Ý chính
2.1. Vật chất bao gồm các nguyên tố hóa học tinh khiết hoặc hỗn hợp; các nguyên tố kết hợp tạo thành hợp chất
2.2. Tính chất của một nguyên tố được xác định bởi cấu trúc nguyên tử của nó
2.3. Sự hình thành và chức năng của phân tử phụ thuộc vào liên kết hóa học giữa các nguyên tử
2.4. Phản ứng hóa học tạo và phá vỡ liên kết hóa học
Giới thiệu
Mối liên hệ giữa sinh học và hóa học
Rừng nhiệt đới Amazon ở Nam Mỹ là vị trí đắc địa cho sự đa dạng của sự sống trên Trái đất. Các loài chim, côn trùng và động vật khác đầy màu sắc sống ở đó trong một môi trường có vô số cây cối, bụi rậm, dây leo và hoa dại mọc lên; Tất cả chỉ cần một chuyến tham quan dọc theo dòng nước hoặc dọc theo con đường rừng để xem những nơi này cung cấp sự phong phú về các loài thực vật ở mức độ nào. Do đó, những du khách đi du lịch đến khu vực thượng nguồn của Amazon, ở Peru, vô cùng ngạc nhiên khi bắt gặp những thảm thực vật như thế ở tiền cảnh của Hình 2.1, trong đó hầu như chỉ mọc một loài cây duy nhất: Duroia hirsuta. Những du khách tò mò có thể thắc mắc liệu nơi này với thảm thực vật khác thường có phải là kết quả công việc của người dân địa phương hay không, nhưng người bản địa cũng ngạc nhiên trước hiện tượng này cũng như du khách. Họ đặt biệt danh cho những nơi này là “khu vườn của quỷ”, theo một truyền thuyết cho rằng sự tồn tại của chúng là do một linh hồn ma quỷ.
Để tìm kiếm lời giải thích khoa học, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Stanford gần đây đã giải quyết được bí ẩn về những địa điểm hấp dẫn này. Hình 2.2 mô tả thí nghiệm chính của các nhà nghiên cứu đã chứng minh được rằng những “người làm vườn” tạo ra và duy trì những nơi này thực chất là những con kiến sống trong hốc của thân cây có tên là Duroia hirsuta. Kiến không trồng những cây này nhưng chúng ngăn chặn các loài thực vật khác phát triển bằng cách tiêm một loại hóa chất độc hại vào những kẻ xâm nhập. Đây là lý do tại sao chỉ có những cây thuộc loài Duroia, loài kiến làm tổ, mới mọc ở khu vực này. Nhờ khả năng duy trì và mở rộng môi trường sống, một đàn kiến vườn của quỷ có thể phát triển mạnh trong hàng trăm năm.
Những loài côn trùng này loại bỏ những thực vật không mong muốn bằng cách đầu độc chúng bằng axit formic, một chất có tên bắt nguồn từ tiếng Latin formica, có nghĩa là kiến. Nhiều loài kiến được cho là sử dụng axit formic để bảo vệ bản thân khỏi sâu bệnh, nhưng kiến vườn quỷ là loài đầu tiên được biết đến sử dụng axit formic làm thuốc diệt cỏ. Đây là một bổ sung quan trọng cho danh sách các chức năng của hóa chất trong thế giới côn trùng. Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng hóa chất đóng vai trò trong việc giao tiếp với côn trùng, thu hút bạn tình và bảo vệ chống lại kẻ săn mồi.
Nghiên cứu về Vườn Quỷ chỉ là một ví dụ về sự liên quan của hóa học với nghiên cứu về sự sống.
Không giống như danh sách các khóa học trong một chương trình, bản chất không bị giới hạn thành một loạt các môn khoa học tự nhiên được thực hiện riêng lẻ: sinh học, hóa học, vật lý, v.v. Các nhà sinh học chuyên nghiên cứu về sự sống, nhưng để giải thích một số hiện tượng sống nhất định, họ cần sử dụng các khái niệm cơ bản về hóa học và vật lý áp dụng cho các sinh vật và thế giới nơi chúng tiến hóa. Sinh học là một khoa học đa ngành, một khoa học tích hợp.
Các chương trong phần này giới thiệu một số khái niệm then chốt trong hóa học áp dụng vào nghiên cứu sự sống. Chúng ta sẽ tạo ra nhiều mối liên hệ với các chủ đề được trình bày trong Chương 1. Một trong những chủ đề này là việc tổ chức sự sống thành một hệ thống cấp bậc cấu trúc, mỗi cấp độ thể hiện những đặc tính mà cấp độ trước đó không có (khái niệm về 'sự xuất hiện'). Trong phần này, chúng ta sẽ thấy sự xuất hiện này biểu hiện như thế nào ở cấp độ tổ chức sinh học thấp nhất. Chúng ta sẽ giải quyết sự sắp xếp của các nguyên tử trong phân tử, sau đó là sự tương tác của các phân tử trong tế bào. Khi làm như vậy, chúng ta sẽ vượt qua ranh giới ngăn cách giữa cái không sống và cái sống. Chương này đề cập đến các thành phần hóa học hình thành nên mọi vật chất.
