Archive for the ‘chimie’ Tag

Spre viata „artificiala” – un pas mai departe   14 comments

Afirmam si in alte posturi aceasta evidenta: Viata – doar chimie si fizica !  Fiintele reprezinta un fenomen perfect natural, consecinta a cresterii complexitatii (locale, in conditii propice) materiei, pe traseul: supa de quarci, fotoni, atomi usori (H si He), stele de generatia 1, stele de generatia 2 + sistemele planetare, planete cu conditii favorabile, Viata.

Echilibrul fortelor nucleare si distributia particulara a electronilor in jurul diverselor nuclee atomice fac posibile un numar colosal de combinatii chimice, iar din unele din acele combinatii am evoluat noi. Caci toate fiintele sunt o colectie mai mare sau mai mica de substante aflate in permanente reactii chimice – facand schimburi de materie cu mediul si alimentate cu energie direct sau indirect de Soare sau alte astre.

Inteligenta umana (sa recunoastem, achizitie foarte recenta la scara evolutionista) a facut pasi importanti in deslusirea fenomenelor care „anima” o fiinta vie, principalele obstacole fiind multitudinea de procese bio-chimice si, mai ales, scara infinitezimala la care acestea se produc – scara la care nivelul nostru tehnologic abia acum a ajuns. Si pentru ca o problema cheie este sistemul de „asamblare” a fiintei din substante chimice comune, numeroase studii s-au axat pe studiul ADN.

Ce inseamna inca 2 baze ADN

In aceste domenii s-au facut progrese imense, dar sa nu uitam ca ABIA in 1953 a fost pus in evidenta ADN-ul ! De atunci am deslusit ca acesta este un lant dublu al unui polimer tinut legat de legaturile de Hidrogen ale unor „trepte”. In mod curios, aceste „trepte” sunt formate din doar 4 tipuri de baze azotate, celebrele Adenina, Citozina, Guanina si Timina. Si pentru ca acestea se pot lega chimic doar doua cate doua (A cu T si viceversa, G cu C si viceversa), rezulta ca dubla elice a ADN-ului este legata cu doar DOUA tipuri de perechi de substante chimice – legaturi care contribuie decisiv la procesul de duplicare exacta a ADN-ului in procesul de multiplicare a celulei.

Ei bine, dupa marele succes al lui Craig Venter – care a reusit sa anime o bacterie inlocuindu-i ADN-ul original cu unul „artificial” asamblat in vitro din segmente disparate, o echipa de cercetatori de la Scripps Research Institute (SUA) au anuntat in revista Nature ca au introdus cu succes o a TREIA pereche de baze azotate in ADN-ul unei bacterii Escherichia coli (aceeasi E-coli care produce infectii intestinale si urinare), iar bacteria s-a reprodus si a functionat normal cu codul modificat !

Mai exact, reusise  introducerea acestor noi baze azotate inca de acum cativa ani, dar mecanismele celulare de intretinere nu reparau si aceste „exo-trepte”, astfel incat ele dainuiau putin si nu erau transmise urmasilor. Problema a fost solutionata prin scufundarea celulei intr-o solutie continand noile baze si adaugarea unei substante cu rol de caraus intra-celular – intocmai cum se intampla in procesul natural. In aceste conditii, ADN modificat a fost reparat si duplicat corect, singurul motiv pentru care nu era transmis pe termen lung urmasilor fiind cel evolutionist: nu exista si SCOPUL biologic pentru care bacteria sa mentina aceasta modificare ! Caci se stie, secventele ADN au rolul principal de a codifica fabricarea unor proteine necesare organismului.
De aceea, urmatoarea tinta a cercetatorilor este aceea de „a upgrada” modificarile ADN astfel incat acesta sa produca proteine utile organismului, iar de aici se intrevede o uriasa gama de aplicatii medicale, industriale, protectia mediului, etc.

Ca sa zugravim realist situatia, trebuie sa subliniem ca mai avem pana la a „produce” o fiinta vie de la zero, in aceasta etapa invatam sa manipulam „softul unui computer”, n-am construit si computerul ! Deocamdata, experientele asupra ADN folosesc ca echipament de testare si replicare mecanismele celulare naturale – care la randul lor prezinta un grad mare de complexitate. Dar ideea este ca se apropie momentul in care vom „fabrica” o fiinta de la zero, din substante chimice banale. Si iata, nu numai copiind o solutie naturala/terestra, ci INVENTAND unele noi !

Sa abordam si acest punct de vedere – ingineria ADN merge spre fundamentele microscopice ale Vietii si exista voci tematoare care ridica probleme de etica si securitate biologica, cerand o legislatie mai restrictiva. Parerea mea este ca ORICE ESTE POSIBIL SE VA INTAMPLA, orice poate fi descoperit va fi descoperit,  indiferent cate baraje legale incerci sa ridici. De aceea, cred ca este mai constructiv ca cercetarea sa ramana „la vedere”, pentru a asigura macar respectarea normelor generale de biosecuritate.

Mica Modificare

Bun, acest pas inainte spre deslusirea mecanismelor celulare conduce la cateva concluzii:

1. Cum am mai spus, si aceasta comunicare stiintifica demonstreaza ca deslusirea functionarii unui organism viu este pur si simplu o chestiune tehnica, inginerie biochimica ! Nu este nimic misterios, va veni negresit ziua cand vom stii TOT despre aceste mecanisme biologice, si inca va veni repede. Un organism este o „adunatura” de substante chimice asezate la locul potrivit, iar odata puse acolo functioneaza „de la sine” datorita legilor Universului ! 

Negresit, aceste cunostinte deschid o cutie a Pandorei, dar ca si in cazul altor descoperiri (vezi energia nucleara) totul depinde de cum sunt utilizate, iar progresul stiintific nu poate fi oprit. De pilda, poate ca ar trebui sa ne bucuram ca nu traim vremea cand orice scolar poate crea un virus letal in laboratorul scolii, dar poate sa ne para si rau ca nu am apucat acele vremuri cand durata medie a vietii va fi de 300 de ani ! 🙂

2. Mai exista o perspectiva: ne gandim ca Natura terestra s-a „chinuit” 3,5 MILIARDE de ani sa „produca” o fiinta inteligenta, plus multitudinea celorlalte minunate adaptari naturale. Dar iata ca NOI, stim deja sa construim lucruri mai performante decat cele naturale ! E adevarat ca de multe ori solutiile naturale ne-au fost model si Natura „ne da inca lectii”, dar sa privim viitorul, creatiile noastre vor depasi limitele biotopului terestru (daca nu o si fac deja), vor depasi limitele programate prin ADN !  Evolutia biologica nu mai este de ajuns pentru noi – trecem la evolutia tehnologica  – si cate oare nu se vor schimba radical ?! (amendament: o evolutie tehnologica poate fi privita ca o etapa extinsa a evolutiei biologice).

3.  In al treilea rand, sa observam ca acest succes arata ca Viata – asa cum o stim noi de pe Terra – nu este o solutie unica, ci admite diverse variante constructive (din ce stim pana acum, se pare ca toate fiintele terestre functioneaza cu acelasi mecanism ADN, de la elefant la cea mai mica bacterie – dovada ca toate au evoluat din aceeasi bacterie). In mediul terestru, probabil din motive de abundenta, ADN-ul contine doar doua perechi de perechi de baze azotate. Dar iata ca se poate si cu 3 si probabil cu mult mai multe baze. Poate ca exista Viata si fara baze, poate si fara ADN, poate si fara multiplicare, etc. Iar acest lucru ne arata, brrrr,  cat de raspandita trebuie sa fie Viata in Univers si multitudinea uriasa de posibilitati ! Iar pe mine unul, zau ca aceasta concluzie nu ma entuziasmeaza deloc, daca stim un lucru sigur despre Viata, stim ca ea este un fenomen foarte competitiv …

 

Premii Nobel 2012: Chimie   Leave a comment

As vrea sa trecem in revista si anul acesta varfurile stiintifice reprezentate de premiile Nobel. Ma rezum la stiintele „tari”, cele pe care s-a construit (la propriu) civilizatia.

Premiul Nobel pentru Chimie pentru anul 2012 a fost acordat lui Brian Kobilka si Robert Lefkowitz pentru cercetarile asupra receptorilor moleculari.

