piątek, 1 marca 2013

Dlaczego węgiel?


Chemia organiczna opiera się na związkach węgla. Jest to fakt, można powiedzieć dogmat naukowy. Każdy chemik to wie, zgadza się z tym i nie stara się tego nawet podważyć, bo tego (chyba) nawet nie da się podważyć. Ponieważ życie opiera się głownie na tym co dzieje się w chemii organicznej, oznacza to, że życie istnieje na fundamencie zbudowanym z węgla- kolejny dogmat. Zawsze mówi się o związkach węgla, o chemii węgla, że życie to reakcje związków węgla... ale rzadko mówi się, dlaczego akurat węgiel? Postanowiłem, że w pięciu krokach udowodnię, że nie ma innej możliwości.


Krok 0
Układ Okresowy- możemy przyjąć, że składa się już z 118 pierwiastków chemicznych. Wybór ogromny, biorąc pod uwagę, że my potrzebujemy jednego, głównego pierwiastka, który będzie stanowił trzon życia. Ponieważ życie, przynajmniej u Nas jest dość powszechnym zjawiskiem, danego pierwiastka, na którym życie będzie się opierać musi być odpowiednia ilość.  Musi być go dużo, ale też bez przesady. Ponieważ "dużo/mało" to pojęcia subiektywne, zaliczam je do kroku zerowego, czyli do momentu w którym mamy do dyspozycji cały Układ Okresowy. Dla naszej wygody przyjmiemy, że oficjalnie mamy do dyspozycji 118 pierwiastków, czyli można powiedzieć, że cały komplet.


Krok 1
Krok pierwszy. Trzon życia musi występować naturalnie w przyrodzie. Jak wiemy kilka pierwiastków nie występuje w przyrodzie, a zostały stworzone przez człowieka. Tymi nienaturalnymi pierwiastkami są wszystkie pierwiastki za uranem- ponieważ życie istniało na Ziemi, na długo przed tym jak człowiek miał okazję uzyskać sztuczne pierwiastki spokojnie możemy wykreślić z naszej układanki 26 pierwiastków, które z wyżej wymienionych powodów nie mogą zostać wzięte pod uwagę w typowaniu pierwiastka, który nadawałby się na ten najważniejszy z punktu widzenia życia.



Krok 2
Idziemy dalej. Pierwiastek, który wybierzemy musi być reaktywny. Spokojnie z naszej układanki wykreślamy cały rząd gazów szlachetnych- ponieważ jak wiadomo nie biorą one udziału w reakcjach chemicznych z tego prostego względu, że na swojej ostatniej powłoce mają tyle elektronów ile powinny mieć i nie potrzeba im ani więcej, ani mniej, stąd niechętnie wchodzą w jakiekolwiek reakcję chemiczne. Oczywiście człowiek jest istotą, której udało się zmusić niektóre gazy szlachetne do tworzenia związków, ale są to bardzo nietrwałe związki i bardzo ciężko je uzyskać. W naturze (chyba) tak się nie dzieję, a nawet jeśli jakimś cudem się tak stanie to jest to bardzo rzadkie zjawisko i nie sprzyjałoby ono w powstaniu i tym bardziej podtrzymywaniu procesów chemicznych, zachodzących w organizmach żywych.

Krok 3
Jak już wspomnieliśmy, nasz pierwiastek, który musimy wybrać musi tworzyć wiązania chemiczne. Na tym etapie wykreślamy grupę halogenowców i wodór. Robimy tak dlatego, że halogeny i wodór najczęściej tworzą pojedyncze wiązania. Jak wiemy, życie opiera się na bardzo, bardzo skomplikowanych związkach chemicznych, które są bardzo mocno rozbudowane. Rozbudowanie wymaga tworzenia kilku wiązań, żeby móc mówić o łańcuchach. Z tej prostej przyczyny, pierwiastki, które najchętniej tworzą jedno wiązanie mogą zostać wykreślone z listy, ponieważ nie da się zbudować długich łańcuchów z pierwiastków, które mogłyby się łączyć jedynie pojedynczymi wiązaniami.

