Наука для всех простыми словами

Самый лучший сайт c познавательной информацией.

Органические вещества в космосе. Органика в космосе.

05.09.2015 в 19:28

Органические вещества в космосе. Органика в космосе.

В 1806 г., в самый разгар наполеоновских войн, вблизи французского городка Але упал необычный метеорит. Это было лишь три года спустя после того, как метеориты были официально "Признаны" парижской академией наук. Предубеждения против "Небесных Камней" оставались еще очень сильными, часть осколков метеорита Але была просто утеряна, и лишь один из них через 28 лет попал в лабораторию знаменитого шведского химика Йенса Якоба берцелиуса

Органические вещества в космосе. Органика в космосе.. Поначалу ученый подумал, что произошла ошибка - метеорит Але не был ни каменным, ни железным, ни железока - менным. Кора плавления (поверхностный слой), однако, свидетельствовала о космическом происхождении необычного камня, родоначальника самого редкого и тогда еще не известного типа метеоритов - углистых хондритов.

Метеорит Але содержал органическую массу, растворимую в воде. При нагревании его частицы бурели и обугливались - явный признак присутствия органических соединений, соединений углерода. (Мы напомним, что такие простые углеродсодержащие соединения, как со, со 2, угольная кислота Н 2 со 3 и ее соли, - это соединения неорганические. ) Хотя сходство с земными веществами того же типа было очевидным, берцелиус резонно отметил, что этот факт "еще не Является Доказательством Присутствия Организмов в Первоначальном Источнике".

Работа берцелиуса положила начало изучению органических соединений в метеоритах. К сожалению, до сих пор материал, доступный исследованию, очень редок. Углистые хондриты весьма непрочны - их легко даже пальцами растереть в порошок (и при этом, повторяем, появляется характерный запах нефти. Вообще редкие среди метеоритов, углистые хондриты к тому же легко разрушаются при полете в атмосфере земли. Да и попав на земную поверхность, они, как правило, бесследно пропадают, смешавшись с земными породами. Неудивительно поэтому, что во всем мире найдены и сохранены пока лишь два десятка углистых хондритов.

Спустя четыре года после того, как были опубликованы работы берцелиуса, в 1838 г. в южной Африке упал еще один углистый хондрит, исследованный затем известным немецким химиком Фридрихом вёлером - тем самым вёлером, которому за несколько лет до этого удалось получить вещество животного происхождения - мочевину - из неорганического вещества.

Вёлер выделил из метеорита нефтеобразное маслянистое вещество "с Сильным Битуминозным Запахом" и, в отличие от берцелиуса, пришел к выводу, что такие вещества, "если опираться на современный уровень знаний", могут быть синтезированы только живыми организмами. Заметим, что количество органического материала, выделяемого из углистых хопдритов, невелико - около одного процента. Но и этого вполне достаточно, чтобы сделать весьма важные выводы.

В 1864 г., опять во Франции, вблизи деревни ор - гейль, выпал метеоритный дождь из углистых хондритов - случай исключительный в истории астрономии. Французский химик клец строго доказал, что нерастворимое в воде черное вещество метеорита оргейль представляет собою органические соединения, а вовсе не графит или аморфный углерод. Его поразило сходство этих органических соединений с подобными же веществами, находимыми в торфе пли буром угле. В докладе, представленном парижской академии наук, клец утверждал, что органические вещества в метеоритах, "По-видимому, Могут Указывать на Существование Организованной Материи на Небесных Телах".

С тех пор в течение почти столетия изучение органики метеоритов велось эпизодически, от случая к случаю, без каких-либо существенных обобщений. Среди этих немногочисленных работ следует упомянуть исследования метеорита мигеи, выполненные в 1889 г. Ю. и. симашко. Русский ученый также обнаружил в этом углистом хондрите органические вещества битуминозного типа.