Am mai subliniat aceasta idee – toate organismele sunt niste sisteme biologice automate, in spatele tuturor manifestarilor lor stau oarecum banale mecanisme fizico-chimice – ne ramane numai sa le identificam, si s-au facut multi pasi in aceasta directie. Ideea principala este ca inca de la prima protocelula, a fost nevoie de sisteme selective de comunicare cu mediul, sisteme care sa-i comande comportamentul sub imperiul unor factori externi, in conditiile in care una din principalele solutii ale autoprezervarii a fost „inventarea” peretelului celular. Era limpede ca „mesagerii celulari” trebuiau sa penetreze selectiv aceasta membrana, ajungand la sistemele de comanda, dar cum ? Intuitiv, se parea ca peretele celular trebuie sa inglobeze niste receptori care sa permita transmiterea mesajelor externe.

Inca de la inceputurile secolului 20 s-a descoperit ca mecanismul fiziologic de comunicare intre celulele constituente ale corpului este sistemul hormonal. O sumedenie de glande endocrine sunt raspandite in corpul uman (epifiza, hipofiza, tiroida, timusul, suprarenalele, pancreasul, ovarul/testicolele) si secreta hormoni cu functii de comunicare si reglare. Descoperirea celor 2 profesori americani arata cum interfereaza acesti hormoni cu receptorii celulari si mecanismele interne ale celulei.

Problema a fost dificila, cercetarile s-au intins de-a lungul intregului secol – si asta in conditiile in care peste jumatate din medicamentele prescrise se bazau pe existenta presupusilor receptori celulari, cu functionalitate demonstrata numai empiric:

-In anii 1940, savantul american Raymond Ahlquis, analizand reactiile diverselor organe la hormoni de tipul adrenalinei, a ajuns concluzia experimentala ca trebuie sa existe doua tipuri diferite de receptori pentru adrenalina, dar n-a putut sa-i identifice. El i-a numit receptori alfa şi beta. La putin timp dupa aceea, au fost sintetizate medicamentele beta blocante – utilizate cu succes si astazi in bolile de inima.

Mecanismul transferului informatiei de la exteriorul la interiorul celulei (imagine: scientia.ro)

– La sfarsitul anilor 1960, Robert Lefkowitz isi propune sa identifice receptorii celulari. Abia in 1970 anunta ca a reusit sa identifice un receptor activ. Timpul trece si  Alfred G. Gilman / Martin Rodbell (Premiul Nobel pentru Medicină 1994), identifica in interiorul celulei o proteina (numita generic proteina G) care influenteaza metabolismul celulei, dar inca lipsea legatura cu comenzile sosite din exteriorul celulei.

– In 1980, Lefkowitz decide ca echipa sa trebuie sa identifice gena care codeaza receptorul celular. In acelasi an este cooptat in echipa tanarul medic Brian Kobilka. El demonstreaza ca receptorul este format din sapte corzi spiralate lungi si grase. Semnificativ a fost ca acesta avea exact aceeasi forma de spirală ca aceea a unui alt receptor care fusese descoperit in altă zona a organismului: receptorul de rodopsina de la nivelul retinei ochiului. Asta a fost revelatia si apoi a urmat si demonstratia: in diferitele tesuturi ale corpului exista o familie completa de receptori celulari care arata si funcţioneaza in aceeasi maniera !

– Ambitia lui Kobilka a mers foarte departe, el dorea – nici mai mult nici mai putin – sa obtina o imagine a receptorului celular exact in momentul in care transfera semnalul din exterior provenit de la hormon catre proteina G – in interiorul celulei ! Fiind vorba de structuri foarte mici, abia in 2011 a reusit acest ambitios obiectiv, iar premiul Nobel 2012 a recompensat extraordinara realizare  a celor doi, care deschide calea aparitiei unor noi clase de medicamente mai eficiente, mai tintite.

– Cercetarile ulterioare au demonstrat ca receptorul celular este multifunctional, reactionand la mai multe tipuri de hormoni si transmitand in interior semnalul catre mai multe tipuri de substante de comanda, nu numai catre proteina G.

Finalizarea Proiectul Genomului Uman in 2003 a permis identificarea a peste 1000 de gene care codeaza receptori celulari. In jur de jumatate din acestia sunt olfactivi – sensibili la mirosuri. O treime sunt receptori hormonali, altii au rol in receptia luminii, functioneaza in papilele gustative, etc. Au mai ramas inca aproximativ 100 de gene care codeaza receptori celulari cu rol necunoscut – o provocare de viitor pentru cercetatori.

Tabelul periodic al elementelor   Leave a comment

Am observat ca exista cautari frecvente dupa Tabelul/tabloul periodic al elementelor (practic, aceasta este lista tipurilor de atomi din care este formata materia barionica din Univers), asa ca m-am gandit sa pun la dispozitie posterul dedicat al Scientia si sa vedem cateva informatii conexe.

Dmitri Ivanovici Mendeleev (1834-1907)

Tabloul sau Tabelul elementelor se mai numeste si „al lui Medeleev„. Cine era acesta ?

Dmitri Ivanovici Mendeleev (1834-1907) a fost un chimist rus, recunoscut a fi cel care a creat prima varianta completa a tabelului periodic al elementelor. A avut o copilarie foarte grea, fiind unul dintre cei 15 copii ai familiei Mendeleev care traia in Siberia. Atunci cand tatal lor a murit, mama lor i-a mutat la oras, la Sankt Petersburg, muncind din greu sa-i intretina. Recunoscand in Dmitri Ivanovici un copil sarguincios si ambitios, a facut eforturi supraomenesti sa-l inscrie la Universitate. Dupa un esec initial, ea a reusit la a doua tentativa, cu putin inainte de a se sfarsi.

Mendeleev era cunoscut ca un nonconformist si foarte incapatanat, dar cu mare putere de munca. Cunostea bine toate cele 63 de elemente chimice descoperite pana la acea data – ceea ce nu-i putin intr-o vreme in care comunicatiile se faceau cu viteza… calului. Privind descoperirea tabloului, circula urmatoarea legenda:

Dupa lungile ore de concentrare in teorii si experimente, Mendeleev se relaxa dand pasente – o cunoscuta indeletnicire prin cercurile mondene de la acea data. Asa i-ar fi venit ideea sa faca cartonase si sa incerce sa grupeze elementele chimice dupa masa atomica (nu era cunoscut electronul, protonul si neutronul) si proprietatile fizico-chimice. Ore in sir a incercat diverse solutii, dar, desi simtea ca era aproape de o idee epocala, aceasta refuza sa se concretizeze. Oboseala l-a biruit si a adormit cu capul pe birou. Deodata s-a trezit brusc cu solutia in minte !

In realitate, Mendeleev a lucrat multe luni la diverse variante ale tabelului, inainte de a propune varianta finala.

Pe 6 martie 1869, Mendeleev a prezentat Societății Ruse de Chimie o lucrare denumită Dependența între proprietățile masei atomice a elementelor, care propunea folosirea masei atomice si a valentei pentru a clasifica elementele. Grupele (coloanele) ca si perioadele (liniile) contineau elemente cu caracteristici fizico-chimice similare (grupa da comportamentul chimic, determinat de numarul de electroni de pe ultimul strat).

Cu cativa ani mai devreme, Julius Lothar Meyer (1830-1895), un chimist german, publicase o versiune asemanatoare a tabelului (1864 – Die modernen Theorien der Chemie), clasificand dupa valenta lor 28 de elemente in 6 grupe. Mentalul public l-a retinut numai pe Mendeleev din doua motive: el a grupat toate elementele cunoscute si, in mod remarcabil, a prezis culoarea, starea de agregare si masa atomica a elementelor care lipseau din tabel (le-a numit eka-elemente) ! Aceasta predictie a fost privita initial cu neincredere, dar dupa 10 ani a fost descoperit Galiul si dupa alti 15, si Germaniul !

Tabelul a crescut mereu, pe masura dezvoltarii fizicii nucleare – oferind o imagine a modului în care se completează nivelurile energetice ale atomilor. Ultimele elemente aprobate oficial se numesc Darmstadtiu, Roentgeniu si Coperniciu, cu numerele 110, 111 si 112 . Toate trei fac parte din asa-numitele elemente super-grele sau trans-uraniene – fiind elemente instabile (cu timp de descompunere foarte mic) create in laborator.

