Ova Hemijska čitanka namenjena je profesorima i nastavnicima hemije u gimnazijama, srednjim i osnovnim školama, ali je prvenstveno namenjena učenicima koji pokazuju naročito interesovanje za hemiju, a nadamo se da će i kod onih manje zainteresovanih učenika pobuditi interesovanje za ovu prirodnu nauku.

Ovakvih knjiga, hemijskih čitanki, u svetu nema mnogo, mada ima dosta drugih publikacija, većeg ili manjeg obima, sa sličnim sadržajima i namenama. Kod nas je Sima Lozanić još 1921. godine u svojoj poznatoj Hemiji za srednje škole napisao deo koji je, u stvari, dopunsko štivo za nastavnike i učenike. Još jedna knjiga ove vrste, Hemijska čitanka, napisana je po ideji i uz aktivno učešće Vukića Mićovića, a u saradnji sa Dragomirom Vitorovićem i Aleksandrom Matejićem i objavljena je 1968. godine.

Hemijska nauka je u proteklih nekoliko decenija doživela izuzetno veliki napredak, i to kako u pronicanju u strukturu materije, u razumevanju prirodnih promena i sintezi novih jedinjenja i materijala, tako i u širokoj primeni hemijskih proizvoda u svim segmentima našeg života, od lekova i hrane, sintetičkih vlakana i materijala do mirisa i začina, kao i boja i materijala bez kojih ne bi bilo ni nekih umetnosti. Zato smo smatrali da ćemo sadržajem ove čitanke pomoći nastavnicima i učenicima da se upoznaju sa najnovijim tekovinama savremene hemije, naročito sa njenim primenama u svakodnevnom životu.

Ova Čitanka se razlikuje od drugih knjiga i udžbenika, jer se čita dobrovoljno, bez primoravanja. Njome želimo da približimo hemiju svakom čitaocu, da je učinimo što razumljivijom i što pristupačnijom, kako ne bi bila bauk i dosadna za učenje i kako hemičare ne bi smatrali čarobnjacima. Pokušali smo da hemiju povežemo sa zahtevima i potrebama savremenog sveta, da objasnimo pojmove o kojima često govorimo, da predstavimo i objasnimo materijale koje svakodnevno koristimo. Nastojali smo da o savremenim pojmovima, materijalima i jedinjenjima govorimo sa što manje jednačina i formula, terminologijom i stilom, nadamo se, prihvatljivim za profesore i radoznale učenike. Takođe smo nastojali da hemiju realno postavimo usred čovekovog materijalnog života i da pokažemo da ona nije zabava i cilj naučnika, već da je sva u nama i oko nas i da su večite promene materije samo hemijski procesi.

Pažljivo su odabirane pojedine teme iz najrazličitijih oblasti hemije, kao i iz nekih graničnih oblasti. Izbor oblasti izvršen je uglavnom po njihovoj aktuelnosti u ovom vremenu, po savremenosti i naučnoj i primenjenoj važnosti, ali i na osnovu uvida i saznanja da one nisu obuhvaćene nastavnim programima, niti su opisane u postojećim udžbenicima hemije za srednje škole.

Nastojalo se da se odaberu oblasti koje će zainteresovali učenike da više saznaju i bolje razumeju neka novija dostignuća hemijske nauke i njenih primena. Zato su obrađene teme, na primer, o čipovima, fuziji, tečnim kristalima, hemijskoj energiji, o dobivanju novih elemenata i slične, jer se s ovim pojmovima i materijalima svakodnevno susrećemo. Smatrali smo da ćemo izaći u susret radoznalosti učenika ako detaljnije prikažemo i objasnimo ulogu i značaj novih materijala i hemijskih jedinjenja koje često upotrebljavamo (hrana, lekovi, boje, polimeri, veštačka vlakna, legure i slično).

Ovom knjigom pokušali smo da čitaocima predstavimo neka dostignuća savremene hemije i da ukažemo na širok opseg ove nauke i na njen humani, ekonomski, lehnički i strateški značaj.

Čitalac će sigurno zapaziti da smo izborom tema i sadržaja nastojali da hemiju predstavimo kao centralnu prirodnu nauku, mada je odabran i veći broj tema koje su na granici između hemije i nekih drugih prirodnih nauka, na primer, fizike ili biologije.

Izbor tema određivao je i izbor autora. Za skoro sve priloge odabrani su najkompetentniji autori, poznati naučnici, sa više fakulteta (Hemijskog, Tehnološko-metalurškog i Fizičko-hemijskog) i iz naučnih instituta („Vinče“, Centra za hemiju IHTM-a, Biološkog instituta i Instituta za genetski inženjering), kao i iz nekih fabrika. Pri izboru autora zaista sam imao vrlo lak posao. Svi pozvani autori sa zadovoljstvom su prihvatili da pišu priloge iz svojih oblasti. Svojim prilozima želeli su da doprinesu boljem razumevanju određenog pojma i teme i time popularizaciji hemije kao nauke. Zato najsrdačnije zahvaljujem svim autorima na njihovom dragocenom doprinosu ovoj Čitanci.

S autorima smo se saglasili da izlaganja, prikazi i objašnjenja pojedinih pojmova budu nadgradnja srednjoškolskih udžbenika i da pojmovi opisani u knjizi budu komplementarni sa nastavnim programima. Nastojali smo da nivo i metodologiju izlaganja uskladimo sa znatiželjom učenika, da ih zainteresujemo za pojedine oblasti i podstaknemo na razmišljanje o nekim aktuelnim hemijskim temama i pojmovima. Na kraju svake teme autori su dali i dopunsku literaturu koja može pomoći učenicima da prošire svoja znanja iz odgovarajuće oblasti.

Naša namera je, takođe, bila da nastavnicima i profesorima hemije pomognemo da neke metodske jedinice obogate najnovijim naučnim saznanjima kako bi kompetentno i prilagođeno uzrastu učenika mogli da govore o pojedinim temama i odgovore na mnoga pitanja radoznalih učenika o raznim aktuelnim oblastima hemije i njenih primena i da bi realno i meritorno mogli da prikažu hemijukao veoma važnu i „pitomu“ nauku, akojaje vrlo prisutna u svakodnevnom životu. Smatrali smo da hemija može postati populama samo ako se bolje razumeju materija i njene promene.

Oni koji malo razumeju hemiju prikazuju je u negativnom smislu, pa smo zato nastojali da nju i njene primene realno i objektivno prikažemo, da je prikažemo kao blagotvornu nauku, jer samo ako se poštuju njene zakonitosti – ona zaista i jeste takva. Naravno, ona može biti i zloćudna ako se zloupotrebljava i ako se ne poštuju njena pravila i zakoni.

Pored srdačne zahvalnosti autorima svih priloga, posebnu zahvalnost lzražavam izdavaču, Zavodu za udžbenike i nastavna sredstva, što se prihvatio publikovanja ove Hemijske čitanke. Zahvaljujem akademiku Dragomiru Vitoroviću i dr Draganu Uvaliću, uredniku za hemiju u Zavodu na pomoći i savetima pri pnpremanju ove knjige. Zahvaljujem se i recenzentima ove knjige, profesorima hemije Milki Dokić, Ružici Kovačević, Dejanu Daniloviću i Vladimiru Vukotiću, i njihovoj dragocenoj pomoći pri pregledu rukopisa.

Predgovor drugom izdanju. Prvo izdanje Hemijske čitanke dovršeno je i publikovano u jednom teškom vremenu, kada su bombe razarale Beograd i Srbiju. Autori ovog projekta za popularizaciju i tumačenje hemije dovršili su svoje priloge, ali su motivi za praćenje sudbine ove knjige bili veoma potisnuti snažnim utiscima o teškom stanju u zemlji. U takvim okolnostima nije izvršeno adekvatno obaveštavanje o ovoj knjizi i njeno predstavljanje hemijskoj, srednjoškolskoj i široj javnosti. Prepušteno je da se knjiga svojim sadržajem promoviše i da se čitaoci usmeno obaveste.

Interesovanje za Hemijsku čitanku prevazišlo je očekivanja i za normalne okolnosti, a posebno za navedena ograničenja i teškoće u kojima su se nalazile naše škole, učenici i profesori. Veliko interesovanje za Hemijsku čitanku ukazuje na to da u široj javnosti postoji potreba da se na prikladan i popularan način predstavljaju i tumače dostignuća hemijske nauke i njene primene, kao i potreba za razumevanje drugih hemijskih procesa i promena u prirodi.

U proteklih dvadesetak meseci, od prvog izdanja ove knjige, otkriveno je nekoliko miliona novih hemijskih jedinjenja, a među njima i brojna jedinjenja koja se primenjuju, kao novi lekovi za razne bolesti, dobiveni su polimeri koji provode električnu struju kao metali, sintetizovane su molekulske mašine i drugi materijali od značaja za konzerviranje sunčeve energije, otkrivene su nove spoznaje od značaja za bolje razumevanje prirodne fotosinteze, dovršen je svetski genomski projekat u kojem su hemija i biohemija dale ogroman doprinos. Ovo su samo neke oblasti koje se preporučuju za neko novo izdanje Hemijske čitanke, a koje istovremeno ukazuju na sve ubrzaniji razvitak hemijske nauke i tehnologije.

Čitaoce i korisnike ove knjige pozivamo da svoje komentare i primedbe o pojedinim prilozima, kao i ideje i sugestije za naredno izdanje dostave priređivaču.

maj. 2001. god. Ž. Čeković

Sadržaj

PREDGOVOR
SPISAK AUTORA
Živorad Čeković
HEMIJA: PRIRODA, NAUKA I DRUŠTVO
Vesna Niketić i Ivan Gutman
HEMIJSKA EVOLUCIJA I POREKLO ŽIVOTA NA ZEMLJI
Ljuba Mandić
ENZIMI – SPECIFIČNOST I MEHANIZAM DEJSTVA
Vukić Šoškić
HORMONI I RECEPTORI
Ratko M. Jankov

HEMIJSKI SASTAV I OPŠTI PRINCIPI DELOVANJA ANTIBIOTIKA
ALKALOIDI – lekovi ili droge?
Mihajlo B. Spasić i Duško Blagojević
HEMIJA STARENJA
Vladimir Glišin
GENETIČKO INŽENJERSTVO
Dušan Sladić
HEMIJSKA ČULA
Gordana Vučković
BIONEORGANSKA HEMIJA – VEZA IZMEĐU BIOLOGIJE I NEORGANSKE HEMIJE
Slobodan Milosavljević

ANALITIKA U ZDRAVLJU I MEDICINI (hromatografske metode kombinovane sa drugim instrumentalnim metodama)
Jovan Vučetić
BIOHEMIJA HRANE I ISHRANE
Vlatka Vajs
FEROMONI – MOLEKULI ZA KOMUNIKACIJU MEĐU INSEKTIMA
Nadežda Petranović

TERMODINAMIČKA INTERPRETACIJA HEMIJSKIH REAKCIJA
Ljiljana Došen-Mićović STRUKTURA I REAKTIVNOST MOLEKULA
Ivan Gutman
KAKO SU NASTALI HEMIJSKI ELEMENTI
NAJTEŽI HEMIJSKI ELEMENTI
Vukadin M. Leovac
KOMPLEKSNA JEDINJENJA
Svetozar R. Niketić