Hình 2.2 “Khu vườn ma quỷ” xuất hiện trong rừng mưa nhiệt đới như thế nào?
THỰC NGHIỆM KHOA HỌC:
Dưới sự chỉ đạo của Deborah Gordon và phối hợp với Michael Greene, sinh viên Megan Frederickson đã tìm kiếm nguồn gốc của “khu vườn của quỷ”, những khu vực chỉ có một loài cây, Duroia hirsuta, mọc lên. Một trong những giả thuyết giải thích hiện tượng này cho rằng loài kiến Myrmelachista schuanni sinh sống ở những loài thực vật này tạo ra một chất hóa học gây độc cho các loài cây khác; Theo một giả thuyết khác, chính cây của loài Duroia đã giết chết các đối thủ cạnh tranh, có thể bằng cách tiết ra một sản phẩm hóa học.
Để kiểm tra những giả thuyết này, Frederickson đã tiến hành thí nghiệm thực địa ở Peru. Cô đã trồng hai cây con của một loài không phải là vật chủ ở địa phương, Cedrelaodorata, bên trong mười khu vườn của quỷ. Ở gốc của một trong những chồi non, cô phủ một lớp thuốc trừ sâu dính; cái còn lại không được bảo vệ. Sau đó, cô trồng thêm hai cây giống Cedrela có và không có hàng rào, cách mỗi vườn khoảng 50 m.pf
Các nhà nghiên cứu đã quan sát hoạt động của kiến trên lá cây Cedrela và sau một ngày đo được bề mặt của các mô hoại tử của lá. Họ cũng thực hiện phân tích hóa học về nội dung của tuyến nọc độc của kiến.
KẾT QUẢ
Sử dụng một vết đốt ở cuối bụng, lũ kiến tiêm thuốc vào lá của những chồi non không được bảo vệ trong vườn (xem ảnh). Trong vòng một ngày, các vùng hoại tử hình thành trên lá (xem biểu đồ).
Những chồi được bảo vệ bởi hàng rào thuốc trừ sâu không bị thương, cũng như những chồi được trồng ngoài vườn. Axit formic là hóa chất duy nhất được phát hiện trong tuyến bụng của kiến.
Kết luận: Kiến thuộc loài Myrmelachista shumanni loại bỏ những cây không phải là vật chủ bằng cách tiêm axit formic vào lá của chúng, biến khu vườn của quỷ thành môi trường sống hiếu khách cho những đàn kiến này.
nguồn M. E. Frederickson, M. J. Greene và D. M. Gordon, “Khu vườn của quỷ” bị kiến tàn phá, Nature 437: 495-496 (2005). và nếu? Kết quả nào sẽ xảy ra nếu cây con không được bảo vệ trong Vườn Quỷ không thể phát triển là do một chất hóa học do cây Duroia thải ra chứ không phải do kiến?
Khái niệm 2.1
Vật chất được tạo thành từ các nguyên tố hóa học tinh khiết hoặc kết hợp; các nguyên tố kết hợp tạo thành hợp chất.
Sinh vật được tạo thành từ vật chất. Vật chất là bất cứ thứ gì chiếm không gian và có khối lượng*. Vật chất tồn tại ở mọi dạng; đá, kim loại, dầu, khí đốt và con người là một số ví dụ.
*Đôi khi chúng tôi sử dụng thuật ngữ trọng lượng, ngay cả khi thuật ngữ này không đồng nghĩa với khối lượng. Khối lượng là lượng vật chất có trong một vật, trong khi trọng lượng của một vật biểu thị cường độ lực mà khối lượng này chịu tác dụng của trọng lực. Trọng lượng của một phi hành gia đi trên Mặt trăng bằng khoảng 1/6 trọng lượng trên Trái đất, nhưng khối lượng của họ bằng nhau. Tuy nhiên, chừng nào chúng ta còn ở trên Trái đất thì trọng lượng của một vật thể là thước đo khối lượng của nó; đây là lý do tại sao trong ngôn ngữ hàng ngày, chúng ta sử dụng hai thuật ngữ này thay thế cho nhau.
