Защо въглеродът е навсякъде

Здрасти, аз съм Ханк. Предполагам, че си тук, защото се интересуваш от биология. Ако е така, това е логично! Както във всяка добра песен на Фифти сент, биологията е просто секс и неумиране. И всеки, който гледа този клип, би трябвало да се интересува от секс и неумиране, ако е човешко същество. Ще преподавам този курс по биология малко по-различно от курсовете ти досега. Например, няма да прекарам първия час в обяснения как ще преподавам този курс. Просто ще започна да преподавам, започвайки само след малко. Първо, искам само да кажа, че ако бързам твърде много, понеже това е видео, а не човек на живо, можеш винаги да се върнеш и да чуеш отново какво съм казал. Обещавам, че няма да имам против. Прави го често. Един велик мой професор ми каза някога, че за да разбереш дадена тема, трябва само да разбереш малка част от нивото на сложност около тази тема. Нивото на сложност зад биологията е химията. Или ако си биохимик, сигурно ще спориш, че това е биохимията. Затова имаме нужда да разбираме малко от химия и оттук ще започнем. Аз съм сбор от органични съединения с име Ханк Грийн. Органично съединение е почти всяко съединение, което съдържа въглерод. И въглеродът е жесток! Защо? Ами има много причини. Ще ти дам три. Първо, въглеродът е малък. Няма много протони и неутрони. Почти винаги 12, рядко има допълнителни неутрони, които да го правят C-13 или C-14. Затова въглеродът не заема много място и може да образува изящни форми. Може да формира пръстени. Може да образува двойни или тройни връзки. Може да формира спирали и листа и всякакви наистина невероятни неща, които по-големи молекули никога не биха могли. Въглеродът е като олимпийски гимнастик. Може да прави тези забележителни и красиви неща, защото е малък. Второ, въглеродът е мил. Не е като тези други елементи, които отчаяно искат да спечелят или изгубят, или споделят електрони, за да получат точния брой, който искат. Не, въглеродът знае какво е да си сам, така че не всичко е: "Не мога да живея без твоите електрони." Или изпаднал в нужда като хлора или натрия. Затова хлорът разкъсва вътрешностите ти, ако го вдишаш в газообразна форма. И затова натрият, ако бъде погълнат, експлодира. Въглеродът обаче... Той иска още електрони, но няма да убие за тях. Лесно се работи с него. Създава и къса връзки като 13-годишен тийнейджър, но не се сърди никога. Трето, въглеродът обича да се свързва, защото му трябват 4 допълнителни електрона. Затова ще се свърже с каквото има наблизо. Обикновено ще се свърже с 2, или 3, или 4 от тях едновременно. Въглеродът може да се свърже с много различни елементи. Водород, кислород, фосфор, азот, с други въглеродни атоми. Може да прави това в безкрайни конфигурации, което му позволява да е основният елемент на сложни структури, изграждащи живи същества като нас. Понеже въглеродът е малък, мил и обича да се свързва, животът е общо взето изграден около него. Въглеродът е основата на биологията. Толкова е важен, че учените са затруднени да си представят живот без негово участие. Силицият, който е аналогичен на въглерода по много начини, често се цитира като потенциален кандидат за основа на извънземен живот. Но той е по-обемист, затова не образува същите елегантни форми като въглерода. Също така не се открива в газове, което означава, че животът трябва да се зароди от твърд силиций. А животът тук на Земята е възможен само защото въглеродът постоянно се носи във въздуха под формата на въглероден диоксид. Въглеродът сам по себе си е атом с 6 протона, 6 електрона и 6 неутрона. Атомите имат електронни обвивки и имат нужда да запълнят тези обвивки, за да бъдат щастливи, пълноценни атоми. Първата електронна обвивка, наречена s-орбитала, има нужда от 2 електрона, за да е пълна. След това е втората s-орбитала, която също има нужда от 2 и въглеродът ги запълва. След това имаме първата р-орбитала, на която ѝ трябват 6 електрона. Въглеродът има само 2 останали, затова иска още 4. Въглеродът формира много връзки, които наричаме ковалентни. Това са връзки, в които атомите споделят електрони. Най-простото въглеродно съединение, метанът, е въглерод, споделящ 4 електрона с 4 водородни атома. Водородът има само 1 електрон. Затова иска първата си s-орбитала пълна. Въглеродът поделя 4-те си електрона с тези 4 водорода. И всеки от тези 4 водорода поделя 1 електрон с въглерода. Така че всеки е щастлив. Това може да бъде представено с точковите структури на Люис. Гилберт Люис е човекът зад теорията за киселините и основите, номиниран е за Нобелова награда 35 пъти (според Уикипедия 41 пъти) и не е спечелил нито една. Това са повече номинации от всеки друг в историята и приблизително еднакъв брой победи. На Люис никак не му харесвало това. Може би е бил най-влиятелният химик за своето време. Въвежда термина фотон. Той променя коренно мисленето ни за киселините и основите. Създава първата молекула тежка вода и е първият човек, който оформя схващането за ковалентната връзка, която обсъждаме сега. Но е било много трудно да се работи с него. Бил е принуден да