HEMIJA DRAGULJA
Dragan Marković
ZAGAĐENJE VAZDUHA
Milica Mojašević i Živorad Čeković
PESTICIDI
Slobodan M. Jovanović
POVRŠINSKI AKTIVNE SUPSTANCE – TENZIDI
Dragan Jocić
BOJE – ČUDESNI DOŽIVLJAJ HEMIJE
Radmila S. Jovanović
PRIRODNA I HEMIJSKA VLAKNA
Jasna Đonlagić

POLIMERNI MATERIJALI
M. Lj. Napijalo
TEČNI KRISTALI
Aleksandar Stamatović
POLUPROVODNICI, ČIPOVI
Slobodan Marinković
KOMPOZITNI MATERIJALI – Šta su i šta će nam
Velimir Radmilović
LAKE LEGURE
Vera Dondur
ZEOLITI
Vojin D. Krsmanović

HEMIJSKA REAKCIJA: OD EPRUVETE DO INDUSTRIJSKOG REAKTORA
NAFTA
Dragutin Dražić
HEMIJSKI IZVORI STRUJE
Đorđe M. Petković
NUKLEARNI GORIVNI CIKLUS
Jaroslav Labat
FUZIJA – ENERGIJA BUDUĆNOSTI
Gojko Radojičić
EKSPLOZIVI – Oružje, oruđe, gorivo, lekovi
Snežana Bojović
NAJZNAČAJNIJI HEMIČARI U SRBIJI

Hemija: priroda, nauka i društvo

Živorad Čeković

Prirodne nauke i hemija

Sve prirodne nauke danas imaju jedan zajednički cilj: da se bolje razume prirodni svet, a to znači da se otkriva suština prirodnih pojava, da se saznaju i objasne zakonitosti prirode i da se na tim saznanjima zasnuju mogućnosti primene i korišćenja prirodnih zakona i prirodnih materija. Pošto je priroda materijalna, u njenom razumevanju hemija zauzima centralno mesto. Prirodne nauke izučavaju materiju, svaka sa svojim alatom, svojim metodama i znanjima, svaka sa svoga stanovišta; one nastoje da upoznaju i okarakterišu sastav, strukturu i osobine materije.

Fizika izučava subatomski nivo strukture materije, odnosno unutrašnju strukturu i sastav atoma, ali hemijske osobine atoma proučava hemija. Hemija proučava materiju na atomskom i molekulskom nivou, otkiiva njen sastav, stukturu, osobine i promene. Biologija izučava osobine materije u živim organizmima i ispituje njenu strukturu, funkcije i odnose na višem, ćelijskom, nivou, dok elementami sastav i detaljnu molekulsku strukturu materije u živim organizmima, sastavljenu od velikih i malih molekula, izučava hemija. Geologija izučava mrtvu prirodu, poreklo i osobine Zemljine kore i njenih sastojaka, ali hemija i ovde pomaže i proučava njihov sastav i finu strukturu. Astronomija ispituje vasionu i zakonitosti u njoj. Dok matematika i kompjuterska nauka uspostavljaju i definišu određene korelacije između prirodnih nauka i međusobno ih povezuju.

Savremene prirodne nauke sve sistematičnije ulaze u suštinu i strukturu materije, mehanizme i uzroke njenih promena. pa se pojavljuju nove prelazne naučne oblasti. kao, na primer, biohemija između biologije i hemije, geohemija između geologije i hemije. fizička hemija između fizike i hemije i još mnogo novih graničnih oblasti. Hemija se, pored zajedničkih oblasti sa nekim prirodnim naukama, dodiruje i preklapa i sa nekim drugim naukama, kao što su: medicina, agrikultura, elektronika i kompjuterska nauka.

Koreni i stablo hemije

Demokrit

(397. godine pre nove ere)

Svekolika materija koja se nalazi u vasioni, pa bila ona živa ili mrtva. sagrađena je iz sitnih, nama nevidljivih delića. Takav jedan delić ne može se dalje raščlaniti, niti raseći u sitnije: zato ga zovem atomom. Ti atomi su neuništivi.

Ti atomi postaju vidljivi tek svojim nagomilavanjem, vidljivi u raznim oblicima u kojima se materija ukazuje našim čulima. Iz broja, veličine i međusobnog položaja atoma, dakle iz njihovog kvantitativnog i prostomog rasporeda i sastava, proizilaze sve kvalitativne raznolikosti materija kako ih pred sobom vidimo, isto tako kao što se istim slovima može napisati i tragedija i komedija.

Svet vasione sastoji se od prostora, atoma i kretanja. Beskonačno mnogo, beskrajno malenih, nevidljivih, atoma kovitlaju se, jedan pored drugog i oni izazivaju tim svojim neprestanim kretanjem sve prirodne pojave u njihovom neprekidnom nizu i raznolikosti njihovoj.

Sve je to stalni i večni razvitak, u kojem je čovek učestvovao i postepeno se iz životinjskog stanja uzdizao do sadašnje kulture.

Sa izvanrednom tačnošću Demokrit je još u četvrtom veku pre nove ere postavio temelje modeme hemije. Njegova atomska teorija o materiji, koja je formulisana bez eksperimentalne potvrde, još uvek važi. manje ili više netaknuta, čuvajući duboku istinu da prirodna čudesa potiču od atoma i molekula. Kako nauka otkriva sve misterije i tajne sveta koji nas okružuje, mi uvek sa dubokim poštovanjem posmatramo genijalne prirodne molekulske konstrukcije, kao što su nukleinske kiseline, ugljeni hidrati, proteini i sekundarni metaboliti kao četiri osnovne klase čudesnih molekula koje priroda sintetizuje sa izvanrednom lakoćom i koristi ih sa zadivljujućom preciznošću u sastavu i funkciji živih organizama.

U razumevanju prirodne raznolikosti i upoznavanju dela tajanstvenosti prirode sigurno da je hemija imala najveći udeo.

Lavoazije (1777. godine)

Krajnje je vreme da se hemija postavi na racionalne osnove, da se u njoj razlikuju činjenice od hipoteza. Svaka hipoteza mora se podvrći strogoj proveri ogledima. To je bila za mene najveća zapovest. Tvrdio sam ono što sam ogledima dokazivao. Hemija ide svome cilju time što razlaže i upoznaje materiju. Mi ne znamo gde će bili granice njenog nastojanja. Ništa nas ne uverava da supstance koje mi danas smatramo prostim to stvarno i jesu. Možemo samo da tvrdimo da neke supstance danas predstavljaju granicu hemijskog razlaganja do koga smo došli našim saznanjima i aparatima. jer je ne možemo dalje razlagati.

Iz metalnih kalkova (oksida) može se dobiti metal s ugljem ili drugim sličnim supstancama koje sadrže nešto što se uopšteno označava flogiston. Ako se uzme tačna količina uglja koja odgovara, onda on nestaje potpuno pri tom procesu. Tada se gradi gas koji se naziva „fiksni vazduh“ (ugljen-dioksid). Pri tome sam pronašao da se metalni kalk koji se i bez uglja zagrevanjem pretvara u metal − mevcunus (živa).

Svojim ogledom sa zagrevanjem žive u zatvorenom sudu dokazao sam da je došlo do smanjivanja zapremine vazduha za 1/5. Kada sam zatim zagrejao nastali živin-oksid utvrdio sam da je pri tome oslobođeni kiseonik nagradio zajedno sa zaostalim azotom smešu čija zapremina i kvalitet su bili potpuno identični sa prvobitnim običnim vazduhom. Zatim sam stavio jednog vrapca u dobivenu zapreminu vazduha i čekao dok ovaj nije uginuo. Ovaj put se, doduše, nije smanjila zapremina vazduha, ali njegov sastav nije odgovarao običnom vazduhu. Taj vazduh nije podržavao ni gorenje, ni disanje, mutio je krečnu vodu upravo kao i fiksni vazduh (ugljen-dioksid). Kada je taj deo smeše apsorbovan u kalk onda je došlo do smanjenja zapremine za 1/5. Vazduh za disanje (kiseonik) pretvara se u plućima u fiksni vazduh. Doduše, možda postoji mogućnost da se u plućima ne vrši pretvaranje već da se vazduh za disanje vezuje i pri tome se otpušta ista zapremina „fiksnog vazduha“.

Ovim i još brojnim drugim otkrićima i eksperimentima Lavoazije je postavio temelje modernoj hemiji. Na ovim osnovama razvijala se hemija u poslednja dva veka i ovaj nivo je dostigla zahvaljujući Lavoazijeovim pronalascima.

Šta je hemija danas?

Hemija je nauka o materiji. Ova definicija je tačna, ali nije i dovoljno precizna da objasni šta je sve hemija danas. Hemija danas pokušava da razume i objasni hemijske, fizičke i biološke osobine supstanci. da pronikne u najfiniju strukturu svake materije, da razume i objasni sve promene materije (u živim organizmima i hemijskim laboratorijama) i da na osnovama ovih saznanja odabere korisne materije i supstance i stavi ih svetu na upotrebu.

Pod materijom se podrazumeva sve što je priroda stvorila, kao što su minerali u zemlji, gasovi u vazduhu, voda i soli u morima, zatim supstance koje stvara živa priroda i nove supstance koje stvara čovek.

Hemijska nauka nastoji da razume i objasni promene pri kojima se neke materije u prirodnim uslovima razlažu, sagorevaju ili trule. zatim hemijske promene pri kojima se iz elemenala i malih molekula stvaraju novi, veliki i složeni molekuli u živim organizmima i hemijske promene koje su bitne za funkciju rasta i života.

Da ovde na početku knjige objasnimo, u hemijskom smislu, dva pojma: materija i supstanca, koji se često upotrebljavaju. Pod pojmom materija podrazumeva se sve što je materijalno, sva tela (čvrsta, tečna ili gasovita) koja nas okružuju. Pojam supstance je više hemijskog karaktera i podrazumevačisto hemijsko jedinjenje koje ima definisanu strukturu. osobine i ime.

Pored prirodnih hemijskih promena, u laboratorijama su pronađene i usavršene brojne hemijske promene, odnosno hemijske reakcije pomoću kojih se danas dobiva veliki broj hemijskih proizvoda u laboratorijskim uslovima i industrijskim razmerama.

Da bismo što bolje razumeli materije koje nas okružuju, njihove osobine i promene, hemičari pokušavaju da što detaljnije proniknu u strukturu materije. Sa poznavanjem detaljne strukture neke supstance otkrivaju se i njene osobine i reaktivnost, koji mogu biti od važnosti za njihovu primenu.

Nastojanja hemičara da upoznaju strukturu materije stara su koliko i hemija. Sa povećavanjem količine znanja i sa razvijanjem metoda i instrumenata, u dosadašnjem razvitku hemije menjala se i slika o strukturi materije, koja je postajala sve jasnija.

Svojom raznovrsnošću i atraktivnošću u naučnom smislu, humanim karakterom, ekonomskim značajem i tehničkom važnošću, hemija predstavlja složenu naučnu disciplinu koja najneposrednije utiče na kvalitet našeg života i doprinosi mu.

Hemija kao nauka pokriva širok spektar primena od velike važnosti za život i delatnost narastajućeg stanovništva na planeti. Ona rešava osnovne potrebe ljudske vrste koje se odnose na hranu, zdravlje, energiju, odeću, stanovanje, zaštitu prirodne okoline i druge potrebe.