De mentionat ca tabloul initial continea si erori, unele le-a corectat chiar Mendeleev, dar altele au persistat pana in secolul 20. Ca element anecdotic, se spune ca Mendeleev a patentat actuala reteta a vodcii, respectiv continutul de fix 40% alcool. In realitate, standardul rusesc de 40 de grade al vodcii au fost stabilit în Rusia în 1843, pe cand Mendeleev avea doar nouă ani…

Iata aici posterul Scientia la dimensiune maxima 4,53 mb, care contine elemente detaliate privind caracteristicile fiecarui element. O varianta de lucru buna este si articolul de pe Wikipedia, care vine cu cateva precizari si va permite sa aflati notiuni mai detaliate despre fiecare element facand click in tabelul lui Mendeleev !

PRECIZARE 1: Pentru final, as vrea sa raspund unora care se intreaba „cate elemente chimice exista in Univers” si cate dintre ele cunoastem noi . Raspuns: le cunoastem pe TOATE cele formate din materie obisnuita (barionica) in conditii cosmice „normale”, adica pe paliere comune de presiune, temperatura, gravitatie, densitate a campului electromagnetic, etc. De pilda, nu va asteptati ca pe „planeta X” sa fie descoperit vreun element chimic necunoscut – Universul s-a dovedit a fi foarte omogen, iar omogenitatea legilor care il guverneaza face ca oriunde (cu exceptia unor anomalii gen stele neutronice, gauri negre, etc) sa apara aceleasi elemente chimice cunoscute noua deja.

PRECIZARE 2: „Pai bine, si atunci ce este cu sirul nesfarsit de anunturi privind descoperirea unor noi elemente chimice ?” Iata raspunsul:  in conditiile „normale” din Univers, cu cat mai mare numarul de protoni in nucleu, cu atat elementele devin mai instabile (timp de injumatatire mic) – pur si simplu, fortele nucleare de respingere reciproca nu ingaduie stabil in nucleu prea multi protoni.  In consecinta, TOATE elementele dupa Uraniu au fost, sunt si vor fi obtinute ARTIFICIAL, in reactoare nucleare, imbogatind nucleul cu mai multi protoni numai pentru extrem de scurt timp  – imediat un astfel de nucleu se scindeaza in elemente mai usoare.

Daca vreti o extindere a ideii, toate elementele grele si supergrele sfarsesc prin transmutatie radioactiva in izotopi de PLUMB – 100% stabili (exista 3 familii radioactive, familia „radiu-uraniu”, familia „actino-uraniu” si familia thoriului – toate sfarsesc in cele din urma in izotopi stabili ai plumbului, DAR aceste cicluri pot fi extrem de indelungate).

Tabelul periodic al elementelor in versiunea Scientia.ro

UPDATE 06.12.2011
Două noi elemente, Fleroviu (114) si Livermoriu (116), descoperite in urma cu aproximativ 10 ani in cursul unor experimente din laboratoare nucleare, au intrat la 1 decembrie in procesul de analiza a Uniunii pentru Chimie Pura si Aplicata, in vederea aceptarii oficiale in tabelul lui Mendeleev, proces care dureaza indeobste aproximativ 5 luni.

Fleroviu a fost denumit dupa numele laboratorului nuclear rus unde a fost descoperit – care la randul sau era numit asa dupa savantul rus Gheorghi Flerov (1913-1990), parintele bombei atomice sovietice.
Celalalt element a fost denumit dupa laboratorul american din orasul Livermore – unde a fost descoperit.

UPDATE 06.05.2014
Potrivit unui studiu publicat la 1 mai 2014 in „Physical Review Letters”, o echipa de cercetatori de la acelasi Lawrence Livermore National Laboratory – SUA, in colaborare cu Joint Institute for Nuclear Research Dubna– Rusia, au sintetizat elementul cu numarul atomic 117, numit provizoriu „Ununseptium„. Ca de obicei, studiul este avansat spre analiza Uniunii pentru Chimie Pura si Aplicata, in vederea recunoasterii oficiale a noului element.

Va sfarsi lumea in foc sau gheata ?   Leave a comment

Viitorul alternativ al Universului

Saptamana trecuta s-au acordat niste Nobeluri (il stiti, premiul cetateanului-dinamita care s-a pocait la batranete), as vrea sa vorbim un pic despre premiile pentru fizica, chimie si medicina.

1. Prin anii ’20 ai secolului trecut, Edwin Hubble (confirmat si de alti astronomi) a constatat ca spectrul radiatiei provenind de la galaxii se deplaseaza spre rosu. Conform efectului Doppler, a rezultat o concluzie uluitoare pentru acele vremuri: aproape toate galaxiile se departeaza de noi ! Mai mult, a demonstrat ca exista o proportionalitate intre variatia spectrului electromagnetic al unei anumite galaxii și departarea acesteia de planeta noastra – rezultand ceea ce numim astazi „constanta lui Hubble(v = H x d, unde v=viteza, H= constanta si d=distanta). Consecinta a fost colosala pentru intelegerea realitatii: mergand inapoi in timp, Universul era din ce in ce mai mic – pana la singularitatea care a erupt in Big-Bang !

Bun, cunoastem trecutul, dar viitorul ? Va incetini oare vreodata expansiunea Universului si, inversandu-si sensul, vom pieri intr-un fierbinte Big Crunch ? Sau expansiunea va continua la infinit, Universul devenit tot mai intunecat si rece, va sfarsi inghetat pe vesnicie ? Raspunsul la aceasta intrebare ar fi destul de simplu de calculat daca am cunoaste precis compozitia/densitatea Universului.

De la descoperirea lui Hubble, tehnica a avansat si astronomii au inceput sa calculeze viteza de expansiune a unor galaxii din ce in ce mai indepartate.  Incepand din 1998 grupurile de cercetare High-z Supernova Search Team si Supernova Cosmology Project a publicat masuratorile facute pentru cateva supernove extrem de departate – rezultand o concluzie extrem de importanta: Galaxiile departate sunt accelerate mai mult decat prevedea legea lui Hubble, Universul este cuprins de o dilatare accelerata !

Acest fenomen nu concorda cu observatiile de pana atunci. In ultimii ani, chiar se descoperise o noua forma misterioasa a materiei din univers – „materia intunecata„, cea care, desi invizibila optic, „strange” galaxiile si care, ca orice forma a materiei, are  efect de franare a expansiunii !

Castigatorii Premiului Nobel de anul acesta, Brian Schmidt, Adam Riess si Saul Perlmutter au lansat ideea „energiei intunecate” – o forma stranie de energie, care nu a fost inca observata direct, dar care explica efectul de expansiune accelerata a Universului. Pana nu se va lamuri care este continutul real al Universului nu se va putea raspunde cu certitudine la intrebarea din titlu, dar va promit daca se afla o sa va anunt daca este cazul sa va pregatiti subele sau costumele de baie 🙂 ! Cei trei cercetatori isi pregatesc precis costumele de baie, pentru ca au impartit (25:25:50) 1, 44 milioane de dolari !

Model cvasicristal

2. In dimineaţa zilei de 8 aprilie 1982, Daniel Shechtman (profesor la Institutul de tehnologie al Israelului) a observat sub microscopul electronic o imagine care parea ca incalca legile cunoscute ale naturii. Pana atunci, se stia ca atomii dintr-un cristal sunt asezati in modele simetrice, repetate periodic. Shechtman a descoperit un cristal ai carui atomi erau asezati simetric, dar nu exista un model repetitiv ! (cam cum arata fractalii !) . Distanta dintre atomii cvasicristalelor lui Shechtman respecta raportul de aur, „fi”, primul numar irational descoperit in istorie (de Euclid). Cine isi mai aduce aminte de clasele gimnaziale stie ca acest numar are un numar infinit de zecimale care nu se repeta niciodata (neperiodic) !

