زندگی روی زمین به طرز باورنکردنی متنوع است، با این حال همه موجودات زنده ویژگی های خاصی دارند که آنها را به عنوان موجودات زنده تعریف می کند. اینها شامل توانایی رشد، تولید مثل، حفظ هموستاز، پاسخ به محرک ها، انطباق با محیط آنها و داشتن سطحی از سازمان است. در قلب این ویژگی ها عناصر شیمیایی تشکیل دهنده موجودات زنده قرار دارند. در این درس، ما عناصر کلیدی ضروری برای زندگی، نقش‌های آنها و چگونگی ترکیب آنها برای تشکیل ساختارها و عملکردهای پیچیده موجود در موجودات زنده را بررسی خواهیم کرد.
همه موجودات زنده، از کوچکترین باکتری ها تا بزرگترین نهنگ ها، از مجموعه محدودی از عناصر شیمیایی ساخته شده اند. این عناصر به روش های مختلف ترکیب می شوند تا مولکول های ضروری برای فرآیندهای زندگی را تشکیل دهند. فراوان ترین عناصر موجود در موجودات زنده عبارتند از کربن (C)، هیدروژن (H)، اکسیژن (O)، نیتروژن (N)، فسفر (P) و گوگرد (S). در مجموع، این عناصر به عنوان عناصر CHNOPS شناخته می شوند.
کربن عنصر اصلی در شیمی آلی است و ستون فقرات زندگی در نظر گرفته می شود. توانایی منحصر به فرد آن برای تشکیل چهار پیوند کووالانسی به آن اجازه می دهد تا به عنوان داربستی برای مولکول های پیچیده عمل کند. این ویژگی، تشکیل طیف وسیعی از مولکول‌های آلی، از جمله کربوهیدرات‌ها، لیپیدها، پروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک را که برای فرآیندهای زندگی ضروری هستند، ممکن می‌سازد.
هیدروژن و اکسیژن در آب (H 2 O) ترکیب می شوند که برای زندگی ضروری است. آب حلال حیات است. این جایی است که بیشتر واکنش های بیوشیمیایی رخ می دهد. همچنین در تنظیم دما، حل کردن مواد زائد و حمل و نقل مواد در موجودات نقش دارد.
نیتروژن جزء کلیدی اسیدهای آمینه است که بلوک های سازنده پروتئین ها هستند و اسیدهای نوکلئیک که DNA و RNA را می سازند. این مولکول ها برای ساختار، عملکرد و تنظیم سلول ها، بافت ها و اندام های بدن بسیار مهم هستند.
فسفر در درجه اول به ساختار اسیدهای نوکلئیک و تشکیل ATP (آدنوزین تری فسفات)، مولکولی که انرژی را درون سلول ها حمل می کند، کمک می کند. همچنین جزئی از فسفولیپیدها است که برای ساخت غشای سلولی ضروری هستند.
گوگرد جزء اسیدهای آمینه خاصی مانند سیستئین و متیونین است و در تشکیل پیوندهای دی سولفیدی نقش دارد. این پیوندها به تثبیت ساختار پروتئین ها کمک می کند و گوگرد را برای عملکرد آنها ضروری می کند.
علاوه بر عناصر اصلی، چندین عنصر کمیاب مانند آهن (Fe)، منیزیم (Mg)، پتاسیم (K)، کلسیم (Ca) و روی (Zn) وجود دارند که برای زندگی بسیار مهم هستند، البته در مقادیر بسیار کمتر. آنها نقش مهمی در عملکرد آنزیم، انتقال اکسیژن (مانند هموگلوبین)، انتقال سیگنال و سایر فرآیندهای سلولی دارند.
موجودات زنده دارای سطح پیچیده ای از سازمان هستند که از سطح اتمی با عناصر شروع می شود و به سلول ها، بافت ها، اندام ها و سیستم های اندام می رسد. در هر سطح از سازمان، عناصر ترکیب می شوند و مولکول هایی با عملکردهای خاص تشکیل می دهند که به سلامت و بقای کلی ارگانیسم کمک می کند.
دگم اصلی زیست شناسی مولکولی توصیف می کند که چگونه اطلاعات ژنتیکی در یک سیستم بیولوژیکی جریان می یابد. بیان می کند که DNA به RNA رونویسی می شود و سپس به پروتئین ترجمه می شود. این فرآیند اهمیت عناصری مانند کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و فسفر را که اسیدهای نوکلئیک و آمینو اسیدهای دخیل در این جریان اطلاعات را تشکیل می دهند، برجسته می کند.
فتوسنتز و تنفس سلولی دو فرآیند بیولوژیکی اساسی هستند که شامل تبادلات قابل توجهی از عناصر بین موجودات زنده و محیط آنها می شود. فتوسنتز دی اکسید کربن (CO 2 ) و آب ( H 2 O ) را با استفاده از انرژی نور خورشید به گلوکز ( C 6 H 12 O 6 ) و اکسیژن ( O 2 ) تبدیل می کند. این فرآیند نقش حیاتی کربن، هیدروژن و اکسیژن را نشان می دهد. در مقابل، تنفس سلولی، گلوکز را به CO 2 و H 2 O تجزیه می کند و انرژی ذخیره شده در پیوندهای مولکول های گلوکز را آزاد می کند. این تبادل چرخه ای عناصر برای تعادل انرژی در اکوسیستم ضروری است.
در نتیجه، عناصر حیات - کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، فسفر، گوگرد، و عناصر کمیاب مختلف - برای مولکول‌های بیولوژیکی و فرآیندهایی که موجودات زنده را تعریف می‌کنند، بنیادی هستند. درک نقش ها و تعاملات این عناصر بینشی از ماهیت پیچیده و در عین حال سازمان یافته زندگی را فراهم می کند. در حالی که هر عنصر عملکرد خاص خود را دارد، اثرات و تعاملات ترکیبی آنهاست که زندگی را ممکن می کند.