Фото углистый хондрит.
Не следует думать, что все органические вещества непременно связаны с жизнью или, более того, являются принадлежностью живых существ. Астрономам известны многочисленные простейшие углеродсодержащие образования, безусловно не имеющие никакого непосредственного отношения к жизни. Таковы, скажем, радикалы СН и CN, наблюдаемые в межзвездном пространстве и атмосферах холодных звезд. Более того, в условиях космоса, по-видимому, постоянно идет синтез весьма сложных органических соединений до аминокислот включительно. В этом нас убеждают, в частности, любопытные эксперименты американского исследователя Р. берджера. С помощью ускорителя элементарных частиц он бомбардировал протонами смесь метана, аммиака и воды, охлажденную до - 230 с. спустя всего несколько минут в этой ледяной смеси ученый обнаружил мочевину, ацетамид, ацетон. В этих опытах берджер, по сути, моделировал условия межпланетного пространства. Поток протонов имитировал первичные космические лучи, а смесь метаноаммиачных и обычных льдов - это, в сущности, типичная модель кометного ядра.

Другой известный американский биохимик М. Калвин бомбардировал потоком быстрых электронов смесь водорода, метана, аммиака и водяных паров. В этих экспериментах был получен аденин - одно из четырех азотистых оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот. Не такие ли процессы происходили в первичной атмосфере земли и некоторых других планет?

Создается впечатление, что в космосе из неорганических веществ и неорганическим путем создаются белковоподобные соединения - "Полуфабрикаты" возможной будущей жизни.

Таким образом, наличие органических веществ в метеоритах само по себе еще никак не может свидетельствовать о существовании жизни на небесных телах. Эти вещества могли возникнуть и абиогенно, без всякой непосредственной связи с жизнью. Для доказательства противного нужны более веские аргументы.

Именно в таком плане и ведется дискуссия в современной науке о метеоритах. Спор еще не закончен, но полученные результаты представляют огромный интерес.

Еще в 1951-1952 гг. английский биохимик Мюллер выделил из углистого хондрнта битуминозные соединения. В сущности, он повторил работы берцелиуса, вёлера и клеца, но на несравненно более высоком уровне. В метеоритных битумах гораздо больше серы, хлора и азота, чем в подобных земных соединениях, это обстоятельство побудило Мюллера сделать вывод, что битумы в метеоритах имеют абиогенное происхождение.

С иных позиций к той же проблеме подошли уже упомянутый М. Калвин и с. вон. Доклад, представленный ими в 1960 г. на международный симпозиум по изучению космического пространства, был озаглавлен многозначительно: "внеземная жизнь. Некоторые органические составляющие метеоритов и их значение для возможной биологической эволюции вне земли". Американские исследователи выделяли из образцов углистого хондрита летучие вещества, которые затем пропускали через масс-спектрометр. В этих экспериментах определялась относительная масса осколков неизвестных молекул и, кроме того, исследовались инфракрасные и ультрафиолетовые спектры экстрактов углерод - содержащих соединений метеорита. Результаты ошеломляющие получились.

Из углистого хондрита удалось выделить вещество, как две капли воды похожее на цитозин, - еще одно из четырех азотистых оснований. Нашли в метеорите и смесь углеводородов, похожую на нефть земного происхождения.

В следующем, 1961 г., в нью-йоркской академии наук оживленно обсуждалась работа трех американских химиков - Г. Надя, Д. хенесси и у. майнтайна. Из углистых хондритов они выделили набор парафинов, весьма похожий на тот, который входит в состав кожицы яблок или пчелиного воска. В связи с этим обострились споры и вокруг проблемы происхождения нефти.

Мы до сих пор точно не знаем, откуда взялась нефть - источник горючего для самолетов, кораблей и автомобилей, ценнейшее сырье для нефтехимии. Образовалась ли нефть в результате разложения живших когда-то организмов, или "Черное Золото" есть продукт какого-то сложного абиогенного синтеза? В случае если верна первая гипотеза, битумы в метеоритах можно рассматривать как следы внеземной жизни. Только в том случае, если же нефть - неорганического происхождения, то метеоритные битумы не имеют никакого прямого отношения к жизни вне земли, а, по-видимому, возникли в результате абиогенных процессов.