Oamenii de stiinta sunt formati sa fie sceptici definitoriu (bine fac !) si initial au respins afirmatiile lui Shechtman. Ulterior, au fost nevoiti sa-si ceara scuze,  fiind create si alte tipuri de cvasicristale in laborator. Apoi au fost descoperit cvasicristale naturale într-un rau din Rusia, iar o compania suedeză a descoperit cvasicristale intr-un anumit tip de otel cu caracteristici extrem de dure. Cercetarile sunt in plin avant, aplicatiile cvasicristalelor fiind nenumarate !! Pentru serviciile aduse umanitatii, Daniel Shechtman a primit Premiul Nobel pentru Chimie, o diploma insotita de 1,44 milioane de dolari !

Un manual pentru multe generatii de studenti !

3. Bruce A. Beutler, Jules A. Hoffmann si Ralph M. Steinman, laureatii Nobelului pentru medicina de anul acesta au revolutionat intelegerea sistemului imunitar, relevand noi principii privind raspunsul acestuia la atacurile „inamice” si „prietene”.  Beutler si Hoffmann au fost premiati pentru cercetari referitoare la activarea imunitatii innascute, iar Ralph M. Steinman pentru descoperirea celulei dendritice si a rolului ei in imunitatea adaptiva.

Se stia deja ca omul are doua sisteme imunitare, cel innascut si cel adaptiv. Cel innascut nu este personalizat si nu are memorie dar este rapid si puternic, actionand pentru blocarea infectiei, provocand, de pilda, tumefieri,  inrosiri si cresterea temperaturii.

Daca microorganismele trec de acest baraj, intra in functiune un al doilea sistem imunitar, mai lent dar foarte inteligent, care „citeste” invadatorii prin intermediul unor celule dendritice, producand apoi anticorpii adecvati prin intermediul celulelor de tip T si B.

Acest al doilea sistem are memorie, iar organismul va reactiona a doua oara mult mai repede (pe acest principiu bazandu-se vaccinurile).

Pentru ca omul nu este un mecanism perfect (inca o dovada ca nu are o natura „divina”, fiind rezultatul unui experiment mai mult sau mai putin reusit al naturii), problemele apar cand aceste sisteme reactioneaza prea slab (provocand infectii mortale, metastaze cancerigene, etc) sau excesiv (nerecunoscand si atacand celule „prietene” – cum se intampla in cazul astmului, poliartritei reumatoide si maladiei lui Crohn). Cercetarile laureatilor de anul acesta au deschis noi directii in dezvoltarea preventiei si tratarii infectiilor, a cancerului si a bolilor inflamatorii autoimune – reprezentand practic 3 sferturi din bolile de care sufera omul.

Premiul Nobel pentru medicina are o valoare de 10 milioane de coroane suedeze (1,08 milioane de euro), jumatate din suma fiind impartita de Beutler si Hoffmann, cealalta jumatate revenindu-i lui Steinman.

Din pacate, Ralph Steinman a trecut in nefiinta la varsta de 68 de ani, cu numai 3 zile inainte de a afla vestea obtinerii Premiului Nobel. Potrivit regulamentului, premiul nu se acorda postum, dar anul acesta Comisia a facut o exceptie, numele lui adaugandu-se la cele ale altor titani ai stiintei premiati din 1901 incoace.

PS: Se mira un amic: nu exista viata dupa moarte ? Atunci care mai este scopul vietii ?  Scopul natural programat este dainuirea speciei din care faci parte, in particular si a vietii ca sistem de organizare a materiei/energiei, la modul general. Muncind pentru tine, pentru familia ta, pentru tara ta si pentru umanitate – nu faci decat sa-ti indeplinesti acest rol ! Exact ce fac si aceste varfuri, au muncit pentru ei si pentru Umanitate, iar Umanitatea i-a recompensat prin intermediu unui premiu lasat mostenire de alt cercetator – care imbogatit dintr-un compus distrugator (dinamita), a considerat de cuviinta sa construiasca post-mortem.

Morala de final imi aduce aminte de o gluma din vremea socialismului biruitor: intr-un schimb de experienta romano-japonez, conationalul nostru era foarte nedumerit de sarguinta excesiva a japonezului:

– Da’ pentru cine lucrezi tu ca un disperat ?, il intreaba pe asta mic, galben si cu ochii oblici.
– Pai, pentru mine, pentru patron, pentru Imparat si pentru Japonia !
– Aaaa, pai tu esti un fraier ma, eu lucrez doar pentru mine – caci patron n-avem, imparat n-avem si de ce mi-ar pasa mie de Japonia ?!?

Viata – doar chimie si fizica (3)   Leave a comment

11. CARACTERISTICILE VIETII

In capitolele anterioare am prezentat cum au aparut caramizile vietii si abundenta acestora in Univers. Mai mult, am demonstrat cum apar prin reactii chimice compusi organici complexi regasiti atat in materia nevie cat si in entitatile vii, ramand doar un pas de facut spre ceea ce numim „VIATA„. Privind retrospectiv si la scara macro, „viata” este un efect al complexitatii posibile (si chiar probabile) a unor compusi chimici, nu exista un hotar care desparte lumea vie de cea nevie.

Dupa cum se va vedea, NU ESTE VORBA DE UN „MARE PAS”, CI DE MAI MULTI PASI MAI MICI parcursi in natura in MILIARDE DE ANI de conditii propice !

Unele persoane se intreaba neincrezatoare  „cum de s-a intamplat ca tocmai noi sa beneficiem de aceste conditii favorabile, nu se poate, sansa e prea mica !”  Aceasta este o eroare logica, IN PRIMUL RAND NU ESTE O PROBLEMA CARE TINE DE PROBABILITATI/INTAMPLARE, CI ESTE VORBA DE UN DETERMINISM FIZICO- CHIMIC,  VIATA VA APAREA CU SIGURANTA ORIUNDE CONDITIILE PERMIT (inclusiv in alte forme decat cele terestre). In al doilea rand, daca ne incapatanam sa gandim in termeni de sansa, noi TREBUIE SA PRIVIM LUCRURILE PRIN PRISMA CASTIGATORULUI LOTERIEI, PENTRU CA NOI CHIAR SUNTEM CASTIGATORII LOTERIEI ! Este ca si cum i-ai spune laureatului de la 6/49 ca este imposibil sa fi castigat realmente Marele Premiu, caci avea sanse de numai 1/1.000.000.000 ! Nu este relevant ca sansa era foarte mica, important este ca ceilalti au pierdut si el a castigat ! (O sa regasiti aceasta idee sub denumirea de „principiul antropic”).

Sa revenim la caracteristicile care deosebesc materia vie de cea nevie. Desi acest subiect este inca in dezbatere si supus actualizarilor odata cu noile descoperiri stiintifice, s-au cristalizat elementele definitorii ale VIETII (cel putin in sens terestru – un Univers cvasi-infinit poate oricand sa ne surprinda), respectiv:

AUTODEZVOLTARE (crestere, schimburi cu mediul, etc);

AUTOCONSERVARE (homeostaza, autoprezervare);

AUTOREPRODUCERE (replicare);

Actualmente exista 2 curente stiintifice privind aparitia primelor fiinte, unii cercetatori considera ca primul pas a fost AUTOREPLICAREA primelor forme de ARN, ulterior aparand membrana celulara in jurul acestora, altii considera ca mai intai au aparut entitati protocelulare capabile de AUTOCONSERVARE si AUTODEZVOLTARE – deci cu un metabolism primitiv, care abia apoi au achizitionat ARN capabil de autoreplicare.

