De la cel mai înalt Sequoia, la cel mai inteligent om, la cea mai otrăvitoare ciupercă, la cea mai mică bacterie, există un lucru care unește toate ființele vii de pe Pământ și este faptul că toată viața se bazează pe chimia carbonului, acest element, care este atât de important de fapt încât are dedicată o întreagă ramură a chimiei – chimia organică.
Dar carbonul nu este cel mai abundent element de pe pământ.
Asta ar fi oxigen.
Și nu este cel mai stabil, ca Helium.
La suprafață, nu pare deosebit de special.
Cu toate acestea, dacă ne uităm la compoziția corpului nostru, găsim carbon peste tot în celulele noastre.
20% din corpul nostru este alcătuit din carbon, dar cuprinde mai puțin de 1% din masa atmosferei
, oceanelor și crustei terestre.
De ce s-a dus viața să concentreze carbonul 20 de ori în corpurile noastre, când
erau disponibile alte elemente mai abundente, precum oxigenul și siliciul, sau chiar azotul care reprezintă
78% din atmosfera noastră?
Marea întrebare este de ce? Vom examina asta și vom urmări logica pe care natura a folosit-o
în alegerea acestui element important – Carbonul.
Asta se întâmplă chiar acum…
Există 94 de elemente care apar în mod natural în tabelul periodic.
De ce totul se bazează pe carbon și nu pe altceva când alegerile sunt atât de multe?
Răspunsul se rezumă la trei lucruri: complexitate, abundență și stabilitate.
Ce vreau să spun prin asta?
Să începem cu complexitatea.
Carbonul este capabil să formeze structurile moleculare complexe necesare pentru chimia complexă
pe care o cere viața.
De ce este carbonul capabil să facă asta?
Pentru a înțelege acest lucru, trebuie să ne uităm la fundamentul chimiei, care este fizica,
în special mecanica cuantică.
Mecanica cuantică ne spune că unele configurații orbitale de electroni sunt mai
favorabile energetic decât altele, făcându-le mai stabile.
Și cea mai stabilă configurație a electronilor sunt cele ale gazelor nobile din extrema dreaptă
a tabelului periodic.
Acestea sunt elemente speciale care au un înveliș exterior complet de electroni.
Aceasta este cea mai mică configurație de energie pe care o poate avea un atom.
Acest lucru îi face stabili din punct de vedere chimic, deoarece nu au nevoie de obicei să împartă, să câștige
sau să piardă electroni pentru a forma legături cu alți atomi pentru a deveni mai stabili.
Acesta este și motivul pentru care sunt inerți din punct de vedere chimic, deoarece în general nu interacționează cu
alți atomi pentru a forma molecule.
De ce sunt doar gazele nobile în acest fel și nu alte elemente?… pentru că se întâmplă
să aibă numărul potrivit de protoni pentru a avea numărul potrivit de electroni pentru a-și umple învelișul
complet.
Forța motrice din spatele chimiei este într-adevăr o vânătoare pentru a ajunge la starea cea mai eficientă din punct de vedere energetic
dintr-un sistem, starea cu cea mai scăzută energie.
Și, în cea mai mare parte, această stare de cea mai scăzută energie apare atunci când un atom este capabil să-și umple
învelișul cel mai exterior, ca și elementele nobile.
Și unii atomi pot face acest lucru prin împărțirea electronilor lor cu alți atomi pentru a forma ceea ce se
numește legături chimice covalente.
Tabelul periodic al elementelor este aranjat în așa fel încât să putem spune cu ușurință după coloană,
numărul maxim de legături pe care un element le poate forma cu alte elemente.
Începând din coloana din stânga a tabelului, primul grup de atomi poate forma maximum
o legătură.
A doua coloană de elemente poate forma 2 legături.
A treia coloană 3 obligațiuni.
Această tendință continuă până la a patra coloană care poate forma 4 legături.
După aceasta, numărul maxim de legături scade, astfel încât a cincea coloană de elemente poate forma doar
3 legături maxime.