Cela priroda od 92 elementa

Sve materije na zemlji, prirodne ili veštačke, organske ili neorganske, žive ili mrtve, izgrađene su od 92 hemijska elementa nađena u prirodi (pored još dvadesetak elemenata dobivenih samo u laboratorijama). Od 92 elementa sastavljeno je preko 20 miliona do sada poznatih, različitih hemijskih jedinjenja, od kojih se veliki deo nalazi u prirodi, ali je veći broj jedinjenja sintetizovan u laboratorijama. Od ta 92 elementa i njihovih jedinjenja izgrađena je svekolika priroda: planine, šume, reke, vazduh, rude, biljke, životinje, ljudi i predmeti koje koristimo: boje, mirisi, lekovi, sapun, guma, staklo i mnogi drugi.

Sve materije koje čine Zemljinu koru i nalaze se na zemlji sastoje se od ovih elemenata. Svi elementi nisu ni blizu ravnomemo raspoređeni, niti zastupljeni u prirodi. Ta raznolikost i ogromno bogatstvo prirode potiču baš od najrazličitijeg mogućeg kombinovanja, odnosno sjedinjavanja elemenata, tako da svako telo i svaki živi organizam imaju karakterističan sastav elemenata i jedinjenja koja ulaze u njihov sastav.

U Zemljinoj kori, debljine 16 km, nađena su 92 elementa. Neki od elemenata su „nosači“ Zemljinog tela, dok neki izgledaju kao „ukrasi“. Najzaslupljeniji element u Zemljnoj kori je kiseonik (49,4%), koji se nalazi u vazduhu u raznim mineralima, vodi, živim organizmima. Zatim dolazi silicijum, koji sačinjava četvrtinu Zemljine kore (25,7%). Veliki broj minerala od kojih su izgrađene planine, plodne ravnice i pustinje sadrži silicijumova jedinjenja. Tako, tri četvrtine Zemljine kore sastoje se od samo dva elementa: kiseonika i silicijuma. Udeo sledećih 12 elemenata u Zemljinoj kori raspoređen je po sledećem redu: aluminijum (7,5%), gvožđe (4,7%), kalcijum (3,4%), natrijum (2,6%), kalijum (2,4%). magnezijum (1,9%), vodonik (0,88%), litan (0,58%), hlor (0,19%), fosfor (0,12%), ugljenik (0.087%) i mangan (0,08%). Ovih 14 navedenih elemenata čini dakle 99,53% zemljine kore i žive prirode na zemlji. Ostalih 78 prirodnih elemenala sačinjavaju manje od 0,5% prirode, tako da se u Zemljinoj kori nalazi samo 0,01% bakra, 0,000004% srebra. a zlata u prirodi ima samo jedan desetmilioniti deo procenta. Zemljinu koru izgrađuje preko 4 000 različitih minerala u čiji sastav ulazi oko 80 elemenata.

• kiseonik 49,4 %
• silicijum 25,7%
• aluminijum 7,5%
• bakar 0,01%
• mangan 0,08%
• ugljenik 0,087%
• fosfor 0,12%
• hlor 0,19%
• titan 0,58%
• vodonik 0,882%
• magnezijum 1,9%
• kalijum 2,4%
• natrijum 2,6%
• kalcijum 3,4%
• gvožđe 4,7%
• ostalih 77 elem. 0,453%

Kao što je utvrđen elementarni sastav skoro svih tela u prirodi, tako su određeni sastav i udeo pojedinih elemenata u telu čoveka, tog najorganizovanijeg živog bića. Čovek prosečne težine od 75 kg sadrži 40,4 kg kiseonika, 20,2 kg ugljenika, 7,25 kg vodonika, 3,04 kg azota, 2,15 kg kalcijuma, 1,14 kg fosfora, pa tako ovih 6 elemenata ukupno čine 74,18 kg. Ostatak od 820 g sastoji se od 200 g hlora, 175 g sumpora, 150 g natrijuma, 100 g kalijuma, 75 g fluora, 50 g magnezijuma, 5 g gvožđa, po 3 g silicijuma i mangana, 1 g aluminijuma, 0,1 g joda a ostatak od 62 g sadrži tragove arsena, bakra, olova, cinka, litijuma, broma, lantana, cerijuma, vanadijuma, hroma i molibdena. To znači da se u čovečijem telu nalazi 28 elemenata povezanih u ogroman broj različitih jedinjenja.

Prema tome, 92 prirodna elementa čine materije od kojih je sačinjena svekolika priroda. Svi ti elementi međusobno se razlikuju po masi, hemijskim i fizičkim osobinama, po izgledu. Svaki od njih je kao neka ličnost sa određenim karakteristikama. Ta raznolikost u karakteristikama elemenata omogućava najrazličitije njihove kombinacije, postajanje ogromnog broja prirodnih jedinjenja i sintezu još većeg broja jedinjenja koja su hemičari napravili u laboratorijama.

Hemija u prirodi

Hemijska nauka otkriva nepoznato u sastavu materije, njenoj gradi i osobinama. Dobro poznavajući prirodu malerije, hemičari danas „čarobnjački” njome rukuju, menjaju je, stvaraju nova jedinjenja i nove materijale, popravljaju ono što je priroda propustila.

Detaljno poznavanje prirode i osobina materije u živim organizmima, njene strukture i uloge presudno je doprinelo razumevanju mnogih hemijskih procesa u prirodi i saznanju o tome kako postaju jednostavni i složeni molekuli, kako obavljaju svoju specifičnu funkciju u prirodnoj sredini. kako se i na šta se razlažu pošto obave svoju ulogu u nekom prirodnom procesu. Kada se upoznaju svi hemijski procesi u nekom živom organizmu, njihova uzajamna zavisnost i povezanost, kao i promene malih i velikih molekula tada se može reći da poznajemo život. Jer, život jeste, u suštini, savršeno usklađen veliki broj hemijskih reakcija. Kada samo neka od tih bezbroj reakcija nije usklađena i ne obavlja svoju funkciju nastaje stanje koje se naziva bolest. Da bi smo takvu reakciju korigovali i vratili joj normalnu funkciju, uzimamo razna jedinjenja u obliku lekova, vitamina ili hormona.

Hemiju učimo od prirode

Hemičari istražuju prirodni svet i u njemu nalaze veoma korisne supstance koje do tada nisu bile poznate. Prirodni materijali i proizvodi proučavani su široko i sistematično i još uvek se proučavaju, ali sa ciljem da se nađu nova jedinjenja u biljkama, životinjama i na zemlji. Sada se intenzivno istražuju biljne i životinjske vrste i materije iz mora. Kada se iz prirodnih materijala izoluje nova čista supstanca i odrede joj se elementarni sastav i struktura proučavaju se njene osobine (hemijske, fizičke i biološke) dabi se ustanovilo dali to jedinjenje poseduje neke osobine koje se mogu koristiti, odnosno primeniti. Kada se ustanovi da poseduje osobine koje se mogu iskoristiti obezbeđuju se veće količine takvih jedinjenja, odnosno materijala. Da bi se obezbedile veće količine korisnih jedinjenja, ali i sprečilo uništavanje živih prirodnih izvora, hemičari pronalaze puteve i metode za sintezu novootkrivenih jedinjenja i time obezbeđuju dovoljne količine korisnih jedinjenja za njihovu primenu. Tokom sinteze nekog jedinjenja koje ima važne osobine često se modifikuje i menja struktura prirodnog proizvoda, pa se nekada mogu dobiti sintetička jedinjenja sa boljim osobinama i većeg značaja od prirodnih jedinjenja.

Postoji više razloga za hemijsko proučavanje prirodnog sveta, ali je najvažniji što se doprinosi boljem i detaljnijem razumevanju pravila i ponašanja prirode. Poznavanje prirodnih zakonitosti, a naročito odnosa strukture nekih jedinjenja i njihovih osobina pomaže planiranju i konstrukciji novih molekula sa predvidljivim osobinama. Tako. na primer, obično se govori o savršenstvu i miroljubivosti prirode. Međutim, u prirodi postoji i žestoka borba za opstanak između pojedinih vrsta. Neki insekti napadaju i jedu biljke. Da bi se zaštitile, biljke razvijaju i proizvode hemijska jedinjenja koja odbijaju insekte. Kad je ustanovljeno koja su to hemijska jedinjenja ona su sintetički napravljena u laboratorijama i upotrebljena za zaštitu biljaka koje se koriste kao hrana.

Pri dizajniranju i sintezi nekih novih jedinjenja i materijala hemičari se uče od prirode i na osnovama iskustava dosadašnjih naučnih dostignuća. Tako, na primer, hemičari su ustanovili da je prirodni kaučuk polimerni izopren (poliizopren). Međutim, kada su od njega napravili gumu i počeli da je primenjuju proizveli su i sintetički poliizopren, ali su kasnije sintetizovali i razne druge molekule slične izoprenu. Pošto se kod prirodnog kaučuka, u poliizoprenu, na svakom četvrtom ugljeniku polimernog nezasićenog lanca nalazi metil-grupa, hemičari su umesto metil-grupe uvodili druge različite alkil-grupe i supstituente. Pri tome su ustanovili da se kada se metil-grupa zameni hlorom dobiva takođe polimerni materijal koji ima neke osobine čak i bolje od prirodnog kaučuka, pa se danas od običnog 3-hlorobutadiena dobiva polimer od kojeg se pravi sintetička guma.

Slično su pronađena i neka sintetička vlakna, na primer, najlon. Ideja o veštačkim vlaknima postojala je od vremena kada su dokazani hemijski sastav i struktura prirodne svile i paukove mreže. Pre ovoga svila kao prirodni malerijal zanimala je tekstilce i modne kreatore, ali ne i hemičare. Ali, kada su hemičari ustanovili da su svilene niti samo dugački proteinski lanci, sastavljeni od velikog broja različitih amino-kiselina međusobno povezanih amidnim vezama, nastojali su da sintetizuju slične poliamidne lance od dikarbonske kiseline (adipinske) i jednog diamina, koji međusobnim naizmeničnim vezivanjem grade dugačak polimemi lanac sličan proteinskom lancu prirodne svile. Tako je dobiven ne samo običan najlon nego i čitav niz različitih poliamidnih lanaca sličnih ili još boljih osobina u odnosu na prirodnu svilu. Od sintetičkih poliamida prave se veštačka vlakna i tkanine. Bez veštačkih vlakana naša odeća bila bi veoma oskudna, a pitanje je i da li bi bilo dovoljno prirodnih tekstilnih materijala da se zadovolje potrebe sve većeg broja ljudi na planeti. Hemičari su izvršili 1 razne modifikacije celuloznih vlakana i dobili su nova sintetička vlakna različitih osobina i za različite namene.

Prirodna i laboratorijska sinteza

Dok čitate ovu knjigu zastanite i razmislite koliko nas različitih materija okružuje, šta sve možete videti kroz prozor, na izletu, koliko različitih materijala svakodnevno korislimo, koliko različitih materijala koriste svi ljudi na svetu? Sve materije koje nas okružuju sadrže hemijska jedinjenja različitog elementamog sastava i imaju različit raspored elemenata.