Các nguyên tố và hợp chất
Vật chất được tạo thành từ các yếu tố. Nguyên tố là chất không thể bị phân hủy thành chất khác đơn giản hơn trong các phản ứng hóa học. Các nhà hóa học đã xác định được 92 nguyên tố tự nhiên, bao gồm vàng, đồng, carbon và oxy. Họ gán cho mỗi người một biểu tượng, thường bao gồm một hoặc hai chữ cái đầu tiên trong tên của họ. Một số biểu tượng bắt nguồn từ tên tiếng Latin hoặc tiếng Đức; ví dụ, tên của natri là Na, từ tiếng Latin natrium, trong khi tên của vonfram là W, từ tiếng Đức Wolfram.
Hợp chất là chất được tạo thành từ hai hay nhiều nguyên tố kết hợp với nhau theo tỷ lệ xác định. Ví dụ, muối ăn thực chất là natri clorua (NaCl); nó bao gồm các nguyên tố natri (Na) và clo (Cl) theo tỷ lệ 1:1. Natri nguyên chất là kim loại, còn clo nguyên chất là chất khí độc. Tuy nhiên, một khi chúng được liên kết hóa học, chúng sẽ tạo thành một hợp chất ăn được. Nước (H2O), một hợp chất khác, được tạo thành từ các nguyên tố hydro (H) và oxy (O) theo tỷ lệ 2:1. Những ví dụ này minh họa rõ ràng khái niệm về sự xuất hiện: một hợp chất có những đặc điểm mà các thành phần riêng lẻ của nó không có (hình 2.3).
Các nguyên tố hóa học của vật chất sống
Trong số 92 yếu tố tự nhiên, khoảng 20 đến 25% là những yếu tố thiết yếu mà cơ thể cần để có một cuộc sống khỏe mạnh và sinh sản. Các yếu tố thiết yếu ở các sinh vật đều giống nhau, nhưng có một số khác biệt; ví dụ, con người cần 25 nguyên tố trong khi thực vật chỉ cần 17.
Chỉ riêng bốn chất đó, oxy (O), carbon (C), hydro (H) và nitơ (N), đã cấu thành 96% vật chất sống. Canxi (Ca), phốt pho (P), kali (K), lưu huỳnh (S) và một số nguyên tố khác chiếm gần như toàn bộ khối lượng còn lại của sinh vật (4%). Cơ thể cần một số nguyên tố nhất định với số lượng rất nhỏ; những nguyên tố vi lượng này rất cần thiết cho hoạt động của nó.
Một số trong số chúng, chẳng hạn như sắt (Fe), rất cần thiết cho mọi dạng sống, trong khi một số khác chỉ cần thiết cho một số loài. Ví dụ, ở động vật có xương sống (động vật có xương sống), iốt (I) là thành phần thiết yếu của một loại hormone do tuyến giáp sản xuất. Lượng iốt tiêu thụ hàng ngày là 0,15 mg iốt là đủ để tuyến giáp của con người hoạt động bình thường, nhưng chế độ ăn thiếu iốt khiến tuyến này to ra và dẫn đến biến dạng gọi là bướu cổ.
Ở những vùng tiêu thụ hải sản hoặc muối i-ốt, tỷ lệ mắc bệnh bướu cổ đã giảm. Tất cả các yếu tố tạo nên cơ thể con người được liệt kê trong Bảng 2.1.
Một số nguyên tố tự nhiên gây độc cho sinh vật. Ví dụ, ở người, asen có liên quan đến nhiều bệnh tật và ảnh hưởng của nó có thể gây tử vong. Ở một số nơi trên thế giới, asen xuất hiện tự nhiên trong đất và có thể bị cuốn trôi vào nguồn nước ngầm.
Sau khi uống nước giàu asen từ giếng khoan ở Nam Á, hàng triệu người đã vô tình bị nhiễm độc. Cơ quan công quyền hiện đang cố gắng khắc phục vấn đề này nhằm giảm lượng asen trong nước uống.
Nghiên cứu điển hình: sự tiến hóa của khả năng chịu đựng các yếu tố độc hại
Tiến hóa
Một số loài đã thích nghi với môi trường thường chứa các yếu tố độc hại. Các quần xã thực vật phát triển trên đất giàu chất ngoằn ngoèo là một ví dụ hùng hồn. Giống như màu ngọc bích, ngoằn ngoèo là một khoáng chất giàu các nguyên tố độc hại khác nhau như crom, niken và coban. Hầu hết thực vật không thể tồn tại trong đất có chứa chất ngoằn ngoèo, ngoại trừ một số ít loài đặc biệt thích nghi với môi trường này (hình 2.4). Người ta cho rằng thực vật của các cộng đồng ngoằn ngoèo này là biến thể của các loài tổ tiên đã có khả năng sống sót ở loại đất này. Sau khi chọn lọc tự nhiên, những loài này đã tìm cách xâm chiếm những nơi khắc nghiệt này.