Apoi 2 legături, o legătură și, în final, zero legături pentru coloana cea mai din dreapta, care sunt elementele nobile
, care sunt deja cele mai stabile.
Ceea ce veți observa este că Carbonul se află în grupul de elemente care pot forma
numărul maxim de legături.
Are un total de 6 electroni, dintre care 4 se află în învelișul său exterior.
Pentru a-și umple învelișul cel mai exterior, are nevoie de încă 4 electroni pentru a face 8 ca
gazul nobil Neon.
Deci, poate împărtăși până la 4 electroni suplimentari de la alți atomi pentru a forma legături covalente, făcându-
l mai stabil.
Acest lucru face ca Carbonul să fie foarte versatil.
Imaginați-vă dacă cărămizile Lego ar putea fi conectate pe patru laturi în loc de două, ar fi
construirea lucrurilor mai ușor.
Fiecare atom de carbon poate forma o legătură puternică și stabilă cu până la alți 4 atomi, inclusiv alți
atomi de carbon.
Această caracteristică a carbonului îi conferă capacitatea de a forma molecule complexe, care este necesară
pentru funcțiile chimice complexe pe care le cere viața.
Moleculele pe bază de carbon pot forma lanțuri lungi nerepetitive de polimeri, pot forma inele închise
și pot forma legături simple, duble sau triple cu alte elemente.
Există milioane de configurații posibile.
Luați împreună, acest lucru face ca Carbon să fie capabil unic să participe la o multitudine vastă de
procese chimice.
Poate forma cu ușurință lanțuri lungi și stabile de polimeri care pot, de exemplu, să transporte o mulțime de informații.
Acesta este cazul DNA.
La urma urmei, ADN-ul poartă TOATE informațiile care alcătuiesc ființele vii, inclusiv pe noi.
Și cele 4 nucleotide care alcătuiesc blocurile de construcție ale ADN-ului sunt complexe.
Carbonul este coloana vertebrală, parțial pentru că poate face față acestei complexități.
Celelalte elemente nu sunt la fel de interesante.
Luați de exemplu oxigenul cu este cel mai abundent element de pe pământ.
Poate forma doar 2 legături.
Aceasta înseamnă că odată ce se leagă de alți 2 atomi, este gata.
Nu poate forma cu adevărat schele interesante de molecule complexe, cum ar fi carbonul.
Borul ar putea fi interesant, deoarece poate forma 3 legături, deci structurile sale moleculare
ar putea fi, de asemenea, destul de complexe.
Problema este că este extrem de rar, așa că pur și simplu nu este foarte disponibil pentru viață
să-l fi ales ca coloană vertebrală.
Acest lucru ne duce la al doilea factor care a făcut carbonul atractiv pentru viață,
abundența.
Carbonul nu numai că este versatil, ci și abundent.
Dacă ne uităm la primele 5 elemente cele mai abundente din sistemul nostru solar, ceea ce vom vedea este următorul
în ordinea abundenței: 1. Hidrogen
2. Heliu
3. Oxigen
4. Carvon
5. Azot
Acum, dacă ne uităm la primele 5 de elemente din
corpul nostru, ceea ce vom vedea este următorul în ordinea abundenței:
1. Oxigen
2. Carbon 3. Hidrogen 4. Azot
și 5. Calciu – Deci ceea ce vedem este că 4 din primele 5
elemente ale Sistemul solar se numără, de asemenea, printre primele 5 elemente care alcătuiesc corpul uman.
Acest lucru ne oferă un alt indiciu despre de ce viața se bazează pe Carbon.
Există o mulțime de ea în univers.
Este foarte abundent.
Este mai ușor să construiești ceva de care ai multe.
Nu poți construi un castel dacă nu ai suficiente cărămizi Lego.
În acest moment, ați putea spune, dacă abundența este atât de importantă, atunci cum rămâne cu Siliciul care
este abundent și poate forma, de asemenea, 4 legături, sau Azotul care formează doar 3 legături, dar reprezintă
78% din atmosfera noastră.