Ogroman je broj različitih materija koje je priroda stvorila i u prirodne lepote ugrađena je kombinatorika različitih jedinjenja i raziičilih struktura. Pored toga, veliki je broj materija, odnosno materijala i jedinjenja koje je stvorio čovek kao plod hemije, plod znanja, nadahnuća i želje hemičara da obogate prirodu i svet novim jedinjenjima i materijama.

Živa priroda raspolaže neverovatnim mogućnostima kombinovanja pojedinih elemenata, jer od samo nekoliko elemenata stvara ogroman broj prirodnih jedinjenja. Osnovni elemenat u živoj prirodi je ugljenik, koji zajedno sa vodonikom, kiseonikom, azotom, sumporom i fosforom u svakom trenutku gradi ogroman broj prirodnih jedinjenja, i to u neverovatno velikim razmerama i složenim oblicima. U to bogatstvo živog sveta ugrađeno je uglavnom tih nekoliko elemenata i sve promene u svetu zasnovane su na večitom stvaranju i razlaganju tih prirodnih organskih jedinjenja. Pokretač tog večitog ciklusa promena je sunčeva energija.

Savršene su sposobnosti enzima, gena, imunih sistema, hormona i feromona da transformišu organske molekule i regulišu hemijski saobraćaj u živom organizmu. To savršenstvo zasnovano je na strukturnom prepoznavanju i kompleksiranju tkiva i molekula. Razumevanje interakcije receptora i supstrata i hemijske promene koje se tada vrše pomažu organskim hemičarima da, na osnovu strukturnog prepoznavanja i kompleksiranja molekula, mogu izvršiti sinteze jedinjenja koje primenom drugih metoda nije bilo moguće izvršiti.

Upoznavajući bogatstvo promena i struktura prirodnih jedinjenja hemičari su iskoristili hemijske osobine i ponašanje ovih nekoliko elemenata i obogatili svel i ponegde prevazišli prirodu, sintelizujući milione novih jedinjenja koje priroda nije stvorila. Od nekoliko elemenata koji ulaze u sastav žive prirode hemičari su sintetizovali oko 15 miliona organskih jedinjenja i prirodnih proizvoda.

Savremeni hemičari su očaravajuće spretni u stvaranju novih hemijskih jedinjenja i materijala. Pri dizajniranju i sintezi novih jedinjenja osnovno pravilo je da postoji jasan cilj. Mora bili jasna struktura i stereohemija molekula koji se želi sintetizovati, a kada su materijali u pitanju, moraju biti jasne osobine koje se žele postići. Na osnovama dosadašnjih saznanja o sličnim jedinjenjima i materijalima mogu sepredvideti i naslućivati osobine jedinjenja koje se sintetizuje. Međutim. još uvek se ne mogu sa potpunom sigurnošću predvideti sve osobine novih jedinjenja: biološke, hemijske i fizičke i ta neizvesnost u prognoziranju pokreće znatiželju hemičara da projektuju i sintetizuju nova jedinjenja i nove materijale.

Hemičari danas nastoje da pronađu puteve za sintezu važnih i retkih hemikalija i materijala. Dobar primer u tom smislu sagledava se u sledećem primeru: hemijska supstanca taksol, izolovana iz kore tisovog drveta, sada se upotrebljava kao efikasan lek u lečenju nekih oblika kancerogenih oboljenja. Do primene ove supstance kao leka došlo se pošto su je hemičari izolovali iz prirodnog materijala. kore tise. zatim odredili njen hemijski sastav i strukturu, pa je tek onda medicinskim ispitivanjem dokazano da se taksol može upotrebiti kao lek. Međutim, uloga hemičara nije time završena, jer, pošlo se u kori tise nalazi relativno mala količina materijala iz kojeg se može dobiti lek, a interesovanje za njega je sve veće, pred hemičare se postavlja novi zadatak da pronadu puteve i metode za sintezu ove supstance u laboratoriji. Laboratorijska sinteza taksola je već izvršena, ali još uvek nije pronađena ekonomična industrijska sinteza koja bi bila praktično primenjena. Sigurno je da će u kratkom vremenu i ovaj problem biti rešen i da će biti obezbeđene dovoljne količine ove lekovite supstance. Pored toga, može se očekivati da se hemijskim modifikacijama taksola dođe i do još efikasnijeg leka.

Hemičari čine stalne napore da naprave nova jedinjenja, hemijske supstance i nove materijale čija struktura se bitno razlikuje od materijala u prirodnom svetu. Radi proučavanja fundamenlalno novih osobinamaterijala, često se simetizuju jedinjenja koja imaju neobičnu strukturu i neobične osobine.

Da bi mogli da sintetizuju tako složene molekule, hemičari pronalaze i proučavaju nove hemijske reakcije, nove reagense, nove materijale, pronalaze i nove analitičke metode, metode za određivanje strukture, kao i metode za izolovanje i prečišćavanje hemijskih jedinjenja.

Hemičari u industriji nastoje da se hemijski procesi i reakcije učine što jednostavnijim u tehničkom, tehnološkom i eksperimentalnom smislu, naročito da koriste što jeftinije sirovine, da se utroši što manje energije i da se primenjenim metodama i postupcima ne zagađuje i ne menja prirodna životna sredina (voda, vazduh, zemljište). Oni nastoje da tehnologiju učine što ekonomičnijom.

Šta pokreće ovako obimna i intenzivna naučna istraživanja i traganja za novim jedinjenjima? Kao što sunčeva energija pokreće ciklus stalne sinteze novih jedinjenja u prirodnim uslovima, tako i znatiželja i radoznalost naučnika i ekonomski interes industrijalaca pokreću hemijski točak da se sve ubrzanije kreće.

Kako osvojiti hemiju?

Upoznavanje i razumevanje osobina prirodnih jedinjenja i njihovih promena i dobivanje novih sintetičkih jedinjenja koja imaju očekivane i željene osobine može se postići samo ako se dobro poznaju hemijska pravila i zakonitosti. Osnovno pravilo u hemiji je da se moraju poznavati sastav, struktura i osobine svake materije, a drugo pravilo je da se uvek prvo rešavaju prosti problemi, a zatim se traže odgovori na složenija pitanja. Jer, razumevanje osnovnih problema uvek podstiče na nova osvajanja, kao što uspon na mali brežuljak podstiče čoveka da se popne na veće brdo sa kojeg će imati šire vidike.

Za običnog čoveka hemija sa svojih oko 20 miliona različitih jedinjenja predstavlja pravu džunglu. Međutim, hemičari se u loj džungli sa svojim kompasima dobro snalaze i retko zalutaju, uvek pronalaze nova jedinjenja, pronalaze puteve za nove sinteze, nove reakcije i prirodnim materijalima dodaju savremene materijale, jedinjenja i tehnologije.

Svaki radoznalac, naročito mlađi, kada želi da se uputi u tu džunglu i taj „nepoznat svet materije“ mora biti naoružan bistrinom, upornošću, strpljenjem i radoznalošću da upozna taj svet. Prvo mora da pokuša da upozna materije koje su mu najbliže. koje ga okružuju, predmete koje dodiruje svakog časa, koje jede ili pije, da razume od čega su izgrađeni, od kojih elemenata su sastavljeni, da razume kako su ti elementi povezani, kako se povezivanje elemenata odražava na osobine. Trebada pokuša da pronađe odakle potiču te materije. dali su prirodne ili veštačke, kako nastaju u prirodi ili kako ih hemičari veštački dobivaju u laboratorijama ili hemijskim fabrikama, da razume čemu one služe itd. Za svaki materijal i svako jedinjenje mogu se naći odgovori na ova pitanja.

U traženju odgovora na mnoga pitanja radoznalac polazi od onoga što su naučnici do sada otkrili i upoznali i što je zapisano u brojnim knjigama, udžbenicima i časopisima. Materije koje su otkrivene u prirodi ili veštački dobivene opisane su u knjigama i na sva navedena pitanja mogu se naći odgovori. Upoznavanje s ovim odgovorima čini nas sigurnijim u hemijskoj džungli. a to znanje koje smo stekli i naša mašta ukazuju nam na nove puteve ka novim jedinjenjima, novim materijalima 1 novim reakcijama.

Ima li hemija granice?

Da li hemijska džungla ima kraja? Nema, zaista nema. Jer, kao što sada govorimo da je 20 miliona hemijskih jedinjenja ogroman broj, tako se pre samo 60 godina govorilo da je 300 000 jedinjenja ogroman broj. U narednih 30 godina taj broj od 20 miliona jedinjenja biće verovatno smešno mali. Ima li kraja? Nema, jer sa 92 u prirodi poznata elementa može se napraviti zaista neograničen broj kombinacija, odnosno jedinjenja. To se naročito odnosi na beskrajne mogućnosti kombinovanja elemenata koji ulaze u sastav organskih jedinjenja i prirodnih molekula u živim organizmima. Tako, na primer, broj mogućih izomernih, odnosno različitih ugljovodonika koji imaju zajedničku bruto formulu C10H22 iznosi 75, dok ugljovodonik CO21H42 može postojali u 366 319 različitih izomernih oblika, a od ugljovodonika bruto formule C30H62 mogu se definisati 4 111 846 763 različitih izomera. Može se samo zamisliti i izračunati koliko novih jedinjenja je moguće dobiti ako u ovakvim molekulima ugljovodonika zamenimo samo jedan vodonikov atom hidroksilnom ili nekom drugom grupom. Tada se broj izomernih alkohola ili drugih jedinjenja značajno povećava. Najveći broj ovakvih izomernih jedinjenja nije poznat i njihova otkrića i sinteze čekaju nove hemičare.

Uzbudljivo vreme u hemiji

Uzbudljivo, jer je u proteklih nekoliko decenija postignut izuzetno veliki napredak u svim oblastima hemije, hemijske industrije i primene hemijskih proizvoda u zadovoljavanju mnogih društvenih potreba. Ostvaren je veliki napredak u metodama i tehnikama koje se primenjuju za određivanje strukture jedinjenja, zatim u razumevanju hemijskih reakcija, u razumevanju biohemijskih i fizioloških procesa. Otkriven je veliki broj novih reakcija i sintetizovan je ogroman broj novih jedinjenja i novih materijala. Razvitak hemijske nauke i primena njenih dostignuća su dva uzajamno uslovljena procesa. Brz razvitak hemijskih tehnologija obezbedio je veliki broj hemijskih proizvoda i materijala koje koristimo u svim oblicima naše delatnosti.

Veliki napredak hemijske nauke i obimnost naučnih istraživanja najbolje se sagledavaju iz broja naučnih radova i dobivenih i opisanih novih jedinjenja. Celokupna svetska hemijska naučna produkcija, naučni radovi i ostale naučne publikacije prikazuju se u svetskoj publikaciji „Hemijski izvodi“ („Chemical abstracts“), u kojoj se mogu naći podaci i o broju poznatih ili novih hemijskih jedinjenja.

