Sự sống và hoá học

Sao Hỏa ngày nay là một nơi lạnh lẽo và khô khốc, không thích hợp cho sự sống mà chúng ta biết, nhưng 3 tỉ năm trước nó đã từng là một nơi ấm và ẩm hơn. Một vệ tinh thăm dò trên quỹ đạo trái đất gần đây đã chụp được một lòng hồ khô khổng lồ, kích thước bằng bang New Mexico và Texas gộp lại trên bề mặt sao Hoả. Một vệ tinh do thám khác phát hiện thấy bằng chứng của nước nằm kẹt dưới bề mặt băng của vùng cực sao Hoả. Những khám phá này của các nhà địa chất đã khơi dậy sự quan tâm của các nhà sinh học vì nơi nào có nước là nơi đó có sự sống. Có lý do vững chắc để tin rằng sự sống mà chúng ta biết không thể tồn tại mà không có nước.

Động vật và thực vật sinh sống trên bề mặt trái đất phải phát triển những phương thức phức tạp để giữ nước, chiếm 70% trọng lượng cơ thể của chúng. Các thủy sinh vật sống trong nước không cần các cơ chế giữ nước này, vì vậy các nhà sinh học kết luận rằng những cơ thể sống đầu tiên có nguồn gốc từ môi trường nước. Môi trường nước này không nhất thiết phải là sông, hồ hay đại dương mà chúng ta thường nghĩ. Các cơ thể sống đã được phát hiện ở những suối nước nóng ở nhiệt độ trên điểm sôi thông thường của nước, ở một hồ nằm dưới lớp băng của lục địa Antarctic Nam Cực, hoặc ở trong nước kẹt dưới bề mặt trái đất 2 dặm, hoặc trong vùng nước trên mặt nước biển 3 dặm, trong môi trường nước với độ acid hoặc độ mặn cực cao, hoặc thậm chí trong nước làm lạnh bộ phận bên trong của lò phản ứng hạt nhân.

Với 20 nghìn tỉ thiên hà trong vũ trụ, mỗi thiên hà gồm 100 tỉ ngôi sao, vũ trụ có rất nhiều hành tinh, và nếu hệ mặt trời của chúng ta là điển hình của một thiên hà thì một vài trong số các hành tinh này có nước cần thiết cho sự sống. Khi các nhà sinh vật suy tư về việc sự sống bắt đầu như thế nào từ những vật chất không sống thì sự chú ý của họ không chỉ vào sự hiện diện của nước mà còn những gì hòa tan trong đó.

Một khám phá lớn của sinh học là những cơ thể sống được cấu tạo từ cùng những loại nguyên tố tạo nên phần không sống khổng lồ của vũ trụ. Quan niệm mang tính cơ học này - rằng sự sống có nền tảng hóa học và tuân theo các định luật Hoá-Lý chung - chỉ mới có gần đây trong lịch sử loài người. Khái niệm một "lực sự sống" là nguyên nhân tạo nên sự sống, khác với những lực khác trong Vật lý và Hóa học là một quan niệm phổ biến trong văn hóa Phương Tây cho đến thế kỷ 19, và nhiều người vẫn cho rằng có một lực như vậy. Tuy nhiên hầu hết các nhà khoa học đều tin tưởng tuyệt đối vào quan niệm cơ học về sự sống, và nó là nền móng cho Y học và Nông nghiệp.

Trước khi mô tả các nguyên tố hóa học được sắp xếp như thế nào trong sinh vật sống, chúng ta sẽ tìm hiểu một số khái niệm Hóa học cơ bản. Trước tiên chúng ta sẽ nói về các thành phần của vật chất: nguyên tử. Chúng ta sẽ tìm hiểu về các loại nguyên tử, đặc tính của chúng và khả năng chúng có thể kết hợp với các nguyên tử khác. Sau đó chúng ta sẽ xem xét vật chất biến đổi như thế nào. Ngoài những thay đổi vè trạng thái (từ rắn sang lỏng sang khí), các chất còn thay đổi, biến đổi về cả thành phần lẫn tính chất đặc trưng. Tiếp đó chúng ta sẽ mô tả cấu trúc và tính chất của nước và mối quan hệ của nó với các axít và bazơ. Chúng ta sẽ kết thúc chương bằng việc xem xét các nhóm nguyên tử đặc trưng đóng góp những tính chất đặc thù cho những phân tử lớn hơn mà chúng là một thành phần, và đó sẽ là chủ đề của chương 3.

