Mitai apie gyvalazdes - Vilniaus universitetas
Mitai apie gyvalazdes - Vilniaus universitetas
Mitai apie gyvalazdes - Vilniaus universitetas
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
þemoms neigiamoms temperatûroms, o<br />
skysèiai lengvai garuoja. Pavyzdþiui, vandenilis<br />
H 2 skystëja, kai yra –259 °C, metanas<br />
CH 4 – –183 °C. Esant tokioms temperatûroms<br />
cheminës reakcijos, taigi ir gyvybës<br />
fermentinës reakcijos, praktiðkai nevyktø. Kai<br />
molekulës didesnës, tai dël dispersiniø-Londono<br />
sàveikø skysèiai yra klampûs ir molekuliø<br />
judëjimas juose vyksta sunkiau.<br />
Vandenilinës jungtys yra stipresnës nei<br />
dispersinës-Londono sàveikos ir jas sudaranèiø<br />
molekuliø medþiagos yra skystos net<br />
esant daug aukðtesnei temperatûrai nei dispersiniø-Londono<br />
sàveikø sàlygoti skysèiai.<br />
Kaip matëme, tik organogeniniai deguonies<br />
ar azoto atomai (vëlgi neskaitant floro) turi<br />
iðskirtinai stiprias vandenilines jungtis. Taèiau<br />
ðiø atomø maþiausiø molekuliø amoniako<br />
ir vandens sudarytø skysèiø savybës<br />
skiriasi, amoniako kietëjimo ir virimo temperatûros<br />
–77,8°C ir –33,4°C yra pastebimai<br />
þemesnës nei vandens 0,0°C ir +100°C<br />
(amoniako ir vandens analogai fosfinas PH 3<br />
ir sieros vandenilis SH 2 vandeniliniø jungèiø<br />
nesudaro).<br />
Be to, vandeniliniø jungèiø sudaryti skysèiai<br />
struktûrizuotumu iš esmës skiriasi nuo<br />
dispersiniø-Londono sàveikø sàlygotø skysèiø.<br />
Kaip matëme, vandenilinës jungtys yra<br />
orientuotos Y atomo nepadalintos poros orbitalës<br />
kryptimi, ir vandeniline jungtimi sujungtos<br />
molekulës tampa orientuotos jos<br />
atþvilgiu. Vis dëlto vandenilinës jungties energija<br />
tik nedaug didesnë uþ ðiluminio judëjimo<br />
vidutinæ energijà, ir taip sujungtos molekulës<br />
dël fluktuacijø iðbûna gana trumpà laikà<br />
(milijardines sekundës dalis – nanosekundes).<br />
Vis dëlto tokiame skystyje dalis molekuliø<br />
(ir gana didelë) yra tarpusavyje orientuotos,<br />
iðsidësto ne visai chaotiðkai ir toks<br />
skystis jau yra struktûrizuotas.<br />
Vandens molekulës dviejø vandeniliniø<br />
jungèiø vandenilio atomai priklauso vienai<br />
molekulei, o tos molekulës sudaromø kitø<br />
dviejø vandeniliniø jungèiø vandenilio atomai<br />
– dviem kaimyninëms molekulëms.<br />
Ðios vandens molekulës sudaromos keturios<br />
vandenilinës jungtys yra orientuotos simetriðkai,<br />
nes dvi jungtys yra vienoje plokðtumoje,<br />
o kitos dvi – statmenoje pirmajai.<br />
Taip simetriškai susijungusios kelios deðimtys<br />
vandens molekuliø sudaro ledo mikrokristalëlius<br />
– klasterius, kuriuose yra didesnë<br />
dalis vandens molekuliø ir todël vandens<br />
struktûrizuotumas yra didelis (suðalæs vanduo<br />
tampa ištisiniu klasteriu – ledu, kurio<br />
struktûra yra tokia pat kaip deimanto)*.<br />
Tuo tarpu amoniako molekulës trijø vandeniliniø<br />
jungèiø vandenilio atomai priklauso<br />
vienai molekulei, o vienos vandenilinës<br />
jungties vandenilio atomas priklauso kitai,<br />
kaimyniniø molekuliø iðsidëstymas nëra toks<br />
simetriðkas ir mikroskopiniø kvazikristaliniø<br />
klasteriø beveik nesusidaro. Tad skysto amoniako<br />