Broj hemijskih jedinjenja i broj naučnih publikacija kao pokazatelji razvitka hemije u proteklih nekoliko decenija

• Broj poznatih hemijskih jedinjenja 120.000 − Godina 1902. − Broj naučnih publikacija –
• Broj poznatih hemijskih jedinjenja 720.000 − Godina 1952. − Broj naučnih publikacija –
• Broj poznatih hemijskih jedinjenja 3.100.000 − Godina 1960. − Broj naučnih publikacija 106.000
• Broj poznatih hemijskih jedinjenja 4.600.000 − Godina 1970. − Broj naučnih publikacija 233.000
• Broj poznatih hemijskih jedinjenja 7.200.000 − Godina 1980. − Broj naučnih publikacija 475.000
• Broj poznatih hemijskih jedinjenja 12.000.000 − Godina 1990. − Broj naučnih publikacija 489.000
• Broj poznatih hemijskih jedinjenja 15.000.000 − Godina 1995. − Broj naučnih publikacija 676.000
• Broj poznatih hemijskih jedinjenja 17.000.000 − Godina 1997. − Broj naučnih publikacija –
• Broj poznatih hemijskih jedinjenja 21.000.000 − Godina 2000. − Broj naučnih publikacija –

Broj naučnih publikacija, odnosno „hemijskih izvoda“ udvostručuje se za oko deset godina, a isto tako udvostručuje se broj naučnih otkrića pa i količina znanja iz hemije. Slično se događa i sa dobivanjem i otkrivanjem novih jedinjenja. Procenjuje se da se u ovo vreme (1999) godišnje otkrije, a to znači izoluje iz prirodnih izvora ili se sintetizuje u laboratorijama širom sveta, oko jedan milion novih jedinjenja. Tako se svakog radnog dana sintetizuje oko 4 000 novih jedinjenja ili za vreme jednog školskog časa oko 166 novih jedinjenja.

Savremena stremljenja

Vreme uzbudljivo za hemijsku nauku ne sagledava se samo kroz navedene statističke podatke. već i kroz naučna dostignuća i naučna ostvarenja u ovoj nauci, kao i u obilju novih materijala, preparata i jedinjenja koje je hemija ponudila civilizovanom svetu. Proteklih nekoliko godina u spektakulama naučna otkrića mogu se ubrojiti sinteza i hemija fulerena, sinteza palitoksina, konstrukcija molekulskih mašina, otkrivanje taksola i njegova primena, dobivanje novih hemijskih elemenata, zatim veliki napredak u supramolekulskoj (nadmolekulskoj) hemiji i razumevanju interakcije različitih molekula sa hemijski definisanim delovima tkiva i još mnogo drugih naučnih otkrića koja su obeležila devedesete godine ovoga veka.

Primer palitoksina jasno ukazuje na mogućnosti i domete savremene hemije u razumevanju i objašnjavanju nekih prirodnih procesa, strukture veoma složenih molekula i njihove sinteze. Hemičari su uspeli da izoluju palitoksin iz veoma osetljivih prirodnih materijala i da precizno odrede njegovu kompletnu strukturu. Palitoksin je izuzetno jako otrovno prirodno jedinjenje, rastvomo u vodi, koje proizvode neke morske životinje kao što su meduze i drugi mekušci i koriste ga u odbrambene svrhe. Već sama bruto formula palitoksina, C12OH2 N12054, impresivna je, a pored toga, on sadrži i 63 asimetrična ugljenikova atoma, što ukazuje na to da sa tom bruto formulom može postojati 9 x 10 IS mogućih različitih stereoizomera. Od tog ogromnogbroja izomera, hemičari su utvrdili koji je to jedini efektivni prirodni izomer. Pored toga, uspeli su da sintelizuju pravi izomer, identičan prirodnom proizvodu i isto tako otrovan kao i palitoksin koji luči meduza. Poznavanje strukture ovog molekula − otrova pomoglo je da se više sazna i bolje razume kako otrov koji luče meduze utiče na promene u mišićnom i nervnom tkivu i kako se tkivo menja kada neprijatelji meduza dođu u kontakt s ovim otrovom.

Ovaj primer samo ukazuje na to kako se sistematično proučavaju hemijska jedinjenja, a naročito prirodni proizvodi. Pored određivanja strukture, detaljno se ispituju sve hemijske, fizičke i biološke osobine novih jedinjenja da bi se otkrile neke korisne i primenljive osobine. Naročito su interesantne i značajne biološke i farmakološke osobine prirodnih i novosintetizovanih jedinjenja i njihova reakcija sa hemijski poznatim delovima živog tkiva.

Jedna od najvažnijih preokupacija ljudskog roda, a prvenstveno naučnika, jeste upoznavanje i razumevanje prirode života. Odgovor na ova pitanja očekuje se od biologije i od hemije. Biologija izučava pojave i fenomene živih materija a hemija obezbeđuje osnove za razumevanje životnih procesa i materija koje u njemu učestvuju. Svaki takav proces obuhvata rast, reprodukciju, promene i smrt. što sve jesu samo složene hemijske reakcije.

Čime se bave hemičari?

Hemičari proučavaju strukturu, osobine i promene supstanci i sastav materija. Neki hemičari ispituju prirodna jedinjenja, živa i neživa, organska i mineralna, ispituju njihovo poreklo i nastajanje, njihovu funkciju u živim organizmima i promene u biološkim procesima. Oni se bave izolovanjem čistih prirodnih jedinjenja. određivanjem njihovog sastava i strukture, ispitivanjem hemijske reaktivnosti, fizičkih i bioloških osobina.

Drugi hemičari stvaraju, sintetizuju, nove supstance koje u prirodi nisu nađene, sintetizuju i prirodna jedinjenja u laboratorijskim i industrijskim razmerama. Oni otkrivaju nove hemijske reakcije, menjaju i modifikuju prirodne proizvode. Od oko 17 miliona poznatih hemijskih jedinjenja, procenjuje se da je samo oko 30% poznato u prirodi i dobiveno iz prirodnih izvora, a da je oko 70% sintetizovano u laboratorijama.

Sigurno je da u prirodi, naročito u biljkama i životinjama, na kopnu i u morima, postoji još ogroman broj nepoznatih i neotkrivenih jedinjenja koja čekaju buduće generacije hemičara da budu otkrivena i proučena. Smatra se da priroda, organskog ili mineralnog sastava, još uvek skriva velike tajne. Veruje se da se u prirodi i prirodnim uslovima mogu naći odgovori na sve probleme koji opterećuju savremeni svet. Za to su potrebna nova saznanja, novi instrumenti, nove tehnike i novi hemičari.

Gde rade hemičari?

Hemičari rade u hemijskim laboratorijama, industrijskim i naučno-istraživačkim. Profesori i nastavnici hemije rade u školama. Hemičari i hemijski tehnolozi rade i u hemijskim proizvodnim pogonima.

Svaka fabrika u kojoj se nešto proizvodi i prerađuje mora poznavati kvalitet i sastav sirovina koje koristi u proizvodnji i kvalitet proizvoda koje izrađuje, a koji su namenjeni širokoj primeni. Nezavisno od toga da li je u pitanju fabrika deterdženata, lekova, hartije, mirisa, tekstila, nameštaja, keramičkih ili staklenih proizvoda, ili je to topionica bakra, gvožđa ili cinka, da li je to mlekara, pekara, šećerana ili pivara, svi proizvodi moraju biti standardnog kvaliteta, odnosno moraju biti tačno određenog hemijskog sastava, a taj sastav i kvalitet proveravaju hemičari u za te svrhe opremljenim laboratorijama.

Hemičari rade i u laboratorijama bolnica, klinika, banja i u njima analiziraju razne delove tkiva i sekreta raznih žlezda, utvrđuju njihov molekularni sastav i kvantitativno prisustvo. Analize ukazuju i na stepen deformisanosti sastava i količine određenih jedinjenja u tkivu i na taj način pomažu lekarima u postavljanju dijagnoza bolesti.

Razni materijali se hemijski ispituju i u institutima i zavodima (higijenskim, hidrometeorološkim. za mere i dragocenosti, za zaštitu zdravlja. za kontrolu životne sredine i sličnim). Bez hemičara nisu moguća ni ispitivanja u farmaciji, medicini i biologiji, niti u geološkim i mineraloškim laboratorijama, jer sastav, strukturu i osobine supstanci i jedinjenja samo hemičari mogu meritorno utvrđivati.

Najinteresantnija su hemijska ispitivanja nekog suštinski novog problema. Ova vrsta istraživanja izvodi se u laboratorijama naučnih hemijskih instituta i fakulteta, kao i u vojnim institucijama. U ovakvim laboratorijama zastupljene su dve osnovne hemijske metode: analiza i sinteza. Više oblasti hemije bavi se analizom: kvalitativnom, kvantitativnom, strukturnom, odnosno bavi se proučavanjem sastava i strukture, pa i osobina hemijskih jedinjenja i proizvoda, nezavisno od toga da li su organskog ili mineralnog, prirodnog ili sintetičkog porekla.

Hemičari i hemijski inženjeri neophodni su i u direktnoj proizvodnji hemijskih proizvoda, kao, na primer. eksploziva, lekova, sapuna. veštačkih vlakana, mirisa, boja, sredstava za zaštitu bilja i raznih drugih hemijskih preparata i proizvoda.

Tako. na primer, u industrijskoj proizvodnji margarina iz običnih biljnih jestivih ulja, vrši se obična hidrogenizacija nezasićenih triglicerida sa vodonikom. Hemičari moraju poznavati koji su trigliceridi zastupljeni u uljima, koliko imaju olefinskih ili drugih nezasićenih veza i na osnovu toga postaviti i projektovati proces hidrogenizacije. Pored toga, oni moraju dokazati i proveriti strukturu i kvalitet proizvoda koji nastaju. odnosno koji su zasićeni trigliceridi nastali ovim procesom. Da bi se dobio kvalitetan margarin. najpogodniji za upotrebu kao prehrambeni proizvod, često se moraju dodavati razni proizvodi ili kombinovati različita ulja. Hemičari sve te procese prate, analiziraju i ukazuju na propuste i nedostatke u procesu ili konačnom proizvodu.

Hemija i zdravlje

Od davnina je poznato da su ljudi za lečenje raznih oboljenja koristili razne biljne i životinjske proizvode koji poseduju lekovite osobine. Takvim prirodnim proizvodima i biljkama pripisivan je natprirodan karakter. Lekovite biljke sadrže, najčešće u malim količinama, hemijska jedinjenja koja imaju lekovite osobine. Sa razvitkom hemije i metoda za izolovanje i prečišćavanje supstanci i za određivanje njihove strukture, iz lekovitih biljaka izolovani su brojni lekoviti „principi“, odnosno lekovita hemijska jedinjenja, određeni su im hemijski sastav i struktura. a najčešće su i laboratorijski sintetizovana takva lekovita jedinjenja.

Tako, na primer, stari narodi koristili su koru vrbovog drveta kao lek protiv bolova i povišene temperature. Tek kasnije (XIX vek) iz kore vrbovog drveta izolovana je salicilna kiselina, čiji derivati su nosioci lekovitih svojstava vrbove kore. Zatim je nađeno da je acetilovana salicilna kiselina, „aspirin“, po strukturi i lekovitim osobinama najbliža prirodnim derivatima, pa je izvršena’ laboratorijska a kasnije i industrijska sinteza aspirina i od tada (kraj XIX veka) počela je velika primena ovog sintetičkog leka.

Slično analizi kore vrbovog drveta, vršena su ispitivanja, a i danas se vrše, raznih biljnih i životinjskih tkiva, a naročito onih koja pokazuju određene biološke aktivnosti, pa su tako iz prirodnih materijala izolovane razne lekovite supstance, droge i mirisi. U razvoju lekovitih supstanci mora se preći dug put od biljke do apoteke. Na tome putu hemija ima presudnu ulogu, jer je veliki broj lekova koje danas koristimo prvo otkriven u nekom prirodnom materijalu, zatim hemijski definisan i farmakološki proučen, pa tek onda stavljen ljudima na raspolaganje i korišćenje.