12. TEORII si EXPERIMENTE privind aparitia vietii

N-o sa insist prea mult in aceasta directie, gasiti pe net material mai aprofundat. Este de subliniat ca, de fapt, in trecut nici nu s-au facut eforturi serioase in aceasta directie, nu era o tinta profitabila pentru marile laboratoare si nici nu era un subiect prea bine vazut de opinia publica, preponderent religioasa. Desigur, existau si obstacole tehnologice. Sa trecem in revista totusi principalele teorii si experimente:

Teoria Oparin-Haldane

Savantul rus Oparin (în 1924) şi omul de ştiinţă britanic Haldane (în 1929, înainte ca lucrarea lui Oparin să fi fost tradusă în engleză) au emis, independent unul de celălalt, teoria apariţiei vieţii din materie anorganică, în condiţiile existente pe Pământ în urmă cu cca. 3,8 miliarde de ani, aşa cum credeau ei că au fost: atmosfera reducătoare, lipsită de oxigen; descărcări electrice; radiaţii ultraviolete puternice. Primele alcătuiri care, deşi lipsite de viaţă, amintesc oarecum de ceea ce numim celule, ar fi putut fi aşa-zisele coacervate – mici picături sferice de materie organică, plutind într-un lichid, care prezinta proprietati de crestere si diviziune (datorate presiunii osmotice). Oparin a sugerat că acestea ar fi putut fi un fel de precursori ai celulelor. Asemenea structuri apar spontan în anumite soluţii de substanţe organice şi au fost studiate, în 1932, de cercetătorul olandez de Jong, care a realizat diverse experimente cu coacervate, demonstrând că acestea posedă, la un nivel rudimentar, proprietăţi asemanatoare materiei vii.

Experimentul Urey-Miller

În 1952, savantul american Harold Urey a publicat o lucrare în care descria compoziţia probabilă a atmosferei terestre pe vremea când se presupunea că ar fi apărut viaţa. Urey susţinea că, spre deosebire de atmosfera actuală (care conţine 78% azot şi 21% oxigen), atmosfera străveche era constituită mai ales din metan, amoniac şi hidrogen, alături de vapori de apă. Urey i-a propus unui foarte promiţător student de-al său, Stanley Miller, să întreprindă un proiect de cercetare în cadrul căruia să încerce să sintetizeze compuşi organici într-un mediu asemănător atmosferei primare a Terrei.

Dupa aplicarea unor descarcari de 60.000  de volti timp de 1 zi unui amestec de gaze similar cu atmosfera straveche a Terrei, solutia obtinuta continea un mare numar de substante organice complexe, despre care se stia ca sunt prezente in materia vie: 25 de aminoacizi (cei mai abundenti fiind glicina, alanina si acidul aspartic), diversi acizi grasi, zaharuri, hidroxiacizi si amide. „Moleculele vietii“ fusesera pentru prima data obtinute pe cale artificiala!

In experimente similare, C.Ponnamperuma pe langa aminoacizi, a mai obtinut si diferite baze azotate prezente in ADN: adenina, guanina, uracil si timina. Ulterior, J. Shram a obtinut nucleotide.

Teoria protenoidelor

Experimentele făcute de S.W. Fox în 1965-1969 arată că, din acizii aspartic şi glutamic, se pot forma aminoacizi si polimeri, numiţi proteinoide sau proteinoizi datorită însuşirilor comune cu ale proteinelor. În anumite condiţii de temperatură, şi în prezenţa apei sărate, acestea pot forma microsfere (=coacervate), care au însuşirea de a-si spori volumul prin adăugarea altor proteinoizi sau prin absorbţia substanţelor din mediu, precum si însusirea de a se înmulţi prin diviziune. Acestea, la rândul lor, pot să se transforme în nişte lanţuri asemănătoare cu algele. De aici ar fi putut porni evoluţia vieţii.

Ipoteza Eigen

La inceputul anilor ’70, o echipa de cercetatori de la Institutul Max Planck, condusa de Manfred Eigen, a intreprins un studiu matematic asupra posibilei origini a vietii. Savantii au incercat sa analizeze stadiile intermediare dintre starea de haos molecular si sistemele macromoleculare capabile de autoreproducere. Evident, era nevoie de un sistem de stocare a informatiei pe baza careia se realiza replicarea – reproducerea cu exactitate a structurii initiale.

Eigen si echipa sa au pornit de la ipoteza ca acest sistem ar fi putut fi reprezentat de catre ARN (acidul ribonucleic). Acesta produce o enzima care, la randul ei, catalizeaza formarea unui nou sistem de stocare etc., totul intr-un scenariu ciclic – asa-numitul hiperciclu. Aplicand un model matematic acestei secvente de evenimente, devine teoretic posibila crearea unor „cvasispecii“ care intra ulterior in moara selectiei naturale, pe baza modelului propus de Darwin – schema clasica a evolutiei prin supravietuirea celui mai bine adaptat.
Ceea ce a facut plauzibil modelul propus de Eigen a fost descoperirea faptului ca ARN, in anumite conditii, se poate transforma intr-o ribozima, o enzima care catalizeaza ea insasi formarea ARN.

Teorii si experimente moderne

In anii ‘80, Günter Wächtershäuser a propus o solutie alternativa (diferita de cea a lui Miller si Urey) pentru explicarea aparitiei polimerilor vietii. Pornind de la ideea ca evolutia vietii este in esenta una chimica, el a afirmat ca substantele organice ar fi putut lua nastere din compusi gazosi simpli, fara implicarea unei surse externe de energie (reprezentata, in teoria lui Urey, de radiatia ultravioleta si descarcarile electrice).

Sursa de energie se gasea chiar pe Pamant: sulfurile de fier (din minerale ca pirita) sau alte sulfuri metalice. Reactiile de oxidoreducere din aceste substante minerale ar fi putut furniza energia necesara formarii substantelor organice si chiar formarii oligomerilor (lanturi alcatuite dintr-un numar mic de molecule organice) si polimerilor (lanturi lungi, alcatuite dintr-un mare numar de molecule de monomer).

Ipoteza lui Wächtershäuser mai presupune si faptul ca aceste substante ar fi putut evolua ulterior in entitati cu functii metabolice, capabile de autocataliza si autoreplicare – entitati care sa fi precedat formele de viata pe care le cunoastem astazi. Experimentele realizate au avut drept rezultat obtinerea unor cantitati mici de dipeptide (alcatuite din doi aminoacizi) si tripeptide – adica pasi in directia obtinerii unui proto-ARN.

Teoria lui Wächtershäuser a fost imbunatatita in 2002, prin cercetarile lui William Martin si Michael Russell. Acestia au imaginat un scenariu conform caruia reactiile propuse de Wächtershäuser s-ar fi desfasurat in izvoarele hidrotermale submarine, aflate la mari adancimi. Aici exista din abundenta sulfuri metalice, provenite din mantaua terestra. In asemenea formatiuni, moleculele nou-sintetizate s-ar fi putut gasi in concentratii mai mari, fapt ce sporea sansele formarii oligomerilor, iar diferentele de temperatura ar fi permis desfasurarea unor tipuri diferite de reactii in diversele parti ale sistemului (de exemplu sinteza monomerilor in regiunile mai fierbinti si oligomerizarea in zonele cu temperaturi mai scazute). Fluxul apei incarcate cu sulfuri metalice reprezinta o sursa continua de energie, iar in modelul propus, etapele evolutiei spre celula vie (reactii chimice prebiotice, sinteza monomerilor si a oligomerilor, sinteza peptidelor si a proteinelor, aparitia ARN, a ribonucleoproteinelor si a ADN) s-ar putea succeda in una si aceeasi structura, permitand schimburile intre stadii. Ultimul stadiu ar fi formarea unei membrane lipidice care ar izola entitatile si cu asta s-ar fi nascut prima celula. Ea ar fi acum capabila sa paraseasca izvorul hidrotermal si sa inceapa o dezvoltare independenta.

Alte modele vehiculate la ora actuala in lumea stiintifica includ:
– ipoteza autocatalizei, propusa de Richard Dawkins (exista substante care catalizeaza propria lor formare si acestea ar fi putut fi replicatoarele moleculare simple necesare inceputului);
– teoria argilei, lansata de Graham Cairns-Smith in 1985 (moleculele organice complexe s-ar fi putut forma, treptat, pe un substrat alcatuit din  substante anorganice, si anume din cristale de silicati in solutie);
– teoria subterana lansata de Thomas Gold in 1990, consecutiv descoperirii in roci situate la cativa km adancime sub scoarta a unor structuri filamentoase ce contineau ADN – conform careia viata nu a aparut la suprafata Terrei, ci la cativa kilometri sub aceasta.
– A.Katchasky (Israel) a forumulat Teoria absorbtiei care presupune că apariţia vieţii a fost posibilă datorită prezenţei în mediu a unor minerale speciale (montmorilomit). Aceste minerale, manifestând proprietăţi catalitice, favorizează desfăşurarea reacţiilor de sinteză, absorbţia compuşilor organici şi chiar selecţia lor în prezenţa factorilor nefavorabili. A.Katchasky impreuna cu colaboratorii săi a reuşit să obţină polimeri ai aminoacizilor cu mase moleculare relativ ridicate, sugerând astfel o altă cale de apariţie a protobiopolimerilor.  Cercetari mai recente, vin sa completeze teoria catalizarii compusilor prebiotici, la suprafata diverselor minerale, cum sunt mica, diamantul, etc.

Variantele de stanga si de dreapta ale isovalinei

Variantele izometrice de stanga si de dreapta ale iso-valinei. (Credit: nasa.gov)

Teoria panspermiei

Sunt convins ca o cunoasteti, presupune ca viata, probabil sub forma microorganismelor, provine din spatiu. Adica o contaminare accidentala. Nu ma entuziasmeaza aceasta teorie, nu pentru ca n-ar fi posibil asa ceva (ba chiar s-a confirmat ca diverse microorganisme au rezistat cu succes in spatiu cosmic pe suprafetele navetelor spatiale, rezista la impactul meteoritilor cu solul, avem meteoritul Murchinson plin de componente prebiotice, etc) ci pentru ca nu solutioneaza dilema- chimia protobiotica ramane aceeasi, este universala, deci problema ar fi doar translatata si nu rezolvata.

Trebuie mentionat totusi un studiu recent, care, analizand aminoacizii gasiti intr-un meteorit,  a remarcat ca, dintr-un motiv inca necunoscut, exista o preponderenta masiva a variantei izometrice cu orientare spatiala de stanga a iso-valinei, exact cum se intampla si in aminoacizii din ARN/ADN-ul vietuitoarelor terestre ! Aceasta ar putea fi o dovada ca viata de pe Terra ar putea proveni din spatiu, sau cel putin caramizile vietii.

Contributii foarte recente la problematica abiogenezei

In 2003 prof. Gunther von Kiedrowski A REUSIT SA SINTETIZEZE PRIMA MOLECULA CAPABILA DE AUTOREPLICARE – un fragment de acid dezoxiribonucleic compus din 6 perechi de baze !!! Detalii despre aceste experimente gasiti aici: http://www.arkat-usa.org/get-file/19231/

In 2008, profesorul american Craig Venter a anuntat crearea PRIMEI SPECII ARTIFICIALE cu un cod ADN generat de un computer,  o specie de bacterii denumita Mycoplasma mycoides, eveniment istoric generator atat de oportunitati cat si de riscuri !!!

In 2008, la simpozionul Societatii Internationale pentru Studiul Originii Vietii s-au reunit 350 de cercetatori care au prezentat 310 comunicari – aici puteti citi sinteza preocuparilor cele mai recente privind originea vietii:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2691805/pdf/11084_2009_Article_9164.pdf

12. CONCLUZII PRIVIND ABIOGENEZA (APARITIA VIETII)
 Pana in acest moment, nu se cunoaste cu siguranta care a fost calea exacta si imprejurarile certe prin care materia anorganica s-a agregat in protocelule, desi cred ca s-a parcurs mai mult de 90% din acest drum si marele anunt poate sosi dintr-o clipa in alta.  Dar deja sunt atat de multe dovezi „circumstantiale”, incat produc o demonstratie deja suficienta !

Cei sceptici scapa din vedere si ciurul selectiv al naturii, care in MILIARDE DE ANI  SI MILIARDE DE LOCURI a avut timp sa TESTEZE un numar colosal de solutii si variante ale problemei aparitiei vietii, DIN CARE AU AJUNS PANA LA NOI NUMAI VARIANTELE REUSITE ! Problema este similara cu evolutia speciilor, nu este nevoie sa gasesti fiecare veriga in parte, incepand cu prima , ca sa-ti dai seama de veridicitatea fenomenului evolutiv. Insusi faptul ca materia are capacitatea de a se agrega in forme complexe, chiar daca acele conditii au fost asigurate intr-un laborator, este o garantie ca undeva, pe Pamant, in Sistemul Solar sau aiurea s-a intamplat de nenumarate ori, si este bine cunoscut caracterul „infectios” al organismelor vii. Mie unul imi pare ca este o problema mai mare sa opresti aparitia vietii in medii propice decat s-o initiezi si precis ca ne vom lovi de aceasta problema in viitorul omenirii !

Un argument al abiogenezei (=aparitia vietii din componente anorganice) este si faptul ca NATURA FACE GRESELI ! Daca viata ar fi fost creata dupa o „reteta” sau, de pilda, daca omul ar fi fost creat dupa „chipul si infatisarea” lui Dumnezeu cum scrie in Biblie, ar trebui sa fie o creatie perfecta. Realitatea ne arata in schimb ca natura lucreaza prin incercari, ca exista o mare variabilitate, o anumita instabilitate a lumii vii – fireasca intr-un Univers in schimbare permanenta. Tocmai aceasta instabilitate este o sursa a evolutiei ! Dar tot ea produce aberatii, malformatii, maladii, etc.

Un alt aspect pe care as vrea sa-l subliniez este „vointa” presupus inteligenta a primelor forme de viata. Fratilor, nu este vorba de inteligenta in acceptiunea umana, nici vreun duh sfant care anima prima celula vie si care a „hotarat” ca trebuie sa se multiplice, este vorba de o „inteligenta” chimica, o repetitivitatea a unor structuri chimice stabilita de legile generale care actioneaza in natura (in special forta electromagnetica) si care reactioneaza adecvat cu alte structuri chimice. Daca vreti, este acelasi tip de „inteligenta” care face ca busola sa indice nordul si soarele sa apuna seara !

Comportamentul protocelulelor a fost ghidat de mediu prin „contramasuri”/mecanisme chimice, abia din momentul aparitiei unui sistem nervos la formele de viata superioare se poate vorbi de inteligenta in sens clasic ! Altfel, putem spune generic ca intreaga materie este inteligenta, ca stocheaza informatie, etc, dar numai in sens fizico-chimic !

La final, sa vedem un clip care trece in revista etapele abiogenezei in forma ei cea mai probabila:

In partea a 4-a a acestui articolul vom vedea ca viata nu are o reteta singulara, vom discuta despre protobionti, forme stravechi ale primelor bacterii si alge, metode de valorificare a energiei din mediu, structuri si solutii ale vietii in extremofilele descoperite pana in acest moment – o mica parte din lumea cvasi-infinita a microorganismelor ! Vom discuta putin si despre mecanismele evolutiei. Mai apoi vom vorbi si despre constiinta, precum si perspectivele evolutiei pe termen indepartat.

Posted 12 iulie 2011 by Liviutz in Stiinta

Tagged with , , , , , , , , ,

Viata – doar chimie si fizica (2)   Leave a comment

8. CARBONUL – un element cu proprietati unice

Dupa cum spuneam, CARBONUL este un element unic, datorita proprietatilor sale fizico-chimice. Are 6 protoni, 6 neutroni si 6 electroni (666, dar nu, nu si-a bagat nici macar Dracu’ coada aici 🙂 ) Este un element abundent in Univers (al patrulea dupa Hidrogen, Heliu si Oxigen) si al 15 -lea cel mai abundent pe Terra.

Structura atomului de Carbon

Carbonul isi aranjeaza cei 6 electroni pe  doua straturi, pe stratul exterior ramanand doar 4 electroni fata de „necesarul” normal de 8. Aceasta inseamna ca poate forma o mare varietate de legaturi covalente cu alte elemente (in special hidrogenul, oxigenul, azotul, sulful si fosforul), respectiv pana la patru legaturi simple, una sau doua legaturi duble sau o legatura tripla plus una simpla. Insa proprietile sale unice sunt datorate capacitatii sale de a forma legaturi catenare foarte stabile si de lungime aproape nelimitata cu alti atomi de carbon ! Conceptual vorbind, NU EXISTA LIMITE SUPERIOARE PENTRU DIMENSIUNEA SI COMPLEXITATEA COMPUSILOR CARBONULUI !

Printre proprietatile sale remarcabile se numara si urmatoarele:

– are cele mai inalte puncte de topire si de sublimare dintre toate elementele chimice,  ramanand solid la temperaturi mai inalte decat cele mai mari puncte de topire ale metalelor;

– are numeroase forme alotrope (functie de structura spatiala a legaturilor concatenare) cu caracteristici extrem de diferite (diamant, grafit, grafen, fulerena, nanotuburi de carbon, etc.). Este atat printre cele mai dure substante (diamant, carburi metalice) cat si printre cele mai moi solide (grafit). Poate fi atat transparent (diamant) cat si opac (carbune, grafit). Poate avea structura cristalina sau poate fi amorf. Pe cat de combinativ cu hidrogenul si oxigenul pe atat de rezistent la acizi si baze.

Alotropismului Carbonului

– desi sta la baza tuturor substantelor organice din corpul uman, este extrem de toxic in alte combinatii (cianuri, monoxid de carbon).

– a avut un impact major asupra epocii industriale, in primul rand prin aliajele de fier (OTEL-ul), cat si privind tehnologia de varf (aliaje ultradure, nanotuburi)

– are 2 izotopi naturali stabili dar si izotopul natural radioactiv Carbon-14 cu timp de înjumătăţire de 5730 ani, fiind folosit pentru datarea materialelor care contin carbon;

– „ciclul carbonului” este un fenomen vital, antrenand carbonul între biosferă, atmosferă, hidrosferă şi litosferă. Cea mai mare parte a carbonului din circuit se află sub formă gazoasă, în special sub forma de bioxid de carbon;

– cea mai simplă formă de moleculă organică este hidrocarbura – o mare familie de molecule organice compuse din atomi de hidrogen legaţi de un lanţ de atomi de carbon. Lungimea catenei, catenele laterale (ramificaţii) si grupele funcţionale influenţează proprietatile moleculelor organice.

RETINETI: Sunt cunoscuti pana in acest moment peste 12.000.000 de compusi ai CARBONULUI, fata de numai cateva zeci de mii ai celorlalte elemente chimice ! Dupa cum se vede, VIATA nu s-a folosit  de elemente rare sau slab combinative, ci de un element comun si extrem de versatil. In aceste conditii, ne mai mira ca Viata are la baza compusi complexi ai Carbonului ?

9. CHIMIA ORGANICA

Incepand de la cel mai simplu compus organic – metanul, pana la compusi biologici complexi,  derivatii organici ai carbonului sunt atat de numerosi incat a fost nevoie ca IUPAC sa reglementeze denominatia acestora !

Tipuri de legaturi ale Carbonului

Totalitatea elementelor chimice care intră în compoziţia substanţelor organice poartă numele de elemente organogene, care sunt reprezentate în principal de: C (carbon), H (hidrogen), O (oxigen), N (azot), X (halogeni), S (sulf), P (fosfor), impreuna cu unele metale. Pentru informarea dvs, iata clasificarea succinta a claselor substantele organice :

  • Hidrocarburi saturate: alcani
  • Hidrocarburi nesaturate: alchine, alchene, alcadiene
  • Hidrocarburi aromatice: arene
  • Compuşi organici cu funcţiuni: compuşi halogenaţi, compuşi hidroxilici (alcooli şi fenoli), amide, compuşi carbonilici (aldehide şi cetone), acizi carboxilici
  • Compuşi organici cu acţiune biologică: grăsimi, zaharide, proteine, aminoacizi, vitamine.

In conditii de temperatura adecvate si in prezenta unor catalizatori si enzime, compusii organici simpli TIND SA DEVINA COMPLEXI, prin reactii specifice (substitutie, aditie, oxidare, alchilare, hidrogenare si reducere, nitrare si sulfonare, esterificare, hidrolizare, diazotare si cuplare, condensare si policondensare, polimerizare si copolimerizare.

Asa decurge polimerizarea unor molecule individuale...

In reactiile de polimerizare,  “n” molecule din substanta “S” (=monomer) se unesc formand macromolecule care au aceeasi compoziţie absoluta cu a substantei care polimerizează, insa produsul rezultat are proprietăti complet diferite !

– „n” este gradul de polimerizare al monomerului si poate ajunge pana la cateva mii !

ARN-ul si ADN-ul diverselor celule vii sunt copolimerii unor nucleotide (la randul lor compuse dintr-un heterociclu,  o pentoza plus una sau mai multe grupari fosfat – o sa revenim la acest subiect). Iata, deci, cauza complexitatii „caramizilor” vietii, nimic surprinzator, nimic miraculos, doar chimie…

10. DISTRIBUTIA COMPUSILOR ORGANICI in UNIVERS

Potrivit unor observatii astronomice mai vechi, in Univers sunt destul de raspandite substante cum sunt apa, dioxidul de carbonhidrogenul sulfurat, metanul, amoniacul, acetilena, formaldehida. In ultimii ani tehnologia radiotelescoapelor a avansat si cercetatorii au inceput sa gaseasca din ce in ce mai des dovezi privind distributia vasta a unor substante organice complexe. Iata un exemplu recent:

“Am detectat prezenta unor molecule de antracen intr-un nor dens pe directia stelei Cernis 52 din constelatia Perseus, la circa 700 de ani lumina distanta de Soare”, explica un cercetator spaniol, Susana Iglesias Groth, citat de Science Daily. Dupa parerea sa, urmatorul pas este investigarea prezentei aminoacizilor in aceeasi zona. Si asta pentru ca moleculele de genul celor de antracen sunt prebiotice, iar daca sunt supuse radiatiei ultraviolete si combinate cu apa si amoniac, pot produce aminoacizi si alti compusi esentiali pentru dezvoltarea vietii.

“Acum doi ani”, continua Iglesias, “am gasit dovezi despre existenta unei alte molecule organice, naftalina, in acelasi loc, asa ca totul indica faptul ca am descoperit o formatiune stelara bogata in chimie prebiotica”.

Descoperirea antracenului prin spectrofotometrie

Pana acum, antracenul a fost depistat numai in cadrul meteoritilor, niciodata in mediul interstelar. Forme oxidate ale acestei molecule sunt des intalnite in sistemele vii si sunt active biochimic.

Pe Terra, antracenul oxidat este un compus de baza al speciilor  de aloe si are proprietati antiinflamatorii, iar noua descoperire arata ca o parte din componentele cheie din chimia prebiotica terestra sunt prezente si in materia interstelara.

Un alt eveniment  memorabil, l-a constituit sosirea celebrul meteorit Murchinson, prabusit in Australia in 1969. In acest meteorit de piatra s-au descoperit, pe langa alte substante organice,  PESTE 100 DE AMINOACIZI, inclusiv din categoria celor aflati la baza vietii pe Terra, cum ar fi glicina, alanina, acid glutamic, isovalina, pseudoleucina ! Intr-un studiu din 2010 utilizand un spectroscop de mare rezolutie s-au descoperit peste 14.000 de compusi moleculari intr-un mic fragment din meteorit, estimandu-se ca s-ar putea gasi peste 1.000.000 de substante organice daca s-ar cerceta toate cele 100 de kg ale meteoritului ! Si acest caz nu este singular, in mai multi meteoriti  de acest tip s-au descoperit substante organice…

Fiecare atom isi are locul unic desemnat de proprietatile sale

In concluzie, pana acum am demonstrat ca la scara Universului se manifesta o „inclinatie” naturala de agregare a materiei in forme din ce in ce mai complexe oriunde conditiile permit, „tendinta” generata de insasi structura si proprietatile materiei sub actiunea fortelor fundamentale.

Astfel, devine posibil ca mii de atomi individuali sa-si gaseasca fara gres locul in colosalul „edificiu” a macro-moleculei unui compus organic – fara sa existe un Proiect sau un Arhitect !

Aceleasi simple legi fizico-chimice fac ca unii compusi chimici sa „creasca” si, la nevoie, sa se „repare” (cum se intampla chiar si cu cristalele substantelor anorganice, de pilda). Si mai mult, datorita unor caracteristici mai „maleabile” si mai complexe, substantele organice au proprietati suplimentare, printre care „reorganizarea” chimica a unei molecule in functie de conditiile de mediu si „cresterea” masiva prin polimerizare. Iar divizarea unei formatiuni devenita prea mari fata de conditiile fizice din mediu este un fapt comun…la fel cum un balon de sapun se divide din cauza presiunii osmotice in cada noastra !