struktûrizuotumo laipsnis yra maþesnis<br />
nei vandens, ir nuo to taip pat priklauso,<br />
kad skysto vandens temperatûra yra aukð-<br />
tesnë ir temperatûros intervalas daug platesnis<br />
nei skysto amoniako. Aukðtesnë vandens<br />
temperatûra lemia greitesná (bio)cheminiø<br />
reakcijø greitá, o didesnis temperatûros<br />
intervalas leidþia gyvybei egzistuoti esant<br />
didesnei sàlygø ávairovei. Todël vanduo yra<br />
tinkamesnis gyvybei nei amoniakas.<br />
Hidrofobiðkumas<br />
Kaip matyti, vanduo yra tinkama aplinka<br />
gyvybinëms funkcijoms, nes, bûdamas labiau<br />
struktûrizuotas nei amoniakas ir kiti<br />
skysèiai, jis sudaro molekulines struktûras,<br />
kurios yra stabilizuojamos netirpiø hidrofobiniø<br />
angliavandeniliniø molekuliø ar makromolekulës<br />
daliø –CH , –CH –CH , –C H 3 2 3 6 5<br />
ir kt. Ðios angliavandenilinës molekulës ar<br />
molekuliø dalys yra netirpios todël, kad <strong>apie</strong><br />
hidrofobines-nepolines molekules, kaip ir<br />
vandenyje, susidaro ledo klasteris, taèiau já<br />
ðiø molekuliø dispersinës-Londono sàveikos<br />
dar papildomai stabilizuoja. Todël hidrofobines<br />
molekules gaubiantis klasteris tampa<br />
stabiliu ledo karkasu ir jo molekulës netenka<br />
slenkamojo judëjimo (sumaþëja jø entropija),<br />
o ðiluma iðsisklaido á aplinkà. Vandens<br />
molekuliø judëjimas tokiame ledo klasteryje<br />
sulëtëja, jos silpniau smûgiuoja á atskiras<br />
hidrofobines molekules ir fluktuacijos, kurios<br />
gali ardyti ðá dariná, labai suretëja. Dël to hidrofobiniø<br />
molekuliø sankaupa vandenyje yra<br />
stabilizuojama ir vandenyje neiðtirpsta.<br />
Kai vandenyje susiduria dvi hidrofobinës,<br />
stabiliu ledo karkasu padengtos molekulës,<br />
tai jos susilieèia ðiais ledo karkasais.<br />
Kadangi kiekvienà karkasà stabilizuoja<br />
hidrofobiniø molekuliø dispersinës-Londono<br />
sàveikos, jø susilieèianèius ledo karkasus<br />
veikia abiejø hidrofobiniø molekuliø<br />
prieðingø krypèiø dispersinës-Londono sàveikos<br />
ir jos kompensuojasi. Tad tarp abiejø<br />
hidrofobiniø molekuliø esanèias karkaso<br />
vandens molekules nebeveikia stabilizuojanèios<br />
hidrofobiniø molekuliø dispersinës-Londono<br />
sàveikos ir juose esanèios<br />
vandens molekulës gali judëti taip pat laisvai,<br />
kaip ir visame skystyje. Tada vandens<br />
molekulës ið tarpo tarp abiejø hidrofobiniø<br />
molekuliø iðsiskirsto ir pastarosios sulimpa,<br />
o jas abi dabar jau apgaubia ir stabilizuoja<br />
iðtisinis ledo klasteris. Taip vandens<br />
gebëjimas sudaryti nestabilius klasterius,<br />
kuriuos sutvirtina nepoliniø molekuliø dispersinës-Londono<br />
sàveikos, nulemia hidrofobiniø<br />
molekuliø sudarytos struktûros<br />
stabilizavimà ir netirpumà (þr. minëtà<br />
straipsnelá „Vanduo – gyvybës statybininkas…O<br />
gal montuotojas“).<br />
Kaip matyti, vanduo yra daug tinkamesnë<br />
aplinka gyvybei funkcionuoti nei kiti<br />
skysèiai. Pirmiausia vandens kietëjimo ir virimo<br />
temperatûros yra þenkliai aukðtesnës<br />
nei kitø maþø molekuliø skysèiø ir dël to<br />
cheminës bei biocheminës reakcijos vyksta<br />
pakankamai greitai. Kartu ðios temperatûros<br />
nëra tokios aukðtos, kad greitai suirtø<br />
susidariusios molekulës. Antra vandens<br />