Aceasta ne duce la al treilea factor în determinarea celui mai potrivit element pe care natura l-a ales
pentru viață, stabilitatea.
Ceea ce vreau să spun prin asta este stabilitatea legăturilor.
Să ne uităm la asta.
După cum am spus mai devreme, structura tabelului periodic este astfel încât, de regulă, toate
elementele din fiecare coloană au aceleași proprietăți generale.
Carbonul se dovedește a fi cel mai ușor element din grupa 14 sau 4, în funcție de modul în care numărați.
Prin urmare, ne-am aștepta ca elementele surori precum siliciul și germaniul să
aibă capacități chimice similare.
Siliciul este următorul element cel mai ușor din rând.
Poziția sa pe tabelul periodic ne spune că, ca și carbonul, are și patru
electroni de valență.
Aceasta înseamnă că poate face și patru legături covalente.
Pentru fiecare moleculă făcută din carbon, poate exista o moleculă analogă cu siliciu
în locul ei.
Siliciul se întâmplă, de asemenea, să fie destul de abundent pe pământ.
De fapt, pe pământ există mai mult siliciu decât carbon.
Este doar blocat în roci din scoarța terestră.
Din punct de vedere chimic, siliciul are 4 electroni nepereche în orbitalul său exterior, la fel ca carbonul.
Principala diferență este că siliciul are electronii nepereche mai departe de nucleu, pe
al treilea înveliș, în timp ce electronii carbonului se află pe al doilea înveliș, mai aproape de nucleu.
Acest lucru face ca electronii Siliciului să fie legați mai slab de nucleul său.
Consecința acestui lucru este că atunci când siliciul se leagă de alți atomi, inclusiv el însuși, legăturile
formate sunt mai slabe și, prin urmare, mai puțin stabile.
Pentru a vă oferi câteva cifre, rezistența legăturii siliciu-siliciu este de 196 kJ/mol.
În schimb, legăturile carbon-carbon sunt mai puternice la 334 kJ/mol.
Acest factor de rezistență a legăturii este, de asemenea, motivul pentru care azotul nu este potrivit pentru a fi coloana vertebrală
a chimiei organice, deoarece puterea sa de legătură este de aproximativ jumătate din carbon.
Nu poți face un zgârie-nori cu o fundație construită din carton.
Suportul structural trebuie să fie puternic pentru a ține pereții, ferestrele și ușile.
Moleculele organice au aceeași nevoie.
Coloana vertebrală trebuie să fie suficient de puternică pentru a rezista la condițiile în care alte părți ale
moleculei își rup legăturile și reacționează chimic cu alte molecule.
Deci, schela carbon-carbon trebuie să rămână intactă în timp ce componentele sale funcționale se despart
.
O schelă moleculară făcută din azot sau siliciu s-ar desprinde mai ușor.
Deci, dacă ne întoarcem acum la tabelul periodic și ne uităm la primele 3 rânduri de elemente.
Dacă eliminăm toate elementele inerte din punct de vedere chimic, apoi eliminăm elementele care nu pot de la
mai mult de 2 legături, atunci eliminăm toate elementele care sunt extrem de scăzute în abundență,
ajungem cu Carbon, Azot și Siliciu.
Apoi, dacă le îndepărtăm pe cele care nu pot forma legături simple puternice cu ei înșiși pentru a crea o
coloană vertebrală moleculară puternică, aceasta rămâne aproape doar carbonul ca cea mai bună alegere.
Este unic potrivit pentru viață datorită celei mai bune combinații de abundență, capacitatea
de a forma structuri complexe și legături stabile cu alți atomi de carbon.
Acum, spuse toate acestea, nu există nimic care să împiedice formele de viață pe bază de siliciu
să existe pe o planetă extraterestră, dacă condițiile sunt potrivite pentru asta.
Prin această logică, ne putem imagina și viața bazată pe germaniu, staniu sau chiar creaturi super-dense
din plumb.