Мы уже говорили об экспериментах, моделирующих образование органических соединений в условиях межпланетного пространства. Еще легче представить себе подобный абиогенный синтез в недрах земноподобной планеты. Органические вещества в метеоритах возникли абиогенно - вот главный тезис тех, кто не считает метеориты носителями остатков каких-то внеземных организмов. Такую позицию отстаивают Андерс, бриггс, у нас в советском союзе - исследователь углистых хондритов Г. П. вдовыкин. По его мнению, "изучение спектров различных небесных тел показывает, что углерод ябляется одним, из наиболее распространенных элементов в них: он обнаруживается в виде элемента (с 2, с 3) и в виде соединений (СН 2, CN, со 2 и др. ) Во всех типах небесных тел. эти составляющие атмосфер и звездного пространства могли полимеризоваться с образованием сложных органических молекул" (Л. Кузнецова. Тринадцать загадок неба. М., сов. Россия, 1967 огонек.

Наиболее оживленные дискуссии ныне вокруг загадочных "Организованных Элементов идут". Впервые эти странные включения поперечником от 5 до 50 мкм обнаружили в 1961 г. Н. Надь и Д. Клаус при исследовании образцов четырех углистых хондритов. Внешне они напоминали земные ископаемые микроскопические водоросли. Среди них американские исследователи выделили по морфологическим признакам пять типов объектов, причем некоторые из объектов оказались спаренными, как бы погибшими в процессе клеточного деления. Почти все из "Организованных Элементов" походили на простейшие растения, живущие только в воде, и это обстоятельство, по мнению Надя и Клауса, исключало возможность загрязнения метеорита из почвы. Позже Ф. стаплин и другие обнаружили "Организованные Элементы" в ряде углистых хондритов, причем все исследователи отмечали их сходство с некоторыми одноклеточными водорослями.

В 1962 г. ленинградский геолог б. в. Тимофеев из метеоритов Саратов и мигея выделил странные спороподобные образования. Их было более двух десятков - желтовато-серых, крошечных, полых, почти сферических оболочек, имеющих в поперечнике от 10 до 60 мкм. Оболочки оказались однослойными, разными по толщине, иногда смятыми в отчетливо очерченные складки. По словам исследователя, "поверхность оболочек гладкая, реже мелкобугорчатая. На одной из форм видно круглое отверстие - устьице, характерное для некоторых одноклеточных водорослей. Многие из указанных Находок могут быть сравнены с древнейшими на земле ископаемыми одноклеточными водорослями, жившими более 600 млн. Лет тому назад, но их нельзя отнести ни к одной группе растительного мира нашей планеты" (огонек, 1962, номер 4, с. 12.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеи́новые кислоты

Дезоксирибонуклеиновые и рибонуклеиновые кислоты, универсальные компоненты всех живых организмов, ответственные за хранение, передачу и воспроизведение (реализацию) генетической информации. На два типа все Н. к. делят по углеводному компоненту молекул: дезоксирибозе у дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) и рибозе у рибонуклеиновых кислот (РНК). Биологическая роль ДНК у большинства организмов заключается в хранении и воспроизведении генетической информации, а РНК — в реализации этой информации в строении молекул белков ( Белки ) в процессе их синтеза.

Нуклеиновые кислоты были обнаружены в 1868 г. швейцарским ученым Мишером (F. Miescher), который установил, что эти вещества локализуются в ядрах клеток, обладают кислотными свойствами и в отличие от белков содержат фосфор. Химически Н. к. являются полинуклеотидами, т.е. биополимерами, построенными из мономерных звеньев — мононуклеотидов, или нуклеотидов (фосфорных эфиров так называемых нуклеозидов — производных пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований, D-рибозы или 2-дезокси-D-рибозы). Пуриновыми основаниями, входящими в молекулу ДНК, являются аденин (А) и гуанин (Г), пиримидиновыми — цитозин (Ц) и тимин (Т). В нуклеозидах РНК вместо тимина присутствует урацил (У). В полинуклеотидную цепь нуклеотиды соединяются посредством фосфодиэфирной связи ( рис . 1 ).