Một thung lũng Lớn hơn trên bề mặt sao Hoả: Bức ảnh màu nhân tạo này cho thấy màu xanh lục là phần đáy khô còn lại của một cái hồ khổng lồ đã từng tồn tại trên sao Hoả. Cũng như sông Colorado tạo nên Thung lũng lớn, các dòng nước từ hồ này có lẽ đã tạo nên cái thung lũng sâu hàng dặm mà trên ảnh chính là đường xanh lục mỏng nằm ngay ở phía Bắc của lòng hồ

Các nhà thiên văn học tin rằng hệ mặt trời của chúng ta bắt đầu hình thành quãng 4,6 tỉ năm về trước khi một ngôi sao nổ tung sau đó suy sụp tạo nên mặt trời, và khoảng 500 vật thể gọi là các tiểu hành tinh va chạm với nhau để tạo nên các hành tinh bên trong, trong đó có trái đất. Những dấu hiệu hóa học đầu tiên chỉ ra rằng sự tồn tại của sự sống cách đây 4 tỉ năm. Như vậy mất đến 600 triệu năm, mà trong khung thời gian địa lý gọi là Hadean (xuất phát từ Hades - có tính địa phủ - không có sự sống) để các điều kiện hóa học trên trái đất trở nên vừa đúng thích hợp cho sự sống. Một điều kiện quan trọng trong số này là sự tồn tại của nước.

Trái đất cổ xưa có lẽ có rất nhiều nước trong không khí. Nhưng do hành tinh mới hình thành rất nóng nên nước này bay hơi và thoát vào không gian. Khi Trái đất nguội đi nước có thể lưu lại trên bề mặt của nó, nhưng nước này từ đâu mà ra? Một quan điểm hiện nay cho rằng các sao chổi -những đám bụi và băng thiếu cấu trúc quay quanh quỹ đạo mặt trời từ khi các hành tinh được tạo ra - liên tục va vào Trái đất và mang không chỉ nước mà còn các thành phần hóa học khác của sự sống, ví dụ Nitơ. Khi trái đất nguội, các hóa chất từ các tảng đá hòa tan vào nước và các phản ứng hóa học đơn giản diễn ra. Một số các phản ứng này lẽ ra có khả năng tạo nên sự sống, nhưng những tác động bởi những sao chổi khổng lồ và những thiên thạch sẽ tạo ra đủ năng lượng để làm sôi các đại dương đang hình thành, vì vậy sẽ phá hủy bất kỳ sự sống đầu tiên nào. Những tác động quy mô lớn này dần đi vào ổn định, và sự sống chiếm lĩnh khoảng 3,8 đến 4 triệu năm trước đây. Thời kỳ Hadean tiền sự sống chấm dứt Thời kỳ Archean (tiền Cambrian) bắt đầu, và từ đó đến nay sự sống tồn tại trên trái đất.

Trong chương 3 chúng ta sẽ quay lại câu hỏi làm thế nào sự sống đầu tiên có thể xuất hiện từ những chất vô tri vô giác. Nhưng trước khi làm điều đó chúng ta cần hiểu hóa học của sự sống đòi hỏi những gì. Giống như phần còn lại của thế giới vật chất, các vật sống được tạo nên từ nguyên tử và phân tử.

Trục thời gian địa chất. Kỷ Hadean bao gồm thời gian từ lúc hình thành trái đất (khoảng 4,6 tỉ năm trước) cho đến khi sự sống đầu tiên xuất hiện (khoảng 3,8 tỉ năm trước). Trong giai đoạn kỷ Hadean các điều kiện hóa học thay đổi tạo điều kiện thuận lợi cho sự sống, và sự sống có thể chiếm lĩnh trái đất một khi các trận mưa sao chổi và thiên thạch chấm dứt

Hơn một nghìn tỉ nguyên tử có thể đặt đủ vào dấu chấm ở cuối câu này. Mỗi nguyên tử được cấu tạo từ một nhân và chuyển động xung quanh nó là một hoặc một số electron (Hình 2.2). Nhân chứa một hoặc một số proton và một hoặc một số neutron. Nguyên tử và các cấu tử của nó có thể tích và khối lượng, hai tính chất của mọi vật chất. Khối lượng đo lượng vật hiện diện; khối lượng càng lớn thì lượng vật chất càng lớn.