savybë, kuri daro já tinkamiausiu skysèiu gyvybei,<br />
yra didelis jo struktûrizuotumo laipsnis,<br />
o tai leidþia iš netirpiø hidrofobiniø molekuliø<br />
susidaryti stabilioms struktûroms.<br />
Tokios organogeniniø anglies, azoto,<br />
deguonies ir vandenilio atomø ir ið jø sudarytø<br />
maþø ir makromolekuliø savybës juos<br />
skiria nuo kitø atomø ir jø sudaromø molekuliø.<br />
Ið ðiø atomø gali susidaryti didþiulë<br />
ávairovë maþø molekuliø , taip pat ir vandens,<br />
ir tik ið ðiø atomø maþø molekuliømonomerø<br />
susidaro ir makromolekulës.<br />
Tarp ðiø makromolekuliø yra ir tokiø, kuriø<br />
savybës yra suderintos taip, kad jos gali<br />
vykdyti ávairiausias gyvybës funkcijas ir nuo<br />
jø priklausë gyvybës atsiradimas ir išsilaikymas<br />
Þemëje.<br />
Bus daugiau<br />
*P.S. Ðalia kitø vanduo turi ir dar vienà<br />
iðskirtinæ savybæ – jis sunkiausias ir tankiausias<br />
esant +4 o C ir pleèiasi tiek didinant,<br />
tiek ir maþinant temperatûrà. Todël ledas yra<br />
lengvesnis uþ vandená, plaukioja vandens<br />
pavirðiuje ir vanduo ðàla á ledà ne nuo dugno,<br />
o pavirðiuje. Tuo tarpu kitos skystos ar<br />
betvarkës amorfinës bei kristalinës medþiagos<br />
didinant temperatûrà pleèiasi, o maþinant<br />
– traukiasi. Tokia medþiagø savybë priklauso<br />
nuo to, kad didinant temperatûrà didëja<br />
molekuliø ðiluminio judëjimo greitis,<br />
jos tarpusavyje stipriau stumdosi, tarp jø didëja<br />
vidutinis atstumas ir todël medþiagos<br />
pleèiasi, maþëja jø tankis ir jos lengvëja. Maþinant<br />
temperatûrà viskas vyksta prieðingai.<br />
Vandens iðskirtinumà lemia jo struktûros<br />
ypatumas, nes vanduo susideda ið ledo mikrokristalëliø<br />
ir tarp jø esanèiø amorfiniø srièiø.<br />
Ledo mikrokristalëliuose tarp tvarkingai<br />
iðsidësèiusiø vandens molekuliø yra ertmës,<br />
o amorfinëse srityse vandens molekulës iðsidësto<br />
netvarkingai ir tas tuðtumëles uþpildo.<br />
Todël amorfinëje srityje vandens molekuliø<br />
tankis yra didesnis nei kristalinëje-aþûrinëje<br />
struktûroje ir dël to skysto vandens tankis<br />
yra didesnis ir ledas yra lengvesnis.<br />
Vandens plëtimasis priklauso nuo ledo<br />
mikrokristalëliø, amorfinës srities dydþio ir<br />
kiekio kitimo. Kylant temperatûrai maþëja ledo<br />
mikrokristalëliø dydis ir kiekis bei didëja<br />
amorfinë sritis, dël to vanduo traukiasi ir didëja<br />
jo tankis. Taèiau kylant temperatûrai didëja<br />
vandens molekuliø ðiluminio judëjimo<br />
greitis, jos tarpusavyje stipriau stumdosi ir<br />
todël amorfinëje srityje ir ledo mikrokristalëliuose<br />
didëja tarpmolekulinis vidutinis atstumas<br />
– vanduo pleèiasi, maþëja jo tankis ir jis<br />
lengvëja. Ðiø dviejø prieðingai veikianèiø procesø<br />
balansas ir nulemia vandens elgesá kintant<br />
temperatûrai. Esant +4 o C ðiø procesø<br />
balansas yra toks, kad vanduo yra sunkiausias.<br />
Temperatûrai maþëjant nuo +4 o C didëja<br />
mikrokristalëliø dydis ir kiekis ir vanduo,<br />
o po to ir ledas, lengvëja. Temperatûrai didëjant<br />
nuo +4 o C jau vyrauja molekuliø ðiluminio<br />
judëjimo greièio átaka ir nuo to vanduo<br />
pleèiasi, maþëja jo tankis ir jis lengvëja.<br />
Mokslas ir gyvenimas 2011 Nr. 7 31