Krok 4
Teraz nastąpi najbardziej drastyczne cięcie w naszej układance. Wykreślamy praktycznie większość pierwiastków, a mianowicie wszystkie metale. Jak już ustaliliśmy, nasz wybrany pierwiastek musi tworzyć wiązania i musi ich być więcej niż jedno. Oczywiście metale mogą tworzyć więcej niż jedno wiązanie chemiczne i myślę, że dałoby się je zmusić do tworzenia łańcuchów molekularnych... ale jak zwykle jest jedno "ale"- metale najchętniej tworzą pewien specyficzny typ wiązań chemicznych- wiązania jonowe. Jest to niekorzystne, ponieważ wiązania jonowe nie są "konkretne". Mam na myśli, że kationy i aniony zawarte w jonowej sieci krystalicznej tworzą wiązania tak jakby z wszystkimi pozostałymi kationami i anionami dookoła. Biorąc na przykład chlorek sodu, którego kationy sodu i aniony chloru potasowane są naprzemiennie w sieci krystalicznej, nie wiemy, który kation sodowy tworzy z którym konkretnie anionem chlorkowym wiązanie chemiczne... może z tym po prawej, po lewej, na górze, na dole, z przodu i z tyłu, albo z tym w kolejnym rzędzie. Oczywiście podstawowy budulec życia nie może być taki niekonkretny i wiązania, które tworzy muszą być konkretnie zlokalizowane i musi być konkretnie wiadomo, który atom z którym jest połączony. Nie trzeba oczywiście dodawać, że (prawie wszystkie) związki o budowie jonowej rozpuszczają się dobrze w wodzie... a życie przecież nie może się tak po prostu rozpuścić!

Krok 5
Idziemy dalej już do ostatniego kroku. Teraz zostało nam mało pierwiastków, ale ponieważ mówimy tutaj o podstawie i filarze życia, więc możemy sobie powybrzydzać. Ostatni etap zacznijmy od eliminacji gazów. W sumie to, że są to gazy, aż tak bardzo nie przeszkadza, ale biorąc pod uwagę trudność rozrywania wiązań między azotem, oraz to, że tlen dość łatwo wchodzi w reakcję chemiczne spokojnie możemy sobie je darować... są lepsi kandydaci. Zostały nam już tylko ciała stałe i musimy odnieść się do ich energii wiązań między sobą. Dobrze by było, żeby łańcuchy związków były mocno ze sobą zespolone, czyli, żeby atomy tworzące ten łańcuch mocno się siebie trzymały. Patrząc na energię wiązań tych samych atomów ze sobą widzimy, że węgiel z pozostałej gromadki tworzy najsilniejsze wiązania. Ponadto biorąc pod uwagę budowę atomu węgla, ma on możliwości tworzenia czterech wiązań międzyatomowych, zlokalizowanych w narożach czworościanu foremnego. Umożliwia to na łączenie się z czterema różnymi atomami i utrzymywanie ich na tyle daleko od siebie, że całość struktury jest stabilna, a z uwagi na fakt, że jeden atom węgla może tworzyć po cztery wiązania, mamy możliwość tworzenia całych wachlarzy najróżniejszych struktur. Trzeba również powiedzieć, że atom węgla jest dość towarzyskim atomem i ma możliwość tworzenia wiązań z najróżniejszymi atomami, co zwiększa możliwość struktur jakie mogą powstać...

Myślę, że węgiel jest najrozsądniejszym wyborem jeśli chodzi o podstawę chemii życia ;)

Pamiętajcie o naszym zaprzyjaźnionym Antykwariacie!


Zachęcam do komentowania!  Zapraszam również na naszą stronę na Facebook!  

