها و بار منفی الکترون ها به وجود می آید، باعث می شود تا الکترون ها نزدیک هسته باقی بمانند و از آن دور نشوند. عناصر مختلف، دارای تفاوت در تعداد هر یک از ذرات زیر اتمی در اتم های خود هستند. تمامی اتم های یک عنصر، دارای تعداد پروتون های برابری هستند. این تعداد را عدداتمی عنصر می نامند. پس این عدد اتمی هلیوم 2 می باشد چون دارای 2 عدد پروتون است. عدد اتمی اتم کربن با 6 عدد پروتون، برابر 6 می باشد. وقتی در اتمی تعداد الکترون ها با پروتون ها برابر باشد،ئ اصلاحا می گوئیم که اتم خنثی است یعنی مجموع بار الکتریکی آن صفر می باشد. به جز عدد اتمی، شناسه ی دیگری برای اتم وجود دارد که عدد جرمی نامیده می شود و عبارت است از مجموعه تعداد پروتون ها و نوترون ها. عدد جرمی هلیوم 4 می باشد، در صورتی که عدد جرمی اتم کربن 12 است. قسمت اعظم جرم اتم مربوط به هسته و یا پروتون ها و نوترون های اتم می باشد. جرم الکترون در مقابل جرم هسته ی اتم بسیار بسیار ناچیز می باشد و جرم الکترون تقریبا برابر 1 ÷2000 جرم پروتون می باشد. پس جرم اتم، تقریبا برابر عددجرمی ان است. وزن اتمی عناصر شامل جرم اتم های مختلف تشکیل دهنده ی آن می باشد به عنوان مثال وزن اتمی هلیوم برابر 4 است. بعضی از عناصر شکل های گوناگونی دارند که به آن ها ایزوتوپ می گویند. تعداد الکترون ها و پروتون ها در ایزوتوپ ها با یکدیگر برابر هستند. پس خواص شیمیایی یکسانی با هم دارند، ولی تعداد نوترون ها در ایزوتوپ ها متفاوت می باشد. و این باعث شده تا ایزوتوپ ها خاصیت فیزیکی متفاوتی پیدا کنند.
منابع
1: DasSarma, S., DasSarma, P., Laye, V. J., & Schwieterman, E. W. (2020). Extremophilic models for astrobiology: haloarchaeal survival strategies and pigments for remote sensing. Extremophiles, 24(1), 31-41.
2: Irwin, L. N., & Schulze-Makuch, D. (2020). The Astrobiology of Alien Worlds: Known and Unknown Forms of Life. Universe, 6(9), 130.
3: Cottin, H., Kotler, J. M., Bartik, K., Cleaves, H. J., Cockell, C. S., De Vera, J. P. P., ... & Westall, F. (2017). Astrobiology and the possibility of life on Earth and elsewhere…. Space Science Reviews, 209(1), 1-42.
پیشنهاد آموزشی پژوهشی:
نیلوفر ترکزاده( دانشجو کارشماسی ارشد بیوشیمی; دانشگاه ازاد واحد فلاورجان اصفهان )
چکیده
از سطح شیمیایی مولکول کلروفیل شروع می کنیم تا به مرحله ی ساختار برگ گیاه برسیم. در ساختار کلروفیل پنج نوع اتم وجود دارد. در ساختار کلروفیل پنج نوع اتم وجود دارد. کلروفیل به خودی خود تنها قدم های اولیه ی فتوسنتز را اجرا می کند. اجرای کامل این فرآیند نیازمند صف آرایی بسیاری از مولکول هایی است که با یکدیگر و همراه کلروفیل کار می کنند. کلروپلاست ها و سایر ساختارهایی که عملی را در سلول انجام می دهند اندامک نام دارند. می دانیم که حیات، ترکیبی از مواد است. منظور از ماده هر چیزی است که فضایی را اشغال می کند و جرمی دارد. اتم ها اجزایی بسیار کوچکی هستند که مولکول ها را می سازند. عملکرد هر مولکول بستگی به اتم های سازنده ی آن اعم از نوع اتم ها، تعداد و طرز قرارگیری آن ها دارد و کلروفیل هم از این قائده مستنی نیست.