напусне много важни постове и също му е било отказано участие в проекта "Манхатън". Докато всички негови колеги работели за спасяването на страната си, Люис написал ужасен роман. Люис умира сам в своята лаборатория, докато работи върху цианидни съединения, след като е обядвал с по-млад, по-харизматичен колега, който е спечелил Нобелова награда и работил за проекта "Манхатън". Много хора подозират, че се е самоубил с цианидните съединения, върху които е работил. Но съдебният лекар е заключил инфаркт, без да се задълбава. Разказах ти всичко това, защото малката структура на Люис, която ще ти покажа, е създадена от дълбоко объркан гений. Това не е някаква научна абстракция, която винаги е съществувала. Някой, някъде стига до това и това е толкова изумително полезен инструмент, че го използваме оттогава насам. В биологията повечето съединения могат да бъдат показани като структура на Люис. Едно правило при построяването на тези диаграми е, че някои от елементите реагират едни с други по такъв начин, че всеки атом накрая има 8 електрона в най-външната обвивка. Това се нарича октетно правило, защото тези атоми искат да запълнят тези октети с електрони, за да са щастливи и доволни. Кислородът има 6 електрона във външната си обвивка и се нуждае от 2, затова имаме H2O. Може също да се свърже с въглерод, на когото трябват 4. Значи 2 двойни връзки с 2 различни кислородни атома. Получава се CO2 – този проклет газ на глобалното затопляне и това, от което растенията и всичко живо е направено. Азотът има 5 електрона във външната си обвивка. Ето как ги броим. Има четири позиции, всяка от които иска два атома. И както хората в автобус – те предпочитат да седнат далеч един от друг. Не се шегувам за това. Наистина не се сдвояват, докато не им се налага. Броим ги: 1, 2, 3, 4, 5. Значи за максимално щастие, азотът се свързва с 3 водорода, образувайки амоняк. Или с 2 водорода и друга група атоми, които наричаме аминогрупа. И ако тази аминогрупа е залепена за въглерод, който е свързан с карбоксилна киселинна група, имаш аминокиселина. Понякога електроните са поделени поравно в ковалентна връзка като O2. Това се нарича неполярна ковалентна връзка, но често един от участниците може да е алчен. Във водата например кислородната молекула засмуква електроните към себе си и те прекарват повече време около кислорода, отколкото около водорода. Това създава лек позитивен заряд около водорода и лек отрицателен заряд около кислорода. Когато нещо има заряд, казваме че е полярно. Има положителен и отрицателен полюс. Това е полярна ковалентна връзка. Йонни връзки се появяват, когато вместо да се поделят електрони, атомите просто изцяло отдават или приемат електрон от друг атом. И тогава живеят щастливо като зареден атом или йон. Атомите обикновено предпочитат да са неутрални, но сравнено с това да имаш пълна електронна обвивка не е такъв проблем. Най-разпространеното йонно съединение в ежедневието ни? Това е добрата стара трапезна сол, NaCl, натриев хлорид. Но не се заблуждавай от вкуса ѝ. Натриевият хлорид, както споменах преди, е направен от два подли елемента. Хлорът е халогенен газ или елемент, който се нуждае само от един електрон, за да запълни октета си. Докато натрият е алкален метал, елемент, който има само един електрон в октета си. Затова те с удоволствие ще разрушат всяко химично съединение, до което имат контакт, за да изпълнят октетното правило. Но не може да има по-добър изход от това натрият да срещне хлора. Те незабавно си обменят електрони, така че натрият вече няма допълнителен, а хлорът си запълва октета. Те стават Na+ и Cl- Така са заредени, че стоят залепени един за друг. И това залепяне наричаме йонна връзка. Тези химични промени са много големи. Натрият и хлорът се превръщат от смъртоносни във вкусни. Има също водородни връзки, които не са съвсем връзки. Помниш ли водата? Надявам се, че я помниш. Водата е важна. Понеже атомите във водата са свързани с полярна ковалентна връзка, водородът в нея е леко положително зареден. А кислородът е леко отрицателно зареден. Когато водните молекули се движат наоколо, те всъщност се прикрепят леко една за друга – водородната страна за кислородната. Този вид връзки се случват в различни молекули, най-вече в протеините. Играят изключително важна роля в това как протеините си изпълняват работата. Важно е да отбележа, че връзките, независимо дали са записани с тиренца или с плътни линии, или без никакви линии, нямат една и съща сила. Понякога йонните връзки са по-силни от ковалентните, въпреки че това е по-скоро изключение. И силата на ковалентните връзки варира много. Начинът, по който тези връзки се съединяват и разкъсват, е неразривно свързан с това как оперира животът. Създаването и разкъсването на връзките е ключът за самия живот. И също е като ключ за смъртта, ако погълнеш натрий например. Помни всичко това, докато напредваш в биологията. Дори най-привлекателният човек, който някога си срещал, е просто сбор от химикали, щляещи се в торба с вода. За това, както и много други неща, ще говорим следващия път.