Η ζωή στον πλανήτη καθορίζεται από ένα σύνολο σχέσεων στις οποίες είναι εμφανής μια εξαιρετική ροή πληροφοριών και μια συνεχής ανταλλαγή ύλης και ενέργειας. Η ύλη είναι ό,τι έχει μάζα και καταλαμβάνει μια θέση στο χώρο, αποτελείται από άτομα, που είναι οι ελάχιστες μονάδες που την αποτελούν. Ζωντανά όντα, νερό, αστέρια, τα πάντα γύρω μας αποτελούνται από άτομα.
Η ποικιλία των χημικών στοιχείων δίνεται από την ποικιλία των τύπων ατόμων. Κάθε τύπος ατόμου αποτελεί ένα διαφορετικό χημικό στοιχείο. Αυτή τη στιγμή είναι γνωστά 105 χημικά στοιχεία, εκ των οποίων τα 84 βρίσκονται φυσικά και τα υπόλοιπα έχουν παραχθεί τεχνητά σε εργαστήρια.
Όπως είπαμε, η φύση αποτελείται από ύλη, και επομένως όλη η ζωντανή ύλη αποτελείται επίσης από ύλη, η οποία με τη σειρά της αποτελείται από άτομα και αυτά αποτελούν στοιχεία. Τα στοιχεία που αποτελούν τη ζωντανή ύλη είναι γνωστά με το όνομα Βιοστοιχεία, αυτά με τη σειρά τους ταξινομούνται ανάλογα με το αν είναι απαραίτητα για τη ζωή σε: Πρωτεύοντα βιοστοιχεία και δευτερεύοντα βιοστοιχεία
απαραίτητα για τη ζωή
Τα πρωτεύοντα βιοστοιχεία είναι εκείνα τα απαραίτητα χημικά στοιχεία που υπάρχουν στη ζωντανή ύλη, σε κύτταρα, ιστούς, όργανα και συστήματα που τα αποτελούν από τα πιο απλά έως τα πιο σύνθετα. Όπως είπαμε προηγουμένως, όλη η ύλη, γενικά, είτε είναι ζωντανή είτε όχι, αποτελείται από άτομα, και ό,τι αποτελείται από έναν και μόνο τύπο ατόμου είναι γνωστό ως στοιχείο. Υπάρχουν 105 στοιχεία γνωστά μέχρι τώρα.
Στη σύσταση της ζωντανής ύλης μπορούμε να βρούμε τουλάχιστον 70 σταθερά χημικά στοιχεία, πρακτικά όλα τα στοιχεία που υπάρχουν στον πλανήτη, εκτός από τα ευγενή αέρια. Σχεδόν ενενήντα εννέα τοις εκατό (99%) όλης της υπάρχουσας ζωντανής ύλης, τα περισσότερα από τα κύτταρά της αποτελούνται από αυτά τα έξι στοιχεία: άνθρακα (C), υδρογόνο (H2), οξυγόνο (Ο2), Άζωτο (Ν2) Φώσφορος (P) και Θείο (S) που είναι τα πιο άφθονα σε ύλη ζωντανό που βρίσκουμε στην επιφάνεια της γης. Ονομάζονται βιοστοιχεία επειδή αποτελούν ουσιαστικό μέρος της βασικής ή πρωταρχικής σύστασης αυτών των ζωντανών όντων.
Τύποι βιοστοιχείων
Ανάλογα με το αν αποτελούν ή όχι μέρος της βασικής σύστασης των βιομορίων της ζωντανής ύλης, τα Βιοστοιχεία μπορούν να ταξινομηθούν σε: πρωτογενή βιοστοιχεία και δευτερεύοντα βιοστοιχεία.
Πρωτογενή βιοστοιχεία
Είναι όλα εκείνα τα βιοστοιχεία που αποτελούν μέρος της βασικής σύστασης της ζωντανής ύλης, καθώς αποτελούν αναπόσπαστο μέρος στο σχηματισμό οργανικών βιομορίων: πρωτεΐνες, υδατάνθρακες, λιπίδια και νουκλεϊκά οξέα. Αποτελούν την καθαρή ζωντανή ύλη και είναι: Άνθρακας (C), υδρογόνο (Η2), οξυγόνο (Ο2), Άζωτο (Ν2) Φώσφορος (P) και Θείο (S).
Άνθρακα (C)
Es το βασικό δομικό στοιχείο όλων των οργανικών μορίων, εμφανίζεται σε όλες τις αλυσίδες ως ο σκελετός που δίνει μορφή και λειτουργία στα οργανικά βιομόρια. Όλες οι οργανικές ενώσεις αποτελούνται από αλυσίδες άνθρακα που σχηματίζουν δεσμούς με άλλα στοιχεία ή ενώσεις.