اتم ها و مولکول ها
هر زمان سیستمی زیستی را تجربه کنیم، در پایان به سطح شیمیایی می رسیم. در این نوشته اول از سطح شیمیایی مولکول کلروفیل شروع می کنیم تا به مرحله ی ساختار برگ گیاه برسیم. اگر شما طرح شیمیایی مولکول کلروفیل را ببینید متوجه می شوید که در ساختار کلروفیل پنج نوع اتم وجود دارد: کربن=C ، هیدروژن=H ، اکسیژن=O ، نیتروژن= N ، منیزیم=Mg. طرح شیمیایی زیر اطلاعاتی را در مورد قرارگیری دقیق اتم های کلروفیل ارائه می دهند که باعث شده است، تا این مولکول بتواند نور خورشید را جذب کند. کلروفیل به خودی خود تنها قدم های اولیه ی فتوسنتز را اجرا می کند. اجرای کامل این فرآیند نیازمند صف آرایی بسیاری از مولکول هایی است که با یکدیگر و همراه کلروفیل کار می کنند. این مولکول ها، همه درون کلروپلاست هستند، اندامک هایی که درون بعضی سلول های گیاه وجود دارد، از کلروپلاست است. توانایی کلروپلاست در فتوسنتز به تمامی مولکول هایی که در آن وجود دارند بستگی دارد. وقتی به سلول گیاهی نگاه می کنیم به شکل چند ضلعی هستند که درون این سلول ها می توانیم کلروپلاست ها را ببینیم. این اندامک ها شبیه کره های کوچکی هستند. کلروپلاست ها و سایر ساختارهایی که عملی را در سلول انجام می دهند اندامک نام دارند. هر کدام از این سلول های گیاهی، به عنوان یک واحد زنده عمل می کند و زندگی آن ها مرهون همکاری بین کلروپلاست ها و سایر اندامک ها می باشد. در بین خود سلول ها نیز نوعی همکاری وجود دارد. سلول ها در کنار یکدیگر به عنوان یک بافت فعالیت می کنند. عمل اصلی این بافت فتوسنتز می باشد. نهایتا به ساختار برگ می رسیم که یکی از اندام های گیاه است. برگ از بافت های متفاوتی تشکیل شده است که شامل: بافت فتوسنتز کننده، بافت اپی درم و بافت هادی می باشد. بافت هادی، آب مورد نیاز برای فتوسنتز را از ریشه ها به برگ ها منتقل می کند. برگ نمی تواند به تنهایی برای مدت طولانی به فتوسنتز ادامه دهد و برای این کار به کمک ریشه ها و تنه احتیاج دارد، که این ها خود از اندام های گیاه می باشند. تمامی اندام ها به صورت هماهنگ با یکدیگر فعالیت می کنند. می توانیم این مثال را تا مرحله ی کلیه ی اندام های گیاه توسعه دهیم پس اکنون می توانیم به مسائل اساسی حیات نگاهی دقیق تر داشته باشیم و می دانیم که پایه و اساس موجودات زنده از واحدهای شیمیایی تشکیل شده است.
در حدود 25 عنصر شیمیایی برای حیات ضروری اند
می دانیم که حیات، ترکیبی از مواد است. منظور از ماده هر چیزی است که فضایی را اشغال می کند و جرمی دارد. مواد مختلف مثل چوب، فلز، خرده سنگ و هوا، همه ی این ها از عناصر شیمیایی تشکیل شده اند. عنصر یعنی ماده ای که قابل تجزیه شدن به ماده ی شیمیایی دیگر نباشد. شیمی دانان 92 عنصر را در طبیعت شناسایی کرده اند مثل طلا، مس، کربن و اکسیژن. حدود دوازده عنصر دیگر در آزمایشگاه ساخته شده است. هر عنصر نشانه ای دارد که معمولا حرف اول یا دو حرف اول نام انگلیسی، آلمانی و یا لاتین آن عنصر می باشد. معمولا 25 عنصر از 92 عنصر طبیعی، برای حیات لازم هستند. 4 نوع عنصر اکسیژن، کربن، هیدروژن و نیتروژن، تقریبا 96% وزن بدن انسان را تشکیل می دهند و برای حیات بسیار مهم هستند. 4% باقی مانده شامل کلسیمCa ، فسفرP ، پتاسیمK ، گوگردS می باشد که اینها از عناصر کمیاب هستند و برای برخی از دستگاه های بدن ضروری می باشند. ولی باید توجه داشت که میزان آن ها بسیار اندک است. برخی از این عناصر، مانند آهن برای تمامی جانداران مورد نیاز هستند، ولی برخی عناصر فقط برای گونه های خاصی احتیاج می باشند. مثلا انسان به طور متوسط روزانه به مقدار 5/1 میلی گرم ید نیاز دارد کمبود آن باعث می شود غده ی تیروئید به شکل معمول خود کار نکند، و باعث بزرگ شدن غیر عادی این غده می شود به آن گواتر می گویند از طرفی مقدار زیاد ید هم می تواند باعث گواتر شود. مثال برای گیاه می دانیم که منیزیم در مرکز سر مولکول کلروفیل جای دارد، پس این عنصر برای فتوسنتز بسیار حائز اهمیت است. گیاهی که در فقر این عنصر حیاتی باشد، قطعا نمی تواند غذای کافی برای زنده ماندن تولید کند
عناصر می توانند با یکدیگر ترکیب شده و ترکیبات مختلف را به وجود آورند.