Prosečan ljudski vek muškarca oko 1900. godine bio je 47 godina, dok muškarci u naše vreme žive prosečno 75 godina. Produženju ljudskog života i poboljšanju ljudskog zdravlja znatno doprinosi hemija. Produženju ljudskog veka najviše su doprineli pronalazak i proizvodnja antibakterijskih hemikalija. jer pre 1920. godine bakterijske infekcije su odnosile veliki broj ljudskih žrtava. U to vreme hemičari su sintelizovali razne nove boje za tkanine, uključujući i one koje sadrže sulfonamidnu grupu. G. Domak (Nobelova nagrada, Nemačka) pronašao je da jedno jedinjenje crvene boje (kasnije lek pronlazili) ubija bakterije i da je efikasno u lečenju baklerijskih infekcija. Tako se došlo do saznanja da postoje hemikalije koje ubijaju bakterije a ne oštećuju ljudski organizam. pa je značajna klasa sulfonamidnih lekova uvedena u široku primenu. Sistemaličnim ispitivanjem sulfonamidnih lekova (sintetizovano je preko 15 000 raznih sulfonamida) ustanovljen je i mehanizam selektivnog delovanja ove klase lekova na bakterije. a ne i na delove zdravog tkiva.

Otkriće antibiotika, lekova za lečenje bolesti izazvanih mikroorganizmima. svakako je najviše doprinelo poboljšanju ljudskog zdravlja. Još 1929. godine A. Fleming (Nobelova nagrada, Škotska), zapazio je da se bakterije, slafilokoke. ne razmnožavaju u prisustvu plesni Penicillijum notatum, ali nije mogao da utvrdi koje hemijsko jedinjenje je nosilac tih aktivnosti. Desetak godina kasnije H. Florey i E. Chain (Nobelova nagrada, Engleska) izolovali su iz te plesni penicilin i odredili mu hemijski sastav i strukturu. Od tada je penicilin u stalnoj primeni kao jedan od najviše korišćenih lekova i sigurno je da su milioni obolelih ljudi izlečeni pomoću ovog leka. Pored osnovnog molekula penicilina, poznata je čilava klasa β-laktamskih anlibiotika, penicilina i cefalosporina, koji imaju sličnu hemijsku strukturu. Pored β-laktamskih antibiotika, poznato je još nekoliko klasa antibiolika, kao što su aminoglikozidi, tetraciklini. makrociklični laktoni, polipeptidi i još neka jedinjenja različite strukture.

Pored antibiotika i antibaktericidnih preparala, poznate su i razne druge hemikalije koje se koriste kao lekovi, kao, na primer, antivirusni i antifungalni lekovi, preparati za uništavanje raznih parazita, zatim lekovi protiv srčanog napada, moždanog udara i za relaksaciju glatkih mišićnih tkiva. Postoje razni lekovi za umanjenje bolova, antidepresivi. lekovi za smanjenje holesterola u krvi, zatim sedativi. Vitamini i hormoni su takođe precizno definisana hemijska jedinjenja, koja su prvo izolovana iz prirodnih materijala, a zatim su izvršene njihove sinteze. Poznata su i razna hemijska jedinjenja koja se koriste kao anestetici pri raznim hirurškim intervencijama. Suzbijanje nekih opasnih bolesti. kao što su razna kancerogena oboljenja i bolesti izazvane virusom koji umanjuje imunitet kod čoveka (AIDS), još uvek nije potpuno efikasno i očekuju se efikasniji lekovi i poboljšanje postojećih preparata za lečenje ovih bolesti.

Hemija takođe ima značajnu ulogu u dijagnozi bolesti. Analize krvi, urina i raznih sekreta deo su mnogih medicinskih testova. Otkrili su ih i usavršili klinički hemičari, a zasnovane su na hemijskim metodama. Tehnika nuklearne magnetne rezonancije, koja se dugo koristi u hemijskim laboratorijama za rešavanje strukture organskih jedinjenja, sada se koristi kao snažna tehnika u dijagnozi raznih bolesti.

Osim obezbeđivanja lekovitih hemikalija, razvijanja analitičkih i dijagnostičkih metoda i instrumentalnih lehnika. hemija obezbeđuje i razne materijale koji se koriste u medicini kao implantati, na primer: zamene za kosti, zube. materijale koji privremeno mogu zameniti kožu, veštačke arterije. vene, zamenu za krv, kontaktna sočiva, tetive i slične materijale.

Čine se veliki napori i obimna istraživanja da se hemijski razumeju životne funkcije. Posebno su uzbudljiva istraživanja koja treba da daju odgovore na pitanja kako radi naš mozak ili, kako hemičari kažu, hemija pamćenja.

Hemija i hrana

Prisustvo sintetičkih hemikalija u hrani sigurno nikoga ne oduševljava. Međutim, hemikalije u hrani praktično se ne mogu izbeći, jer sve susptance, pa i hranljive, izgrađene su od nekih hemikalija. Na primer, hemikalija je glicerin-trislearat, ali to je samo hemijsko ime za glavni sastojak obične masti, dok je glukozil-fruktoza samo hemijski naziv za običan šećer. Prema tome, neophodno je prisutvo hemijskih supstanci u hrani i pri proizvodnji hrane, ali one moraju biti korektno i kontrolisano primenjivane, u skladu sa nutricionisličkim (nauka o hrani) i zdravstvenim normama.

Da bi se zadovoljile sve veće potrebe u hrani za sve brojnije stanovništvo na Zentljinoj kugli, polrebne su savremene mere za proizvodnju hrane, a one iziskuju primenu i veštačkih đubriva, koja kullivisanim biljkama obezbeđuju dovoljne količine azota, fosfora, kalijuma i drugih elemenata neophodnih za intenzivan rast biljaka. Za uništavanje korova koriste se herbicidi, a to su hemijska jedinjenja koja selektivno napadaju i uništavaju samo korovske biljke. Od insekata biljke se zaštićuju insekticidima, a danas su to hemikalije koje selektivno uništavaju samo insekte i hladnokrvne životinje. Da bi se ubrzao rast biljaka. dodaju se razni biljni hormoni. U proizvodnji životinjskih namirnica koriste se razni veterinarski preparati za zaštitu životinja i za njihov ubrzani rast.

Zaštita čuvanje i konzerviranje hrane nisu mogući bez hemijske obrade i čistog i sanitarnog pakovanja, jer hrana koju čuvamo u frižideru uvijena je u omote od plastike. Za čuvanje nekih vrsta namirnica koriste se i razni konzervansi.

Primena svih ovih hemijskih proizvoda u proizvodnji hrane sistematski se kontroliše. Međutim. sigurno je dati tragovi ovih jedinjenja ili njihovi degradacioni proizvodi mogu biti prisutni u hrani.

Mnoge hranljive proizvode ne koristimo u prirodnom obliku, već je potrebna hemijska, industrijska prerada prirodnih sirovina. Tako, na primer, šećer, ulje. margarin. alkoholna pića i drugo dobivaju se industrijskom preradom, a kao sirovine se koriste prirodni biljni materijali.

Danas se sva hrana na tržištu mora strogo konlrolisati i analizirati. Mleko mora biti podvrgnuto hemijskoj i bakteriološkoj analizi. U razvijenim zemljama na omotima prehrambenih proizvoda često se nalaze navedeni podaci o hemijskom sastavu i sadržaju vitamina i o kaloričnoj vrednosti upakovane hrane.

Voda koju koristimo u različite svrhe hemijski se prečišćava i dezinfikuje (pomoću hlora ili ozona), jer nečista voda može sadržavati razne mehaničke primese i mikroorganizme koji izazivaju razne bolesti.

Ono što je bitno. hemikalije koje koristimo. prirodne ili veštačke, moraju izvršavati funkciju koja im je namenjena: zaštitnu. energetsku. povećanje prinosa ili neku drugu ulogu.

Hemija i umetnost

Čovek ne živi samo od hrane. Pored zadovoljavanja potreba u ishrani i slanovanju, kvalitet našeg života obogaćen je raznim drugim materijalnim i duhovnim vrednostima koje se zasnivaju na hemiji.

Knjige, uključujući i ovu koju čitate, štampaju se pomoću boja koje su otkrili i proizveli hemičari, štampaju se na hartiji koja je proizvedena hemijskim procesima. U drvetu. pored celuloze od koje se pravi hartija. nalaze se još i druge materije, na primer, lignin, koji se odvaja hemijskim metodama koje rastvaraju lignin.

Muzički instrumenti prave se od modernih hemijskih materijala. Gramofonske ploče, audio i video trake, kompakt-diskovi izrađeni su od savremenih plastičnih materijala. Televizijski ekran svetli u raznim bojama zbog toga što su na njegovu površinu nanete specijalne hemikalije koje zasvetle u raznim bojama kada na njih padne snop elektrona.

Fotografski film, je napravljen od plastike presvučene hemikalijama osetljivim na svetlost, koje podležu naročitim reakcijama kada se kasnije obrađuju hemikalijama za razvijanje. Kolor-fotografija je, u suštini, fina hemija. Filmska umetnost i filmska industrija zasnovane su na hemijskim materijalima, jer, praktično, bez celuloidne trake. ne bi ni bilo filmske umetnosti, a celuloid su još davno proizveli hemičari od nitroceluloze i kamfora.

Pored toga. slikarska umetnost je nezamisliva bez bogatstva različitih nijansi i tonova boja koje se proizvode hemijski.

Predmeti koji se svakodnevno koriste u rekreativnim i zabavmm aklivnostima, kao što su lopte, patike, skije, roleri, čamci, pribor za pecanje, teniske lopte, reketi i još mnogi slični predmeti izrađeni su od mraterijala kao što su modeme plastike, keramika, legure i drugi materijali, a svi su obojeni različitim hemijskim bojama.

Pogled unapred

Pored izuzetnih doslignuća hemijske nauke u veku koji je na izmaku. još uvek postoji mnogo važnih pitanja i problema koji čekaju da budu rešeni. posloje mnogi praktični zahtevi i ciljevi koji će hemiji omogućiti širu primenu i još veći doprinos ljudskom blagostanju.

Onaj ko se opredeli da se bavi hemijom kao profesijom može bili u prilici da otkrije ili kreira neki novi vek, da doprinese boljem razumevanju nekog životnog procesa, da pronađe novi herbicid, novi materijal sa važnim osobinama, nova veštačka vlakna, da doprinese poboljšavanju životne sredine, većoj primeni kompjutera u hemiji i hemije u stvaranju efikasnijih kompajlera, da doprinese otkrivanju neotkrivenih hemijskih zakonitosti i teorija.

To su veliki izazovi za buduće hemičare i nadamo se da će dosadašnja dostignuća hemije bili inspiracija za prihvatanje takvih izazova i davanje ličnog doprinosa osnovnoj prirodnoj nauci o materiji.