Первичная структура Н. к. определяется порядком чередования азотистых оснований, а их пространственная конфигурация — нековалентными взаимодействиями между участками молекулы: водородными связями между азотистыми основаниями, гидрофобными взаимодействиями между плоскостями пар оснований, электростатическими взаимодействиями с участием отрицательно заряженных фосфатных групп и противоионов.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты, выделенные из различных организмов, отличаются по соотношению входящих в их состав азотистых оснований, т.е. по нуклеотидному составу, который у всех ДНК подчиняется правилу Чаргаффа: 1) число молекул аденина в молекуле Н. к. равно числу молекул тимина, т.е. А = Т; 2) число молекул гуанина равно числу молекул цитозина, т.е. Г = Ц; 3) число молекул пуриновых оснований равно числу молекул пиримидиновых оснований; 4) число 6-аминогрупп равно числу 6-кетогрупп, что означает, что сумма аденин + цитозин равна сумме гуанин + тимин, т.е. А + Ц = Г + Т. Правило Чаргаффа справедливо и для так называемых минорных азотистых оснований (метилированных или других производных пуриновых и пиримидиновых оснований). Таким образом, нуклеотидный состав каждой ДНК характеризуется постоянной величиной — молярным соотношением

(фактором специфичности) или процентным содержанием Г—Ц-пар, т.е.

. Величина последнего показателя практически одинакова для организмов одного класса. У высших растений и позвоночных животных она составляет 0,55—0,93.

Органические соединения в космосе. Астрономы обнаружили сложные органические соединения по всей Вселенной

В журнале Nature было опубликовано исследование, которое продемонстрировало, что органические соединения, с неожиданно высоким уровнем сложности, существуют по всей Вселенной.Данные результаты позволяют предположить, что комплексные органические соединения могут создаваться звездами.

Органические соединения в космосе. Астрономы обнаружили сложные органические соединения по всей Вселенной

Профессор Сун Куок и доктор Йонг Жанг из Гонконгского университета продемонстрировали, что органические субстанции во Вселенной состоят как из ароматических (циклическая форма), так и из алифатических (цепочки) соединений. Данные соединения настолько сложны, что их химическая структура напоминает уголь или нефть. Поскольку уголь и нефть являются остатками древней жизни, считалось, что подобная форма органической материи образуется исключительно из живых организмов. Открытие команды позволяет предположить, что комплексные органические соединения могут быть синтезированы в космосе даже в отсутствии каких-либо форм жизни.

Ученые исследовали таинственный феномен: набор инфракрасных излучений в звездах, межзвездном пространстве и галактиках. Их спектральные сигнатуры известны под названием "неопознанные инфракрасные выбросы". На протяжении более двух десятилетий, наиболее широко принятой теорией относительно источников возникновения подобных сигнатур, было мнение, что это простые органические молекулы, состоящие из атомов углерода и водорода, под названием полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Ведя наблюдения с помощью Инфракрасной космической обсерватории и Космического телескопа "Спитцер", Куок и Жанг продемонстрировали, что спектр излучения невозможно объяснить наличием молекул ПАУ. Команда выдвинула мнение, что субстанции, генерирующие подобное инфракрасное излучение имеют намного более сложную химическую структуру.

Звезды не только создают это комплексное органическое вещество, но и выталкивают его в межзвездное пространство. Полученные результаты вполне согласуются с более ранней идеей, предложенной Куоком, согласно которой старые звезды являются молекулярными фабриками, способными изготавливать органические смеси. "Наша работа продемонстрировала, что звезды без проблем справляются с созданием сложных органических соединений в условиях почти полного вакуума", - сказал Куок. "Теоретически это невозможно, но мы, тем не менее, можем это видеть".