26 komentarzy:

  1. Pytanie co jest skutkiem, a co przyczyną?
    Czy węgiel jest odpowiedni i dlatego jest podstawą życia, czy jest podstawą życia i daltego jest odpowiedni a cała notka tylko to potwierdza - patrz zasada antropiczna

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Pisząc artykuł nie brałem pod uwagi zasady antropicznej. Nie zgadzam się z nią- jak dla mnie jest bezsensowna, zbyt naiwna i samolubna. Pisząc artykuł miałem ochotę przedstawić to, dlaczego to węgiel jest tym podstawowym pierwiastkiem. Stwierdzenie " węgiel jest odpowiedni i dlatego jest podstawą życia, czy jest podstawą życia i dlatego jest odpowiedni" jak dla mnie posiada jedną odpowiedź- to węgiel stanowi podstawę życia, ponieważ tworzy on najbardziej korzystne struktury, które ze sobą oddziałują tak, że możliwa była potem ewolucja tych układów. Nie potrzeba tutaj zaprzęgać do tego antropizmu... życie powstało na tym co było pod ręką.

      Usuń
    2. Myślę, że opcja "jest podstawą życia i dlatego jest odpowiedni" jest trochę bardziej sensowna niż to przedstawiasz. Kryje się w niej możliwość, że kryteria jakie dobrałeś są wynikiem istnienia życia w takiej a nie innej formie. Podświadomie dążysz do utworzenia życia w postaci znanej nam na ziemi, dlatego oczekujesz takich parametrów jakie może spełnić tylko węgiel.
      Innymi słowy: węgiel jest odpowiedni, bo jest podstawą życia.

      Usuń
    3. Być może jest to prawda- ale nie znajduje lepszego uzasadnienia dlaczego węgiel jest odpowiedni, niż to co tutaj wymieniłem.
      Nie wykluczam, że podświadomość dąży do tego, aby jego uczynić właśnie tym odpowiednim... ale patrząc na to na sucho jaki inny pierwiastek byłby równie dobry?

      Usuń
  2. Próbowano tworzyć analogie między węglem a krzemem (stąd krzemowi kosmici w licznych powieściach SF) ale się nie udało - wiązania jakie tworzy sam ze sobą są za słabe a skłonność do tworzenia tlenków tak duża, że większość prostych związków krzemoorganicznych zapala się na powietrzu.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. A co jeśli na tej "innej planecie" tlen byłby trucizną?

      Usuń
    2. A na naszej tlen nie jest ,,trucizną"? Dlatego łuszczy nam się skóra, jest niszczona przez tlen i dlatego stale są tworzone nowe komórki.

      Usuń
    3. Przyczyną złuszczania się naskórka nie jest tlen, a ochrona przed urazami mechanicznymi i zapewnienie jak najlepszej szczelności przed czynnikami zewnętrznymi.

      Usuń
  3. Właśnie miałem zadać pytanie na temat tego, czy krzem mógłby stanowić podstawę życia, a tu ktoś już odpowiedział. :D
    A w innych warunkach na innych planetach, bardzo specyficznych ? Jest taka możliwość czy jednak ma tyle wad, że życie jednak w ogóle by nie powstało ?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Nie wiadomo co tam się dzieje na innych planetach jeśli cokolwiek się dzieję ;) Teoretycznie chyba wszystko jest możliwe biorąc pod uwagę fakt, że tam wcale może nie ma powietrza, nie ma może nawet tlenu, bo nie jestesmy w stanie powiedziec czy jest tam potrzebny. Teoretycznie krzem może podobnie się zachowywac, ale musimy pamietac, że jego wiązania są słabsze niż wiązania między węglami.

      Usuń
    2. Dodatkową sprawą jest mniejsza reaktywność krzemu i większa masa, powodująca że pochodne krzemu stają się płynne dopiero w wysokich temperaturach - a w takich proste związki się rozkładają. Dodatkowo krzem nie może tworzyć wiązań podwójnych i potrójnych (podwójne wiązania Si=Si udają się rzadko i są bardzo nietrwałe) i nie tworzy pierścieni aromatycznych. Próbowano już różnych modeli - na przykład życie oparte o związki krzemo-węglo-azotowe rozwijające się w płynnym amoniaku, albo oparte o sylikony w środowisku kwasu siarkowego, ale jak na razie analogie wydają się chybione.
      Bardziej prawdopodobne byłoby życie borazonowe w środowisku redukującym z dużą zawartością fluoru.