Dar trebuie să reținem că pe măsură ce elementele devin mai grele, acestea tind să fie mai rare.
Deci, fiecare dintre acestea este mai puțin plauzibilă decât ultima.
De exemplu, germaniul este cu cel puțin cinci ordine de mărime mai puțin abundent decât carbonul, iar
staniul este și mai rar.
Se întâmplă că presiunile și temperaturile de pe pământ funcționează bine pentru formele de viață care folosesc
apă lichidă ca solvent și molecule pe bază de carbon care pot forma o coloană vertebrală stabilă
pe care poate avea loc chimia biologică.
Dacă devine prea rece, apa se transformă în gheață și vom avea probleme cu transportul chimic.
Dacă se încălzește prea mult, vom avea probleme cu lanțurile polimerice de carbon care se rup prea ușor.
S-ar putea să nu știm niciodată cu siguranță, dar este perfect posibil ca carbonul să depășească orice altceva,
cu excepția unor medii extreme.
Dar nu putem exclude nimic și trebuie să fim deschiși cu privire la condițiile în
care ipotetic ar putea să apară viața.
De exemplu, pe Titan există lacuri de etan și metan.
Aceste lichide, precum apa de pe pământ, ar putea fi folosite ca solvent de către un alt tip de
formă de viață.
Deci, la diferite temperaturi și presiuni, este de imaginat că un element diferit
poate fi mai propice vieții.
Unul dintre susținătorii mei patreon a subliniat că noi, formele de viață Carbon, s-ar putea să fim acum în
proces de a crea forme de viață artificiale din Siliciu.
Și acest proces se accelerează.
Această formă de viață ar putea exista foarte probabil în viitorul apropiat chiar aici pe pământ.
Dar nu există nicio dovadă pentru viața în afara pământului.
Ar putea fi destul de rar în univers.
Deci, puteți avea toate elementele diferite disponibile din abundență, dar interacțiunile sau chimia
acestor diferite elemente este procesul critic necesar pentru ca viața să se întâmple.
Acest proces este chimie organică.
Și pentru studii suplimentare, aș recomanda cu căldură un curs grozav pe care l-am vizionat recent pe Wondrium,
sponsorul videoclipului de astăzi, numit „Fundații ale chimiei organice”.
Și așa cum sugerează și titlul, vă va ajuta să înțelegeți detaliile și fundamentele materialului pe care
l-am tratat în acest videoclip.
Acesta este un curs de 36 de prelegeri care vă duce într-o călătorie de învățare de la elementele de bază ale atomilor,
la formarea celor mai importante substanțe chimice organice, la mecanismele din spatele
reacțiilor chimice organice.
Primul curs se numește chiar „De ce Carbon?”
Este predat de profesorul Ron Davis de la Universitatea Georgetown, ale cărui explicații lucide fac
acest subiect relevant și ușor de înțeles.
Veți avea multe alte cursuri minunate ca acesta pe Wondrium, predate de unii dintre cei mai buni
educatori din lume ca profesorul Davis.
De aceea sunt membru Wondrium de mult timp și chiar veți găsi
mărturia mea în partea de jos a paginii lor de start.
Ei oferă o perioadă de încercare gratuită chiar acum, așa că este foarte ușor să vă înscrieți.
Și puteți anula oricând, astfel încât să nu aveți nimic de pierdut și multe de câștigat.
Dacă dați clic pe linkul din descriere, veți primi o încercare gratuită.
Prin urmare, asigurați-vă că profitați de oferta lor gratuită.
Link-ul este Wondrium dot com slash arvin.
Acesta este wondrium.com/arvin.
Și vei sprijini acest canal atunci când te înscrii, așa că vreau să-ți mulțumesc
pentru asta.
Dacă ți-a plăcut acest videoclip și vrei să fii informat despre videoclipurile viitoare ca acesta, abonează-te.
Și dacă aveți o întrebare, vă rugăm să o postați în secțiunea de comentarii.
Voi face tot posibilul să încerc să răspund.
Ne vedem în următorul videoclip prietene.