Еще более интересен тот факт, что по строению эта органическая звездная пыль схожа с комплексными органическими соединениями, которые находят в метеоритах. Поскольку метеориты являются остатками ранней Солнечной системы, то возникает вопрос о том, могли ли звезды обогатить раннюю Солнечную систему органическими соединениями. Вопрос о том, какую роль эти соединения играли в процессе зарождения и развития жизни на Земле, остается открытым.

Углерод

«Углерод встречается в природе как в свободном, так и в соединенном состоянии, в весьма различных формах и видах. В свободном состоянии углерод известен по крайней мере в трех видах : в виде угля, графита и  алмаза . В состоянии соединений углерод входит в состав так называемых органических веществ, т. е. множества веществ, находящихся в теле всякого растения и животного. Он находится в виде углекислого газа в воде и воздухе, а в виде солей углекислоты иУглеродорганических остатков в почве и массе земной коры. Разнообразие веществ, составляющих тело животных и растений, известно каждому. Воск и масло, скипидар и смола, хлопчатая бумага и белок, клеточная ткань растений и мускульная ткань животных, винная кислота и крахмал — все эти и множество иных веществ, входящих в ткани и соки растений и животных, представляют соединения углеродистые. Область соединений углерода так велика, что составляет особую отрасль химии, т. е. химии углеродистых или, лучше, углеводородистых соединений».

Эти слова из «Основ химии» Д. И. Менделеева служат как бы развернутым эпиграфом к нашему рассказу о жизненно важном элементе — углероде. Впрочем, есть здесь один тезис, с которым, с точки зрения современной науки о веществе, можно и поспорить, но об этом ниже.

Вероятно, пальцев на руках хватит, чтобы пересчитать химические элементы, которым не была посвящена хотя бы одна научная книга. Но самостоятельная научно-популярная книга — не какая-нибудь брошюрка на 20 неполных страницах с обложкой из оберточной бумаги, а вполне солидный том объемом почти в 500 страниц — есть в активе только одного элемента — углерода.

И вообще литература по углероду — богатейшая. Это, во-первых, все без исключения книги и статьи химиков- органиков; во-вторых, почти все, что касается полимеров; в-третьих, бесчисленные издания, связанные с горючими ископаемыми; в-четвертых, значительная часть медикобиологической литературы…

Поэтому не будем пытаться объять необъятное (ведь не случайно авторы популярной книги об элементе № 6 назвали ее «Неисчерпаемый»!, а сконцентрируем внимание лишь на главном из главного — попытаемся увидеть углерод с трех точек зрения.

Углерод — один из немногочисленных элементов «без роду, без племени». История общения человека с этим веществом уходит во времена доисторические. Имя первооткрывателя углерода неизвестно, неизвестно и то, какая из форм элементного углерода — алмаз или графит — была открыта раньше. И то и другое случилось слишком давно. Определенно утверждать можно лишь одно: до алмаза и до графита было открыто вещество, которое еще несколько десятилетий назад считали третьей, аморфной формой элементного углерода — уголь. Но в действительности уголь, даже древесный, это не чистый углерод. В нем есть и водород, и кислород, и следы других элементов. Правда, их можно удалить, но и тогда углерод угля не станет самостоятельной модификацией элементного углерода. Это было установлено лишь во второй четверти нашего века. Структурный анализ показал, что аморфный углерод — это по существу тот же графит. А значит, никакой он не аморфный, а кристаллический; только кристаллы его очень мелкие и больше в них дефектов. После этого стали считать, что углерод на Земле существует лишь в двух элементарных формах — в виде графита и алмаза.

Видео Органические соединения в космосе

Алканы. Строение и номенклатура

По определению алканы – предельные или насыщенные углеводороды, имеющие линейную или разветвлённую структуру. Также называются парафинами. Молекулы алканов содержат только одинарные ковалентные связи между атомами углерода. Общая формула –

CnH2n+2.

Чтобы назвать вещество, необходимо соблюсти правила. По международной номенклатуре названия формируются с помощью суффикса -ан. Названия первых четырёх алканов сложились исторически. Начиная с пятого представителя, названия составляются из приставки, обозначающей количество атомов углерода, и суффикса -ан. Например, окта (восемь) образует октан.