      Usuń
  4. Moim zdaniem teoretycznie każdy pierwiastek dobrze łączący się z innymi pierwiastkami, umożliwiający im wiele konfiguracji byłby dobrym "nośnikiem życia", zależało by to tylko od środowiska i pierwiastka, jednak mimo to uważam że "bez kombinowania" węgiel jest najlepszy do tego.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. To, że pierwiastki się ze sobą łączą nie oznacza, że będą to dobre układy. Jak niektóre pierwiastki mogą tworzyć tylko 1 wiązanie to raczej nie ma wielu konfiguracji. Przy dwóch wiązaniach... tez raczej nie można szaleć.

      Usuń
  5. Węgiel to pierwszy etap, chodziłem po Wrocławiu, jak dla mnie to od kilku już wieków najwspanialsze dzieła/osiągnięcia natury i ewolucji zaklinamy w krzemie, Kiedyś były to babki z piasku, później piramidy, impreza pod tytułem "katedra Gotycka", kamienice i komputery
    miałem to szczęście, że urodziłem się we wszechświecie który ma sens, nie wszyscy mieli to szczęście.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Jeśli węgiel jest pierwszym etapem to sugerujesz, że drugim jest krzem, tak? Jakoś nie widzę, tego, że moglibyśmy przejść z etapu węgla na krzem, podobnie jak całe znane nam życie. Poza tym... "najwspanialsze dzieła/osiągnięcia natury i ewolucji zaklinamy w krzemie, Kiedyś były to babki z piasku, później piramidy, impreza pod tytułem "katedra Gotycka", kamienice i komputery"- ani jedna z wymienionych tutaj rzeczy nie jest osiągnięciem natury, podobnie jak nie są to zdobycze ewolucji.

      Usuń
  6. A co by było jeżeli podstawowym pierwiastkiem był krzem ??

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Wszystko co znamy nie byłoby takie jakie znamy ;) Na pewno warunki środowiska nie mogłyby byc takie jakie obecnie dookoła nas panują.

      Usuń
  7. http://www.sadistic.pl/wiadomosc-od-istot-pozaziemskich-filmik-zdjecia-vt170250,30.htm a propo krzemu :)

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Muszę coś więcej o tym poczytac- ciekawe te piktogramy na polu ;)

      Usuń
  8. Wszystko zależy od warunków. Nie należy też zapominać, że utlenianie nie jest jedyną formą uwalniania energii. Nawet na Ziemi nie wszystkie organizmy wykorzystują tę metodę. Inną "metodą" zamiast utleniania może być chlorowanie. Przyłączanie chloru jest w dużej mierze analogiczne w skutkach do przyłączania tlenu. W przypadku łańcuchowych związków krzemu odpowiedniejszym wyjściem jest właśnie chlorowanie (czy przyłączanie innych fluorowców), a nie utlenianie.
    Można też zauważyć, że dla takich teoretycznych organizmów trucizną byłby wtedy tlen, podobnie jak dla nas jest nią chlor.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Tak jak już mówiłem- nigdy nie wiadomo co dzieje się Gdzieś tam w przestrzeni kosmicznej. Może właśnie jacyś obcy z krzemu obserwują nas i dziwią się jakim cudem my zbudowani jesteśmy z węgla ;)

      Usuń
    2. Świetny artykuł, dziękuję Ci bardzo za niego :) Już miałem krzyknąć, że kosmici na bazie krzemu to bujda na resorach, kiedy powyższy komentarz wprowadził wątpliwości. Może napiszesz coś o powstawaniu życia w warunkach gdzie nie ma np. węgla i tlenu, natomiast krzemu i chloru jest wystarczająco?

      Usuń
    3. Dzięki ;)
      Pomyślę nad tym ;)Albo może znajdzie się jakiś chętny ;D

      Usuń
  9. Ok, może krzem nie jest najlepszym kandydatem, ale czy organizmy żywe nie mogłyby być zbudowane w oparciu o węgiel + duży udział krzemu w tych związkach/miejscach, gdzie to możliwe?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Jak już wcześniej było mówione- nie wykluczamy krzemu jako budulca. Jest to niemożliwe u Nas, ale nie wiadomo co może byc gdzie indziej.

      Usuń
  10. He he właśnie leci Avatar, ja myśle że oni są ze świecącego fosforu.

    OdpowiedzUsuń