کلروفیل یک ترکیب است، ماده ای که از دو یا چند عنصر با نسبت های معین تشکیل شده است. ترکیبات فراوان تر از عناصر خالص است. در واقع فقط تعداد کمی از عناصر به شکل خالص در طبیعت پیدا می شوند. بسیاری از ترکیبات تنها از دو عنصر سدیم Na و کلرC و به نمک طعام (سدیم کلرید NaC ) تنها دو عنصر سدیم و کلر و به نسبت مساوی تشکیل شده است. در عوض بیشتر ترکیباتی که در موجودات زنده وجود دارند از سه یا چهار عنصر مختلف تشکیل شده اند که اساسا شامل کربن، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن می باشند. کلروفیل از قرارگیری متفاوت اتم ها در کنار یکدیگر می تواند خواص منحصر بفردی به ترکیبات بدهد.
اتم ها از پروتون، نوترون و الکترون تشکیل شده اند
هر عنصر از یک نوع اتم تشکیل شده است که با اتم عناصر دیگر متفاوت می باشد. اتم از لغتی یونانی به معنای دیده نشدنی منشا گرفته است و کوچک ترین واحدی است که دارای خواص عنصر مورد نظر می باشد. فیزیکداناناتم را به بیش از صد ذره ی زیراتمی تقسیم کرده اند. با وجود این، برای درک ابتدایی از اتم، فقط به سه نوع از این ذرات زیر اتمی می پردازیم پروتون، الکترون و نوترون.
پروتون یکی از ذرات زیر اتمی است که دارای یک بار الکتریکی مثبت می باشد. الکترون یکی دیگر از ذرات زیر اتمی می باشد که دارای یک بار الکتریکی منفی است. میزان بار الکتریکی پروتون و الکترون با یکدیگر برابر است. بارهای مخالف ( مثبت و منفی) یکدیگر را جذب می کنند. نوع سوم از ذرات زیراتمی نوترون است. این ذره از لحاظ الکتریکی خنثی است. وقتی دو نوترون و دو پروتون در مرکز یک اتم تجمع پیدا می کنند به ان هسته ی اتم می گویند. دو الکترون که بسیار کوچک تر از ذرات هسته ای اتم هستند، در اطراف هسته با سرعتی نزدیک به سرعت نور گردش می کنند. جاذبه ای که میان بار مثبت پروتون ها و بار منفی الکترون ها به وجود می آید، باعث می شود تا الکترون ها نزدیک هسته باقی بمانند و از آن دور نشوند. عناصر مختلف، دارای تفاوت در تعداد هر یک از ذرات زیر اتمی در اتم های خود هستند. تمامی اتم های یک عنصر، دارای تعداد پروتون های برابری هستند. این تعداد را عدداتمی عنصر می نامند. پس این عدد اتمی هلیوم 2 می باشد چون دارای 2 عدد پروتون است. عدد اتمی اتم کربن با 6 عدد پروتون، برابر 6 می باشد. وقتی در اتمی تعداد الکترون ها با پروتون ها برابر باشد،ئ اصلاحا می گوئیم که اتم خنثی است یعنی مجموع بار الکتریکی آن صفر می باشد. به جز عدد اتمی، شناسه ی دیگری برای اتم وجود دارد که عدد جرمی نامیده می شود و عبارت است از مجموعه تعداد پروتون ها و نوترون ها. عدد جرمی هلیوم 4 می باشد، در صورتی که عدد جرمی اتم کربن 12 است. قسمت اعظم جرم اتم مربوط به هسته و یا پروتون ها و نوترون های اتم می باشد. جرم الکترون در مقابل جرم هسته ی اتم بسیار بسیار ناچیز می باشد و جرم الکترون تقریبا برابر 1 ÷2000 جرم پروتون می باشد. پس جرم اتم، تقریبا برابر عددجرمی ان است. وزن اتمی عناصر شامل جرم اتم های مختلف تشکیل دهنده ی آن می باشد به عنوان مثال وزن اتمی هلیوم برابر 4 است. بعضی از عناصر شکل های گوناگونی دارند که به آن ها ایزوتوپ می گویند. تعداد الکترون ها و پروتون ها در ایزوتوپ ها با یکدیگر برابر هستند. پس خواص شیمیایی یکسانی با هم دارند، ولی تعداد نوترون ها در ایزوتوپ ها متفاوت می باشد. و این باعث شده تا ایزوتوپ ها خاصیت فیزیکی متفاوتی پیدا کنند.
منابع
1: DasSarma, S., DasSarma, P., Laye, V. J., & Schwieterman, E. W. (2020). Extremophilic models for astrobiology: haloarchaeal survival strategies and pigments for remote sensing. Extremophiles, 24(1), 31-41.
2: Irwin, L. N., & Schulze-Makuch, D. (2020). The Astrobiology of Alien Worlds: Known and Unknown Forms of Life. Universe, 6(9), 130.
3: Cottin, H., Kotler, J. M., Bartik, K., Cleaves, H. J., Cockell, C. S., De Vera, J. P. P., ... & Westall, F. (2017). Astrobiology and the possibility of life on Earth and elsewhere…. Space Science Reviews, 209(1), 1-42.
پیشنهاد آموزشی پژوهشی:
