?

Log in

No account? Create an account
Previous Entry Share Next Entry
Введение в биологию (II)
caenogenesis
Тема II
ВОДА




Растворителем, в котором работают почти все известные живые системы, служит окись водорода, или вода (H2O). В молекуле воды атом кислорода соединен с двумя атомами водорода одинарными ковалентными связями. Чтобы понять, почему это важно и на что это влияет, нам придется ввести несколько дополнительных понятий из общей химии.
Электроотрицательность - сила, с которой атом в составе молекулы оттягивает на себя общие с другим атомом электроны, образующие ковалентную связь. Это понятие ввел Лайнус Полинг (Linus Carl Pauling). Самый электроотрицательный элемент - фтор, за ним на шкале электроотрицательности следует кислород. Иными словами, кислород превосходит по электроотрицательности все другие атомы, за исключением фтора (который в биологической химии практически не встречается). Запомним этот факт.

неполярная.png

Электроотрицательность одинаковых атомов по определению равна. Если между двумя одинаковыми атомами есть ковалентная связь, то образующие ее электроны никуда не смещены (в рамках старинной планетарной модели атома можно сказать, что они находятся точно посредине между атомами, как на картинке). Такая ковалентная связь называется неполярной.

полярная.png
Если ковалентную связь образуют два разных атома, то общие электроны смещаются к тому из них, у которого выше электроотрицательность. Такая связь называется полярной. При очень большой разнице в электроотрицательности она может даже стать ионной - это случится, если один атом полностью “отберет” у другого общую пару электронов.

Связь между водородом и кислородом в молекуле воды - типичный пример ковалентной полярной связи. Электроотрицательность кислорода намного выше, поэтому общие электроны смещены к нему. В результате на кислороде возникает маленький отрицательный заряд, а на водороде маленький положительный; эти заряды принято обозначать буквой δ (“дельта”).



Связи кислорода с водородом или углеродом (H-O или C-O) - всегда полярные. Молекулы, в которых много таких связей, несут многочисленные частичные заряды, отрицательные на кислороде и положительные на водороде или углероде. В то же время связь между углеродом и водородом (C-H) считается неполярной: разница в электроотрицательности между этими элементами так мала, что смещение электронов незаметно. Например, молекулы углеводородов в силу этого полностью неполярны, они не несут никаких частичных зарядов ни на каких атомах.

водородные связи.png
При наличии полярных связей между водородом и кислородом частичные заряды на этих атомах (отрицательные на кислороде и положительные на водороде) притягиваются друг к другу, образуя водородные связи. Эти связи гораздо слабее ковалентных, но могут давать сильный эффект, если их много. Например, именно из-за колоссального количества водородных связей у воды очень высокая теплоемкость - ее трудно нагреть и трудно остудить. Строго говоря, водородная связь может образоваться не только с кислородом, но и с другими электроотрицательными атомами (например, с азотом или фтором).


Любые заряженные частицы в водном растворе гидратируются, то есть окружаются молекулами воды - конечно, по-разному ориентированными в зависимости от того, положительная это частица или отрицательная. Любые ионы, растворенные в воде, на самом деле присутствуют там в гидратированном состоянии, то есть с водной оболочкой. На картинке для примера показана растворенная поваренная соль (NaCl) - образец чисто ионного вещества.



Полярные молекулы (а тем более ионы) хорошо взаимодействуют с водой, образуя с ней водородные связи и (или) подвергаясь гидратации. Такие вещества хорошо растворяются в воде и называются гидрофильными. Неполярные молекулы взаимодействуют с водой гораздо слабее, чем друг с другом. Такие вещества плохо растворяются в воде и называются гидрофобными. Типичные гидрофобные вещества - углеводороды. Типичные гидрофильные вещества - спирты, такие как этанол или показанный на картинке глицерин. Вообще кислородсодержащие соединения углерода, как правило, гидрофильны, если только в них нет совсем уж огромных углеводородных радикалов.



Могут ли подойти для жизни другие растворители, кроме воды? Ответ - да. Например, двуокись углерода (CO2) при более высоких давлениях, чем наше атмосферное, становится жидкостью и представляет собой хороший гидрофильный растворитель, в котором успешно идут многие биохимические реакции. В этом растворителе могут жить даже земные микроорганизмы: например, на дне Окинавского желоба в Восточно-Китайском море обнаружено целое озеро жидкой углекислоты, в котором постоянно живут довольно разнообразные бактерии (Inagaki et al., 2006).



Некоторые исследователи предполагают, что океаны жидкой двуокиси углерода могут существовать на планетах-“суперземлях” с массой, в несколько раз превосходящей массу Земли (Budisa, Schulze-Makuch, 2014). На картинке - художественное изображение планеты GJ1214b в созвездии Змееносца.



На крупнейшем спутнике Сатурна - Титане - есть углеводородные озера и даже моря, состоящие из метана (CH4), этана (C2H6) и пропана (C3H8). Это гидрофобный растворитель, в котором тоже иногда предполагают существование жизни, хотя прямых подтверждений тому пока нет. На картине - пейзаж Титана. Жидкой воды на поверхности Титана нет, там слишком холодно.


Аммиак (NH3) - гидрофильный растворитель, образующий много водородных связей, в данном случае между водородом и азотом, и напоминающий воду по физико-химическим свойствам. На более холодных планетах, чем Земля, аммиак находится в жидком состоянии и вполне может быть средой для жизни.



Теоретически возможно существование холодных землеподобных планет с аммиачными океанами (на картинке художественное изображение такой планеты). Есть ли там жизнь, никто не знает. Но почему бы и нет? Если насчет альтернатив углеродной жизни есть сомнения, то углеродную жизнь в неводном растворителе представить гораздо легче.
Можно придумать и другие экзотические варианты - например, океан из плавиковой кислоты (HF) на планете, описанной в фантастической повести Ивана Ефремова “Сердце Змеи”. “Люди Земли увидели лиловые волны океана из фтористого водорода, омывавшие берега черных песков, красных утесов и склонов иззубренных гор, светящихся голубым лунным сиянием…” Возвращаясь к земной биохимии, будем помнить, что она - не единственная теоретически возможная.

  • 1
Растворителем, в котором работают почти все известные живые системы, служит окись УГЛЕРОДА, или вода (H2O).
Ниже по тексту двуокись углерода

Ой, сейчас поправлю

Какая вкуснотища! Именно такой курс я искал :).

Кстати сказать, ион соли(например) влияет примерно на миллион молекул воды. https://m.nkj.ru/facts/28563/
Свежее исследование

> число молекул воды в гидратной оболочки

НиЖ всё. Печально.

а всякая кремний-органика? это фантастика или есть возможность жизни и на таком базисе?

См. предыдущий пост.

Спасибо большое за статьи.
Вспомнил, за что в школе так любил химию :))

Ну это не химия :)

Это прекрасно,

пожалуйста, продолжайте.

Например, двуокись углерода (CO2) при более высоких давлениях, чем наше атмосферное, становится жидкостью и представляет собой хороший гидрофильный растворитель, в котором успешно идут многие биохимические реакции. В этом растворителе могут жить даже земные микроорганизмы: например, на дне Окинавского желоба в Восточно-Китайском море обнаружено целое озеро жидкой углекислоты, в котором постоянно живут довольно разнообразные бактерии [...]

Всё-таки это было бы уж слишком сенсационно. В статье по ссылке пишут, что как раз собственно в углекислоте - не живут, а вот по другую сторону liquid CO2/CO2-hydrate interface - таки да. То есть в гидрате углекислоты... это как бы насыщенный раствор углекислоты в воде, что ли?

Да нет, не слишком. Тут другая проблема. Насколько я понял из других статей, довольно многие ферментные системы активны даже в чистой углекислоте, но только при условии, что в активных центрах ферментов сохраняется гидратная оболочка.

Аммиак жидкий при слишком низких температурах. Мало энергии для химии, мне кажется.

А плавиковая кислота... фтор одновалентный, никаких тебе гидроксильных групп придумать не получится...

Введение в биологию (II)

Пользователь papijurus сослался на вашу запись в своей записи «Введение в биологию (II)» в контексте: [...] Оригинал взят у в Введение в биологию (II) [...]

Спасибо, очень интересно.
А вот у дельт баланса нет на картинках. Сумма отрицательных и положительных не равна нулю. Так и должно быть?

Я думаю, что это не составляет проблемы, потому что по сравнению с единичными зарядами они пренебрежимо малы.

Введение в биологию (сборка)

Пользователь pomarki сослался на вашу запись в своей записи «Введение в биологию (сборка)» в контексте: [...] Введение в биологию (II). Вода [...]

Введение в биологию от caenogenesis

Пользователь m_3713 сослался на вашу запись в своей записи «Введение в биологию от caenogenesis» в контексте: [...] Введение в биологию (II). Вода [...]

  • 1