Khối lượng của proton có chức năng là một đơn vị đo chuẩn: đơn vị khối lượng nguyên tử hay dalton (đặt tên theo nhà hóa học người Anh John Dalton). Một proton hay neutron có khối lượng khoảng 1 dalton (Da), tương đương với 1,7.10-24 gram (0,0000000000000000000000017g). Khối lượng một electron khoảng 9.10-28 g (0,0005 Da). Vì khối lượng của một electron không đáng kể so với khối lượng của một proton hay một neutron, người ta thường bỏ qua sự đóng góp của electron vào khối lượng nguyên tử khi tính toán. Tuy nhiên chính electron mới quyết định cách các nguyên tử tương tác với nhau trong các phản ứng hóa học, và chúng ta sẽ bàn nhiều về vấn đề này sau trong chương này.

Mỗi proton tích điện dương, được định nghĩa là +1 đơn vị tích điện. Một electron có điện tích âm bằng và trái dấu với điện tích của proton; vì vậy điện tích của electron là -1 đơn vị. Neutron, đúng như tên nó phản ảnh, không tích điện vì vậy điện tích của nó là 0 đơn vị. Các điện tích trái dấu (+/-) thì hút nhau còn các điện tích cùng dấu (+/+ hay -/-) thì đẩy nhau. Các nguyên tử đều trung hòa về điện: Số lượng proton trong một nguyên tử bằng với số lượng electron.

Một nguyên tố là một chất tinh khiết chỉ chứa một loại nguyên tử. Nguyên tố Hydrô chỉ chứa một loại nguyên tử hydrô; nguyên tố sắt chỉ chứa các nguyên tử sắt. Nguyên tử của mỗi nguyên tố có những đặc tính hoặc tính chất nhất định phân biệt chúng với các nguyên tử của nguyên tố khác. Hơn 100 nguyên tố tìm thấy trong vũ trụ được sắp xếp trong bảng tuần hoàn (Hình 2.3). Các nguyên tố này được tìm thấy với trữ lượng khác nhau. Các ngôi sao có rất nhiều Hydrô và Hêli. Đất của trái đất và ở những hành tinh gần đó chứa gần một nửa là Oxy, 28% silicon, 8% nhôm, 2-5% cho mỗi một nguyên tố Natri, Magiê, Kali, Canxi và sắt và chưa một lượng ít hơn nhiều các nguyên tố khác.

Khoảng 98% trọng lượng của mọi cơ thể sống (vi khuẩn, củ cải hay con người) đều được tạo nên từ chỉ sáu nguyên tố: Carbon, hydro, Nitơ, oxy, phốt pho và lưu huỳnh. Hóa tính của sáu nguyên tố này sẽ là mối quan tâm hàng đầu của chúng ta ở đây, nhưng các nguyên tố khác không phải không quan trọng. Ví dụ Na và K quan trọng đối với chức năng thần kinh; Ca có thể hoạt động như một tín hiệu sinh học; iod là thành phần của một loại hormone quan trọng; và cây cần Magiê như một phần của lục sắc tố (chlorophyll) và olybdenum để chuyển hóa N vào các hợp chất sinh học có ích.

Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học các nguyên tố được xắp xếp theo đặt tính vật lý và hóa học. 1-92 là các nguyên tố tự nhiên, các nguyên tố từ 93 trở về sau được tạo ra trong phòng thí nghiệm

Một nguyên tố được phân biệt với một nguyên tố khác bằng số lượng proton ở mỗi nguyên tử của nó. Con số này không bao giờ thay đổi và được gọi là số nguyên tử. Một nguyên tử Heli có 2 proton và một nguyên tử oxy có 8 proton; như vậy số nguyên tử của hai nguyên tố này lần lượt là 2 và 8.

Cùng với một số lượng proton xác định, mỗi nguyên tố ngoại trừ Hydro có một hoặc một vài neutron trong nhân của nó. Số khối của một nguyên tử là tổng số proton và neutron trong nhân của nó. Nhân của Heli chứa 2 proton và 2 neutron; oxy có 8 proton và 8 neutron. Vì vậy Heli có số khối là 4 và oxy có số khối là 17. Số khối có thể coi là trọng lượng của nguyên tử tính theo đơn vị Dalton.

Mỗi nguyên tố có ký hiệu hóa học gồm một hoặc hai chữ cái riêng. Ví dụ H là ký hiệu của Hydrô, He là ký hiệu của Heli và O là ký hiệu của Oxy. Một số ký hiệu có nguồn gốc từ các ngôn ngữ