Έχει τέσσερα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό του περίβλημα και μπορεί να σχηματίσει ομοιοπολικούς δεσμούς με άλλους άνθρακες που του επιτρέπουν να σχηματίσει μακριές αλυσίδες ατόμων (μακρομόρια). Αυτοί οι δεσμοί μπορεί να είναι απλοί, διπλοί ή τριπλοί. Μπορούν επίσης να ενώσουν τις διαφορετικές ρίζες που σχηματίζονται από τα στοιχεία (-Η,=Ο, -ΟΗ, -ΝΗ2, -SH, H2PO4) μεταξύ άλλων, έτσι επιτρέπει το σχηματισμό ενός μεγάλου αριθμού διαφορετικών μορίων, τα οποία θα επέμβουν σε μια πληθώρα χημικών αντιδράσεων, και έτσι εκμεταλλεύονται την ποικιλομορφία που υπάρχει στο περιβάλλον.
Ο άνθρακας είναι απαραίτητο συστατικό για τα ζώα και τα φυτά. Είναι ένα ουσιαστικό μέρος του μορίου της γλυκόζης, ένας σημαντικός υδατάνθρακας για τη διεξαγωγή διαδικασιών όπως η αναπνοή. Συμμετέχει επίσης στη φωτοσύνθεση, με τη μορφή CO2 (διοξείδιο του άνθρακα).
Ο άνθρακας είναι επίσης μέρος ενός άλλου απαραίτητου μακρομορίου για τη ζωή, αυτού του DNA, αυτό το μόριο περιέχει τη γενετική πληροφορία που δίνει σε κάθε άτομο τα μοναδικά χαρακτηριστικά του, και η οποία με τη σειρά του χρησιμοποιείται από τον οργανισμό για την αναπαραγωγή και τη μετάδοση αυτών των πληροφοριών στους απογόνους του.
υδρογόνο
Το υδρογόνο, μαζί με το οξυγόνο, αποτελεί ουσιαστικό μέρος της οργανικής ύλης. Στην περίπτωση ορισμένων λιπιδίων, παρουσιάζουν μόνο άτομα άνθρακα και υδρογόνου στη σύστασή τους. Το ιόν ηλεκτρονίου που έχει το άτομο υδρογόνου στο τελευταίο του κέλυφος, σας επιτρέπει να δημιουργείτε εύκολα ενώσεις με οποιοδήποτε από τα κύρια βιοστοιχεία.
Ο ομοιοπολικός δεσμός που σχηματίζεται μεταξύ άνθρακα και υδρογόνου είναι αρκετά ισχυρός ώστε να είναι σταθερός, αλλά όχι αρκετά ισχυρός ώστε να εμποδίσει τον διαχωρισμό του και έτσι να επιτρέψει τη σύνθεση άλλων μορίων. Τα μόρια που σχηματίζονται μόνο από υδρογόνο και άνθρακα είναι ομοιοπολικά προς πολικά (αδιάλυτα στο νερό).
Το οξυγόνο
Το οξυγόνο είναι το πιο ηλεκτραρνητικό από όλα τα πρωτεύοντα βιοστοιχεία και όταν ενώνεται με το υδρογόνο, έλκει το μοναδικό του ηλεκτρόνιο, που προέρχονται από τους ηλεκτρικούς πόλους, έτσι οι ρίζες –OH, -CHO και COOH είναι πολικές ρίζες. Όταν αυτές οι ρίζες αντικαθιστούν ορισμένα υδρογόνα στην αλυσίδα άνθρακα και υδρογόνου όπως η γλυκόζη (C6H12O6) δημιουργούν μόρια όπως το νερό που είναι διαλυτά σε πολικά υγρά.
Το οξυγόνο, λόγω της ηλεκτραρνητικότητάς του, έχει την ικανότητα να έλκει ηλεκτρόνια από άλλα άτομα. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει απαραίτητα το σπάσιμο των δεσμών και την απελευθέρωση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας. Οι ενώσεις άνθρακα και οξυγόνου αντιδρούν με τι είναι γνωστή ως αερόβια αναπνοή και είναι ένας κοινός τρόπος απόκτησης ενέργειας. Ένας άλλος τρόπος απόκτησης ενέργειας είναι η ζύμωση, η οποία μειώνεται από τότε που τα φύκια και τα φυτά, μέσω της φωτοσύνθεσης, άρχισαν να παράγουν οξυγόνο για την πρωτόγονη ατμόσφαιρα.
Η διαδικασία οξείδωσης των βιολογικών ενώσεων πραγματοποιείται μέσω της αφαίρεσης των ατόμων υδρογόνου από τα άτομα άνθρακα. Το οξυγόνο, όντας πιο ηλεκτραρνητικό, ασκεί μεγαλύτερη δύναμη στο ηλεκτρόνιο του υδρογόνου παρά στο ανθρακικό, οπότε καταφέρνει να το αποκόψει.
Έτσι σχηματίζεται το νερό, με υδρογόνο συν οξυγόνο και απελευθερώνεται μεγάλη ποσότητα ενέργειας που εκμεταλλεύονται τα ζωντανά όντα. Καθώς το άτομο άνθρακα αρχίζει να μοιράζεται ένα ηλεκτρόνιο με το υδρογόνο, μοιράζοντας λιγότερα ηλεκτρόνια με το οξυγόνο, βιώνει απώλεια ηλεκτρονίων, δηλαδή οξειδώνεται.