Hemijska evolucija i poreklo života na zemlji

Vesna Niketić i Ivan Gutman

Verovatno se svako od nas makar jednom zapitao kako je nastao živi svet koji nas okružuje, kako je nastao život? O tome su razmišljali mnogi veliki umovi koje je čovečanstvo imalo. O tome govore sve religije. Veoma rasprostranjeno shvatanje o poreklu života i čoveka je ono koje je opisano u prvoj knjizi Starog zaveta. O tome u ovom članku nećemo govoriti. Od mnogih drugih, navešćemo samo jedan (lep) primer. Na Tibetu je vladalo mišljenje da je u početku svemir bio praznina. Iz praznine je postalo biće. Iz bića su zasvetlele boje koje su se razlile u prostoru. Zatim su redom nastali vetar, vatra, voda, more i kornjača. Kornjača je izlegla šest jaja u šest različitih boja i iz njih je nastalo šest različitih vrsta zmija, od kojih je postalo šest vrsta živih bića. Nije postojala civilizacija koja nije posedovala neku vrstu odgovoranaovakvapitanja. Zajedničko za mitove i religijeje da navode određeni sled događaja koji je doveo do nastanka sveta, života i čoveka, ali ne navode na osnovu čega se zna da su se događaji baš tako odigrali. Događaji su poznati u celini, ništa nije ostalo nedorečeno (osim detalja koji se mogu smatrati nebitnim). Ne postoji mogućnost da je neki deo priče netačan i da bi se iz razloga koji bi se mogli pojaviti u budućnosti neki njeni delovi mogli menjati. Ne postoji mogućnosl da se priča, ili makar neki njeni delovi provere na neki objektivan način.

Ni prirodne nauke ne mogu da zaobiđu pitanje porekla života. Međutim, pristup koji imaju prirodne nauke bitno je drugačiji. Na osnovu obilja argumenata govorimo o određenom sledu događaja koji je doveo do nastanka života na Zemlji. Međutim, događaji su poznati samo do neke, često veoma ograničene, mere. Mnogi detalji nisu poznati i čekaju da budu osvetljeni ili objašnjeni budućim istraživanjima. Gotovo je izvesno da su neki delovi priče netačni i da će se u budućnosti morati revidirati. Cela priča, ili barem njeni najbitniji delovi proveravaju se na objektivan i nepristrasan način. Zato odmah recimo da prirodne nauke ne mogu danas da objasne kako je nastao život. Ali, nešto, ipak, imaju da kažu.

Šta se (u savremenoj nauci) podrazumeva pod problemom porekla života?

Biolozi su dugo opisivali živi svet, ili, preciznije, biljne i životinjske vrste koje ga čine. Čarls Darvin je postavljanjem originalne teorije prirodne selekcije objasnio prirodne uzroke promena živog sveta. Živi svet se razvijao od prostih ka složenijim organizmima, od jednoćelijskih do višećelijskih organizama, od beskičmenjaka do kičmenjaka. Preko sisara i primata put vodi do jednog dvonožnog, dvorukog bića bez dlake. koje ume da govori i koje za sebe uobražava da je mudro i razumno. Taj put je predmet biološke evolucije i neće biti dalje obrađivan u ovom članku. Koji su procesi vodili nastanku prve ćelije?

Ćelije iz kojih se sastoje sva živa bića poseduju niz zajedničkih osobina. Ćelija je od okoline odvojena lipidnom (polupropustljivom) membranom. a u njenoj unutrašnjosti, koja je najvećim delom ispunjena vodom, dešava se niz hemijskih reakcija koje jednim imenom nazivamo metabolizam. Glavni sastojci ćelije (posie vode) su: proteini, zatim nukleinske kiseline, šećeri i već pomenuti lipidi. Proteini imaju u živim sistemima dve esencijalne i različite uloge: oni predstavljaju strukturni materijal i obavljaju razne funkcije. T ako, enzimi ubrzavaju (katalizuju) sve reakcije u ćeliji. Bez katalize život ne bi bio moguć.

Proteini su polimeri sastavljeni iz više desetina. pa i stotina amino-kiselina koje su povezane amidnom (peptidnom) vezom. U svim proteinima iz svih živih bića nalazi se istih 20 (proteinskih) amino-kiselina. Amino-kiseline su u prirodnim proteinima povezane (za svaki protein) karakterističnim redosledom, koji nazivamo amino-kiselinska sekvenca. Takav niz se spontano (sam od sebe) uvija i daje jedinstvenu trodimenzionalnu biološki aktivnu strukturu (slika la). Proteini različitih amino-kiselinskih sekvenci imaće različite strukture i vršiće zbog toga različite funkcije. Polipeptidi u kojima su amino-kiseline povezane bez nekog reda (na primer, oni koji bi nastali ako bismo pomešali reaktivne derivate svih amino-kiselina) nemaju osobinu da se uviju na određeni način. Znači, amino-kiseline u proteinu treba da budu povezane određenim redom da bi se proteinski niz uvio u biološki aktivnu strukturu. Gde se nalazi informacija za amino-kiselinsku sekvencu?

Informacija za sekvencu amino-kiselina u proteinu zabeležena je u sekvenci baza (određenog) dela molekula dezoksiribonukleinske kiseline (DNK) i prenosi se (uz pomoć molekula ribonukleinske kiseline − RNK) na prolein u procesu biosinleze (slika 2). Molekul DNK se sastoji iz dvostruke zavojnice, koja se sasloji iz dva komplementama niza povezanih nukleotida (slika lb). Sekvenca nukleotida u sekvencu proleina (slika lc) prevodi se (translacija) pomoću genetskog koda (šifre). Genetski kod je univerzalan. Nema ni najmanje sumnje da su na Zernlji ikada postojali organizmi sa drugačijim amino-kiselinama i drugačijim kodom. Pri deobi ćelije dolazi do replikovanja (kopiranja − udvajanja) molekula DNK (slika 1. 2). Na taj način ćelija nove generacije prima pun skup informacija koje obezbeđuju njenu aktivnost i razvoj. c) sekvenca DNK GGG TTC TTG GGA GCA GCA AGG AAG CAC TAT GGG GCA sekvenca amino-kiselina Gly Phe Leu Gly Ala Ala Gly Ser Thr Met Gly Ala

Slika 1. − a) Polipeptidni niz određene amino-kiselinske sekvence koji se spontano uvija u nativnu, biološki aktivnu strukturu; b) šematski prikaz strukture i replikacije DNK; c) sekvenca baza u DNK i odgovarajuća sekvenca amino-kiselina u polipeptidnom nizu (za amino-kiseline koriste se skraćenice od tn prva slova iz njihovih naziva na engleskom jeziku, a za baze se koriste skraćenice od jednog slova)

Izostavljeno iz prikaza

Posmatrajući sliku 2 dolazimo do interesantnog zaključka: informacija se prenosi sa DNK na protein; bez informacije nije ntoguća sinteza proteina određene sekvence (a time i strukture i funkcije!), ali bez proteina (enzimi 1 drugi proteini) prenos informacije ne može da se ostvari.

U procesu replikacije može da dođe do greške (mutacije). Posledice takvih grešaka su dvojake. Prvo, greške će se kopirati u svim budućim generacijama ćelije. Drugo, mutacija u DNK će dovesti do izmene u amino-kiselinskoj sekvenci datog proteina. Ako ta izmena dovodi do velikih promena u strukturi proteina, može da dođe i do smrti ćelije. U retkim slučajevima mutacija može da proizvede „bolji“ protein. U tom slučaju će organizmi koji nose tu mutaciju imati prednost. pa će se izmena mehanizmom prirodne selekcije preneti na celu populaciju.

Slika 2.-Biosintetički ciklus samoreprodukcije ćelije [M. Eigen: Natturwisenschaften, 58,465(1971)]

Izostavljeno iz prikaza

DNK, stabilan izvor informacije, kopira se uz pomoć enzima DNK-polimeraze (replikacija).

Informacija za sintezu proteina prepisuje se (transkribuje se) sa DNK na jednolančani molekul i-RNK pomoću specifičnog enzima RNK-polimeraze.

Svaka amino-kiselina vezuje se za određenu t-RNK pri čemu je reakcija katalizovana aminoacil-sintetazom. t-RNK ima strukturu lista deteline. Na jednom „listu“ nalazi se određeni triplet baza (antikodon) pomoću kojeg se aminoacil-t-RNK vezuje vodoničnim vezama za komplementami triplet baza u i-RNK (kodon), a ovaj proces se naziva prevođenje (translacija). Pošto je i-RNK direktno uključena u sintezu proteina, sekvenca baza u i-RNK uzima se za kodom, a ne komplementama sekvenca u DNK.

Kod je univerzalan: u svim organizmima određeni tripleti baza karakterišu, tj. obezbeđuju, iste amino-kiseline.

Proteini se sintetišu na ribozomima koji se sastoje iz ribozomalne RNK i proteina, a transkripcija je regulisana komplikovanim mehanizmom koji uključuje represome proteine.

Osobine koje smo opisali: replikacija, kataliza i mutabilnost (sposobnost mutacije), smatraju se osnovnim karakteristikama živih sistema po kojima se oni razlikuju od drugih (hemijskih) sistema. Centralni problem u izučavanju porekla života je kako su hemijski sistemi set osobinama replikacije, katalize i mutacije, bazirani na jedinstvenom odnosu proteina i nukleinskih kiselina, nastali na Zemlji.

Da li je život mogao slučajno da nastane?

Naučnici su razmatrali mogućnost da je prvi živi sistem nastao slučajno, odnosno slučajnom asocijacijom prvobitnih „proteina i nukleinskih kiselina“ koji su prethodno nastali procesima hemijske (abiotičke) sinteze. Dalji razvoj života (mehanizmima biološke evolucije) je, ipak, bio nužan. Zbog male verovatnoće takvog dogadaja, pojava života je jedinstvena, nepredvidljiva i verovatno neponovljiva. Da je tako, problem nastanka života bi bio u suštini rešen, jer se slučajnost ne može svesti ni na šta drugo nego na slučajnost. Međutim, čak i matematička izračunavanja pokazuju da je verovatnoća nastajanja takvog događaja toliko mala da se on slučajno ne može desiti.

Preostaje druga mogućnost, a to je da je biološka evolucija koja je dovela do ćelijske organizacije i genetskog koda nastavak HEMIJSKE EVOLUCIJE (evolucije molekula) koja je nastala kao nužna posledica određenih osobina materije i određenih spoljašnjih uslova koji su vladali i vladaju na Zemlji. Pošto je ceo univerzum sastavljen iz istih elemenata, ako se slični uslovi steknu nabilo kojoj planeti, život će na osnovu istih principa nužno nastati, ali će se pojavno razlikovati, jer njegova pojavnost zavisi od slučajnih događaja koji su, stoga, nepredvidljivi.

Da li se ova evolucija može rekonstruisati? Prvi odgovor je ne. Ove događaje nećemo nikada moći da opišemo detaljno, kao, na primer, evoluciju kičmenjaka, jer su se probiotički fosili raspali, ili su ih uništili kasniji organizmi, a tragovi sačuvani u sadašnjim organizmima (genetski kod, metabolički putevi, na primer) suviše su fragmentarni. Međutim, postojanje fragmentarnih informacijanije nikada u nauci bila prepreka za otkrivanje prirodnih zakonitosti i zato tragamo za osobinama sistema koji su podložni samoreplikaciji, selekciji i evoluciji.

Kako (mislimo da) su tekli procesi prebiološke evolucije?