Для разветвлённых цепей названия складываются:

  • из цифр, указывающих номера атомов углерода, около которых стоят радикалы;
  • из названия радикалов;
  • из названия главной цепи.

Пример: 4-метилпропан – у четвёртого атома углерода в цепи пропана находится радикал (метил).

Рис. 1. Структурные формулы с названиями алканов.

Каждый десятый алкан даёт называние следующим девяти алканам. После декана идут ундекан, додекан и далее, после эйкозана – генэйкозан, докозан, трикозан и т.д.

Органические и неорганические вещества. Органические вещества

Органические соединения отличаются от неорганических, прежде всего, своим составом. Если неорганические вещества могут быть образованы любыми элементами Периодической системы, то в состав органических должны непременно входить атомы C и H. Такие соединения называют углеводородами (CH4 – метан, C6H6 – бензол). Углеводородное сырье (нефть и газ) приносит человечеству огромную пользу. Однако и распри вызывает нешуточные.

Производные углеводородов содержат в своем составе еще и атомы O и N. Представители кислородсодержащих органических соединений – спирты и изомерные им простые эфиры (C2H5OH и CH3-O-CH3), альдегиды и их изомеры – кетоны (CH3CH2CHO и CH3COCH3), карбоновые кислоты и сложные эфиры (CH3-COOH и HCOOCH3). К последним принадлежат также жиры и воски. Углеводы – тоже кислородсодержащие соединения.

Азотсодержащими называют амины (CH3-NH2), аминокислоты(NH2-CH2-COOH) и их межклассовые изомеры – нитросоединения (CH3-CH2-NO2), а также белки. Гетероциклические соединения бывают кислород-, азот- серсодержащими.

Почему же ученые объединили вещества растительные и животные в одну группу – органические соединения и в чем их отличие от неорганических? Одного четкого критерия, позволяющего разделить органические и неорганические вещества, нет. Рассмотрим ряд признаков, объединяющих органические соединения.

  1. Состав (построены из атомов C, H, O, N, реже P и S).
  2. Строение (связи С- Н и С – С обязательны, они образуют разной длины цепи и циклы);
  3. Свойства (все органические соединения горючи, образуют при горении СО2 и H2O).

Среди органических веществ много полимеров природного (белки, полисахариды, натуральный каучук и др.), искусственного (вискоза) и синтетического (пластмассы, синтетические каучуки, полиэстер и другие) происхождения. Они обладают большой молекулярной массой и более сложным, по сравнению с неорганическими веществами, строением.

Наконец, органических веществ насчитывают более 25 миллионов.

Это лишь поверхностный взгляд на органические и неорганические вещества. О каждой из этих групп написан не один десяток научных трудов, статей и учебников.

Связь биосферы с космосом обеспечивает функция живого вещества. Живое вещество. Функции живого вещества биосферы

Как мы уже обозначали выше, живым веществом рассматриваемой оболочки Земли считается вся совокупность организмов, принадлежащих ко всем царствам природы. Особое же положение среди всех занимают люди. Причинами этого стало:

  • потребительская позиция, а не продуцирующая;
  • развитие разума и сознания.

Все остальные представители - это живое вещество. Функции живого вещества были разработаны и указаны Вернадским. Он отводил следующую роль организмам:

  1. Окислительно-восстановительная.
  2. Деструктивная.
  3. Транспортная.
  4. Средообразующая.
  5. Газовая.
  6. Энергетическая.
  7. Информационная.
  8. Концентрационная.

Самые основные функции живого вещества биосферы - газовая, энергетическая и окислительно-восстановительная. Однако и остальные тоже являются важными, обеспечивающими сложные процессы взаимодействия между всеми частями и элементами живой оболочки планеты.

Рассмотрим каждую из функций более подробно, чтобы понять, что именно подразумевается и в чем суть.

Связь биосферы с космосом обеспечивает функция живого вещества. Живое вещество. Функции живого вещества биосферы