Αζωτο
Το άζωτο είναι ένα στοιχείο που αποτελεί περίπου το 78% μέρος της ατμόσφαιρας. Είναι επίσης απαραίτητο συστατικό των πρωτεϊνών του δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος (DNA), υπεύθυνος για τη μετάδοση κληρονομικών χαρακτηριστικών από τους γονείς στους απογόνους. Το DNA υπάρχει σε όλα τα κύτταρα του σώματος, εξ ου και η σημασία του αζώτου για τα ζωντανά όντα.
Γενικά, το άζωτο δεν μπορεί να απορροφηθεί άμεσα, αλλά ως μέρος άλλων ενώσεων όπως νιτρικά, νιτρώδη ή ενώσεις αμμωνίου που το περιέχουν. Πριν χρησιμοποιηθεί από ζωντανά όντα, το άζωτο πρέπει να περάσει από διάφορα στάδια:
- Αμμωνία, διαδικασία με την οποία το άζωτο μετατρέπεται σε αμμωνία.
- Νιτροποίηση που συνίσταται στη μετατροπή της αμμωνίας σε νιτρώδη και νιτρικά.
- Η διαδικασία δέσμευσης μέσω της οποίας το άζωτο διέρχεται από διάφορες διεργασίες για να γίνει νιτρώδη ή νιτρικό άλας, ουσίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τα ζωντανά όντα
Το άζωτο βρίσκεται στα αμινοξέα, δηλαδή στα μόρια που συνθέτουν τις πρωτεΐνες, σχηματίζοντας αμινομάδες (-NH2) και στις αζωτούχες βάσεις των νουκλεϊκών οξέων. Το άζωτο είναι το πιο άφθονο αέριο στην ατμόσφαιραΠαρόλα αυτά, πολύ λίγοι οργανισμοί είναι σε θέση να το εκμεταλλευτούν. Σχεδόν όλο το άζωτο που ενσωματώνεται στη ζωντανή ύλη από τα φύκια και τα φυτά απορροφάται με τη μορφή νιτρικού ιόντος (NH3).
Το άζωτο έχει μεγάλη ικανότητα να σχηματίζει ενώσεις και με το υδρογόνο (NH3) όπως και με το οξυγόνο (ΝΟ-), που του επιτρέπει να περάσει από τη μια μορφή στην άλλη, απελευθερώνοντας έτσι ενέργεια.
Θείο Ως συστατικό πρωτεϊνών, απαραίτητων αμινοξέων, βιταμινών και σημαντικών ορμονών, το θείο είναι απαραίτητο τόσο για τον άνθρωπο όσο και για τα ζώα.
Το θείο αντιπροσωπεύει το 0.25% του σωματικού μας βάρους, αυτό σημαίνει ότι ένας μέσος ενήλικος οργανισμός περιέχει περίπου 170 γραμμάρια θείου, μεγάλο μέρος του οποίου βρίσκεται στα αμινοξέα. Το θείο είναι μέρος των χολικών οξέων, απαραίτητο για την πέψη και την απορρόφηση των λιπών. Βοηθά στη διατήρηση υγιούς δέρματος, μαλλιών και νυχιών και έχει θεμελιώδη ρόλο στο σχηματισμό των ιστών. Το θείο υπάρχει γενικά σε λαχανικά όπως το ραπανάκι, τα καρότα, τα γαλακτοκομικά προϊόντα, το τυρί, τα θαλασσινά και το κρέας.
Ο αγώνας
Η ποσότητα του φωσφόρου που υπάρχει στην ατμόσφαιρα είναι αμελητέα. Το μεγαλύτερο απόθεμα φωσφόρου βρίσκεται στα θαλάσσια ιζήματα. Τα εδάφη αποτελούν, κατά σειρά σπουδαιότητας το δεύτερο απόθεμα φωσφόρου της φύσης. Μπορούμε επίσης να το βρούμε στον φλοιό της γης ως συστατικό διαφόρων ορυκτών λόγω χημικών καιρικών συνθηκών, απελευθερώνονται φωσφορικά άλατα από το ορυκτό, διαλύεται και μεταφέρεται με το νερό.
Ένα μέρος του φωσφόρου κατακρημνίζεται, κυρίως με τη μορφή φωσφορικού ασβεστίου, και ένα άλλο μέρος φτάνει στις θάλασσες, όπου συσσωρεύονται μεγάλες ποσότητες φωσφόρου, που αποτελούν τις λεγόμενες παγίδες φωσφόρου.
Ο φώσφορος σε μορφή οργανικό φωσφορικό, είναι εξαιρετικά σημαντικό για τη ζωντανή ύλη αφού:
- Είναι ένα από τα συστατικά των νουκλεϊκών οξέων (RNA και DNA, τα οποία αποτελούν το γενετικό υλικό των οργανισμών
- Βρίσκεται ως συστατικό της τριφωσφορικής αδενοσίνης, η οποία είναι μια σχεδόν καθολική πηγή κυτταρικής ενέργειας στη ζωντανή ύλη.
- Είναι ένα από τα συστατικά των οστών.