Iata cum materia „nevie” are caracteristici foarte asemanatoare cu cea „vie”,  este normal, caci este de fapt una si aceeasi  ! Nu exista un zid, o deosebire fundamentala care separa aceste forme ale materiei, aceasta este numai o prejudecata, intre „viu” si „neviu” este numai o deosebire fizico-chimica la nivel de complexitate care a devenit posibila in anumite conditii. Situatia este intrucatva similara cu situatia apei, care in conditii propice de temperatura/presiune este lichida si „terraformeaza” planete iar in alte cazuri este solida sau gazoasa si planetele raman incremenite sau un iad fierbinte – desi este vorba de aceeasi substanta !!!

In urmatorul post vom discuta despre urmatoarele etape de organizare ale materiei – pana la ce numim „VIU„.

Posted 8 iulie 2011 by Liviutz in Stiinta

Tagged with , , , , , , , , ,

Viata – doar chimie si fizica (1)   Leave a comment

De cate ori n-am ramas fara grai la vederea atator creatii minunate ale Vietii, parca prea complicate pentru a fi doar naturale  ? De cate ori nu ne-am simtit mandri dar si coplesiti de inteligenta superioara a Omului, de la arte la stiinte ? Si ce uriasa diferenta intre „viu” si „neviu” ! Ce scanteie divina !  Numai ca… ESTE O CONCEPTIE GRESITA !  O EROARE LOGICA CAUZATA DE LIPSA DE INFORMARE PRIVIND STIINTE FUNDAMENTALE, cum sunt CHIMIA si FIZICA ! O IDEE A STRAMOSILOR NOSTRI IGNORANTI, DAR CARE NU TREBUIE SA PERSISTE IN SECOLUL 21 !

Prin acest articol incerc sa va demonstrez ca fenomenele din Univers sunt exclusiv de natura fizico-chimica si au continuitate logica care conduce inexorabil, in conditii propice, la aparitia vietii ! Si acest fenomen se produce FARA ca Universul sa aiba  UN SCOP, FARA O VOINTA, FARA O SOARTA. Universul are doar PROPRIETATI !

Pentru a va demonstra aceasta, sunt nevoit sa incep chiar cu geneza Universului, caci Viata nu este decat o consecinta fireasca a proprietatilor acestuia ! Sa pornim, deci, la drum :

1. Universul s-a nascut acum 13,73 miliarde de ani dintr-o „singularitate”, o „bula” de energie extrem de mica si de fierbinte, o stare extrema a temperaturii si densitatii, punct in care legile fizicii cunoscute astazi nu pot fi aplicate. Nu avem decat ipoteze privind cauza nasterii Universului (o sa revin in alt post), dar nu este important pentru subiectul nostru. Semnificativ este ca legile fizicii ne pot descrie fenomenele care au urmat dupa timpul Plank, adica la o fractiune infinitezimala de timp dupa momentul „0” !

Nasterea Universului

Evolutia Universului (credit: wikipedia.org)

2. Cea mai apropiata reprezentare a nasterii Universului ar fi o explozie, de aceea i s-a spus si Big-Bang (care continua si astazi, Universul se mareste cu 5-10% la fiecare miliard de ani). In rezumat, initial nu exista decat energie pura, NIMIC MATERIAL NU PUTEA SA EXISTE, dar apoi temperatura a inceput sa scada rapid, volumul Universului sa creasca brusc iar cele 4 forte fundamentale (gravitaţia, forţa electromagnetică, forţa nucleară tare şi forţa nucleara slaba) scindate din forta unica initiala au inceput sa actioneze asupra materiei nou create. ACESTE 4 FORTE SUNT FUNDAMENTUL UNIVERSULUI in forma actuala, caci:

  • Forţa nucleară tare face ca protonii si neutronii sa ramana stabili, sa nu se descompuna in particule elementare (quarci, gluoni, etc) !
  • Forta nucleara slaba tine legati protonii si neutronii in nucleele atomilor – in ciuda fortelor electrostatice de respingere !
  • Forta electromagnetica  guvernează miscarea electronilor pe orbite in jurul nucleelor atomilor, generand toate macro-proprietatile substantelor cu care  interactionam cotidian  !
  • Forta gravitationala este forta care a condus la aparitia stelelelor, iar din stele au aparute elementele chimice „grele”, din este construita lumea asa cum o stim, inclusiv fiintele vii !

3. Revenim la firul evenimentelor:  In numai 3 MINUTE, DIN ENERGIE (fotoni) a aparut particulele elementare – o „supa” quarcii+gluoni, din acestia s-au agregat PROTONII si NEUTRONII – care alaturi de ELECTRONI  sunt constituentii tuturor elementelor chimice pe care le cunoastem astazi.  Apoi, dupa numai 1.000 de secunde de la „explozie” au aparut astfel elementele cele mai raspandite din Univers: Hidrogenul si Heliul (alaturi de alte doua elemente usoare in cantitati foarte mici: litiu si beriliu).

4. Dupa o lunga etapa de racire lenta de sute de mii de ani, „ceata” initiala isi pierde caracterul omogen si incepe sa se agrege sub influenta gravitatiei in nori de hidrogen si heliu, care devin din ce in ce mai mari si mai densi pana cand, din cauza presiunii uriase, se initiaza reactia de fuziune nucleara si se aprinde prima stea ! Stele sunt creuzetul vietii, caci prin fuziunea Hidrogenului si Heliului se formeaza elemente mai grele/complexe, de la CARBON pana la FIER ! (de ce ? Pentru cine stie ceva chimie: reactiile de fuziune pana la fier sunt exotermice, cele ale elementelor mai grele sunt endotermice).

5. Dintre miliardele de miliarde de stele, unele gigante devin supernove – sfarsind in explozii colosale care genereaza temperaturi si presiuni uriase ! In acel moment iau nastere elementele stabile mai grele decat FIERUL, de la COBALT pana la URANIU. Pentru ca supernovele sunt rare in Univers, si elementele grele sunt mai rare, de pilda AURUL din inelul de pe degetul dvs. a fost creat intr-o explozie uriasa a unei supernove !

6. Buun ! Avem acum toate elementele chimice la dispozitia noastra ! Vi s-a parut ciudat ca materia a aparut din energie (E=mc2) ? Vi s-a parut miraculos cum au fost create elemente grele pornind de la „supa” initiala formata din cuarci si gluoni – particule fundamentale infinit de mici ? Sigur ca nu, este doar FIZICA ! Proprietatile Universului au permis asta in conditiile date ! Daca in loc sa se raceasca s-ar fi incalzit, particulele elementare ar fi continuat sa ramana elementare si noi n-am fi fost aici !

Abundenta elementelor chimice in Univers

Abundenta elementelor chimice in Univers functie de masa atomica (credit: wikipedia.org)

7. Sa mergem mai departe – e timpul sa inceapa magia ! Mai bine zis, CHIMIA !  Pentru ca elementele chimice create sunt construite „microscopic” diferit (in special repartizarea electronilor pe orbite in jurul nucleului) , ele au insusiri diferite. Aceste proprietati fac ca elementele sa nu ramana solitare ci sa aiba TENDINTA sa se combine intre ele – fapt pe care il putem constata si noi in natura oriunde aruncam ochii  !

Astfel, exista doua tipuri de legaturi chimice: LEGATURA IONICA (bazata pe atractia electrostatica dintre ionii unor metale si ale unor nemetale)  – specifica substantelor anorganice si compusilor simplii si LEGATURA COVALENTA (atomii sunt legati intre ei prin punerea in comun a unor perechi de electroni) – specifica substantelor organice  si compusilor complexi.

Observati cum fortele fizico-chimice care actioneaza in Univers „obliga” elemente -in conditii propice- sa se combine, din elemente DISPARATE devenind COMPUSI, de la dimensiuni MICROSCOPICE evoluand spre dimensiuni MACROSCOPICE ! Dar nu toate elementele au acelasi „succes”. Dintre ele, cel mai de „succes” este CARBONUL, un element cu proprietati unice !

(URMARITI PARTEA A 2-A)

Posted 28 iunie 2011 by Liviutz in Stiinta

Tagged with , , , , , , , ,