Mnogo godina su se naučnici „prepirali“ koje su strukture važnije za poreklo života proteini ili nukleinske kiseline: kataliza ili informacija. Uzimajući u obzir da nukleinske kiseline, a ne proteini, imaju dve esencijalne karakteristike života − replikaciju i mutaciju, neki naučnici su odavno smatrali da je nastajanje prvobitnih nukleinskih kiselina označilo početak života. Rezultati najnovijih istraživanja su im dali za pravo. Život je, izgleda, započeo sa RNK, a najbolji kandidat je t-RNK (slika 2).

Odavno je poznato da pojedine RNK mogu da čuvaju informaciju za amino-kiselinsku sekvencu proteina (npr., kod nekih virusa). a nedavno je, na najveće iznenađenje naučnika, otkriveno da molekuli RNK mogu da poseduju i katalizatorska svojstva. To bi ukazivalo na to da su prvi biološki polimeri tipa RNK mogli da obavljaju obe funkcije: informacije i katalize, a da je do prelaska na proteine i DNK došlo u kasnijoj fazi, jer su ovi molekuli pogodniji za katalizu, odnosno čuvanje informacije. Postoji više razloga zbog kojih se smatra da su l-RNK najpodesniji kandidati za ovu funkciju. t-RNK su najstarije nukleinske kiseline, a njihova funkcija (transport amino-kiselina i interakcije sa i-RNK) ukazuje na njihovu vezu i sa proteinima i sa nukleinskim kiselinama. Za razliku od molekula DNK, koji su svi praktično iste strukture, svaki molekul RNK ima drugačiju strukturu, koja podseća na strukturu proteina (slika 1, 2).

Zbog komplementamih interakcija među bazama, svaki polinukleolidni niz ima sposobnost samoinstrukcije, tj. služi kao matrica (templat) zakomplementarni niz (slika lb). Ukoliko postoji veći broj nizova raznih sekvenci i dovoljna količina nukleotida (i kondenzujućih agenasa potrebnih za njihovo povezivanje), doći će do selekcije određenih sekvenci (npr., onih koje su najstabilnije pri hidrolizi). Medutim, bez kalalizatora. sigurnost replikacije ove sekvence neće biti velika. Katalizator ne samo da ubrzava replikaciju već i povećavanjem brzine povezivanja nukleotida povećava tačnost kopiranja. Sislemi koji se najbrže replikuju (reprodukuju), to jest koji imaju najbolje katalizatore, koji su opet uslovljeni najboljim, odnosno najtačnijim sekvencama, prerašće ostale prisutne sisteme. Takvi sistemi koriste male selektivne prednosli koje nastaju usled slučajnih mutacija u polinukleotidu. Izračunavanja pokazuju da će njihov porast biti eksplozivan.

Ponovo dolazimo do interesantnog zaključka: ovo što smo upravo opisali nije ništa drugo nego Darvinov princip prirodne selekcije, i to ne samo primenjen na molekule nego izveden iz osobina molekula!

Kada je nastao život na zemlji?

Prema savremenim prirodno-naučnim shvatanjima (koja, da još jednom istaknemo, sigurno nisu ni potpuna, ni definitivna), svemir koji poznajemo nastao je pre nekih 12-15 milijardi godina u događaju poznatom pod imenom „veliki prasak“ (,,big beng“). Tada je na način koji nije potpuno jasan celokupna materija koja danas ispunjava svemir počela da se širi iz jednog veoma malog dela prostora u kojem je do tada bila skoncentrisana. Tako rasuta materija je pre oko 5 milijardi godina počela da se zgušnjava u strukture koje nazivamo galaksijama i zvezdama. Jedna takva zvezda je i Sunce. Sunce je svojom gravitacijom privuklo druge manje fragmente (gasovite i čvrste) koji su lebdeli svemirom i postepeno je obrazovan planetarni sistem, u kojem je i planeta Zemlja. To se događalo pre oko četiri i po milijarde godina. Preciznije. procenjeno je da je Zemlja nastala pre 4,6 milijardi godina.

Planeta Zemlja je nastala spajanjem manjih fragmenata. usled sudara, koji su, zatim, vlastitom gravitacijom privlačili ostale objekte (uključujući i gasove) koji su im se našli na putu. Najteži materijal, izgrađen pretežno od gvožđa, nikla i drugih teških metala (među koje spada i radioaktivni uran), dospeli su u središte planete i stvorili njeno jezgro. Najlakši materijal, gasovi među kojima je dominirao vodonik, obrazovali su prvobitnu atmosferu planete. Vodonik je vremenom nestao iz Zemljine atmosfere jer njena gravitacija nije bila dovoljna da ga zadrži, a iz preostalih gasova i onih koji su izašli iz njene unutrašnjosti formirana je takozvana sekundarna atmosfera. Iz srednje teških elemenata nastao je polutečan sloj koji je plivao na jezgru i iz kojeg je vremenom nastala Zemljina kora. U svojoj ranoj fazi Sunčev sistem je bio nestabilan, planete i drugi manji objekti koji su kružili oko Sunca još nisu imali svoje ustaljene orbite i među njima je dolazilo do brojnih, često katastrofalnih, sudara. Usled toga, kao i usled nuklearnih procesa koji su se odigravali u Zemljinom jezgru, površina planete je bila u usijanom stanju i njena temperatura je bila iznad tačke topljenja. Tokom vremena Zemlja je otpuštala višak svoje toplote i postepeno se hladila.

U trenutku kada je temperatura na površini Zemlje pala ispod tačke topljenja najteže topljivih minerala iskristalisali su se prvi čvrsli delovi Zemljine kore − prve stene (čvrsta Zemljina kora naziva se litosfera). To se dogodilo pre 3,8 milijardi godina (na osnovu najnovijih merenja iz 1996. godine, starost najstarijih slena je procenjena na 3,85 milijardi godina). Starost stena određuje se zahvaljujući tome što su one izgrađene od kristala u čijoj su kristalnoj rešetki ostali sačuvani (zarobljeni) produkti radioaktivnog raspada pojedinih elemenata koji su u malim količinama prisutni kao primese. Kristalna rešetka čuva i razne anomalije (magnetne i druge) na osnovu kojih se može zaključivati o sudbini stene od trenutka nastanka do danas. Kada je temperatura na površini Zemlje dostigla vrednost nižu od tačke ključanja vode (oko 100°C, zavisno od pritiska koji je tada vladao) počela je da se stvara tečna voda, odnosno počele su da padaju prve kiše, da teku prve reke i da se pune jezera, mora i okeani. Tako je nastao Zemljin tečni omotač − hidrosfera. Ne može se tačno ustanoviti kada se to dogodilo, ali je očigledno da je to bilo pošto su se iskristalisale prve stene.

Najstariji tragovi života na Zemlji nastali su pre oko 3.5 milijardi godina i odnose se na prokariolske organizme (bez ćelijskog jedra) − plavo-zelene alge (cijanobakterije), koje su već bile u stanju da izvode fotosintezu. Dakle, pre 3,5 milijardi godina na Zemlji su već postojale najprostije životne forme. Međutim, pre najviše 3.8 milijadi godina na Zemlji nije moglo biti života. Obe navedene granice (3,5 i 3,8 milijardi godina) nisu najbolje i u budućnosti će sigurno biti poboljšane. Iz navedenih podataka vidimo da je život na Zemlji morao nastati u periodu kraćem od (oko) sto miliona godina, a možda i mnogo kraćem. Nama ,,sto miliona godina“ može zvučati kao nešto nezamislivo dugo. Međutim, sto miliona godina je, s tačke gledišta geologije i astrofizike, vrlo kratak vremenski interval, gotovo „trenutak”. Pomenimo jedan detalj: najstariji eukarioti (ćelije sa jedrom) nastali su pre manje od 1,5 milijardi godina. Dakle, bilo je potrebno više od 2 milijarde godina da evolucijom nastane ćelijsko jedro, što je najmanje 20 puta duže vreme nego što je bilo potrebno da iz neživog nastane život. Da bi bolje shvatili vremensku skalu događaja o kojima smo do sada govorili, pomoći će nam „kosmički kalendar“ Karla Segana (slika 3).

• ,,Veliki prasak“ 1. januar
• Mlečni put 1. maj
• Sunčev sistem 9. septembar
• Zemlja 14. septembar
• Život na Zemlji ~25. septembar
• Najstarije stene (taložne) 2. oktobar
• Bakterije 9. oktobar
• Seks (mikroorganizmi) ~1. novembar
• Fotosinteza 12. novembar
• Eukariote 15. novembar
• O2 u atmosferi 1. decembar
• Crvi 16. decembar
• Planktoni u okeanu 18. decembar
• Ribe, kičmenjaci 19. decembar
• Biljke 20. decembar
• Sisari i ptice 26-27. decembar
• Ljudi 31. decembar 22:30:00
• Egipat 31. decembar 23:59:52
• Renesansa 31. decembar 23:59:59
• 20. vek 00:00:01

Slika 3. − Delovi „kosmičkog kalendara“ Karla Segana

Izostavljeno iz prikaza

Kako je izgledala zemlja u doba nastanka života na njoj?

Naše Sunce je jedna obična zvezda, bez nekog posebnog položaja u galaksiji. Naša galaksija je jedna od milijardi sličnih sistema gasa, prašine i zvezda. Na osnovu ovoga proizlazi da i Zemlja nije posebna. Ali, među planetama Sunčevog sistema, Zemlja je jedinstvena po živom svetu. „Zemlja je čudna i divna anomalija u Sunčevom sistemu.“ Ona ima više zanimljivih osobina od kojih su 3 jedinstvene: hidrosfera, atmosfera (sa mnogim jedinstvenim osobinama) i biosfera.

Zemlja se nalazi u povoljnom položaju u odnosu na Sunce. Venera je suviše blizu Sunca, što uzrokuje visoku temperaturu, a time i nepostojanje tečne vode na njenoj površini. Mars je suviše daleko od Sunca, tako da je temperatura na njegovoj površini niska, voda je zaleđena, a atmosfera retka (slika 4).

Na osnovu svega što znamo o životu na našoj planeti, možemo smatrati da života nije moglo biti pre nego što se pojavila tečna voda. Životni procesi u svim danas poznatim biološkim oblicima do te mere su zasnovani na hemijskim reakcijama u vodenoj sredini da je teško zamislivo da je u nekoj davnoj prošlosti na Zemlji postojao život nezavisan od tečne vode. Značaj planetarne atmosfere za život se vidi na osnovu činjenice da na Mesecu (bez atmosfere) i Marsu (malo atmosfere) praklično nema organske materije.

Osnovni sastojak atmosfere Venere i Marsa je CO:, što ukazuje na to da je CO2 bio i glavni sastojak atmosfere prvobitne Zemlje. Na prisustvo CO: na prvobitnoj Zemlji ukazuju i veliki depoziti krečnjaka (CaC03) u stenama starim 3,8 milijardi godina, kao i činjenica da je C02 glavni sastojak gasa koji se emituje iz vulkana. Međutim, ne isključuje se i prisustvo manjih količina redukovanih jedinjenja ugljenika koja su (kao što ćemo videti) neophodna za procese abiotičke organske sinteze.

Ukratko, prvobitna Zemlja u doba nastanka života na njoj, naučnici se slažu, izgledala je slično kao danas, ako možemo da je zamislimo bez traga živog sveta i sa atmosferom koja je bila bez kiseonika (ili sa tragovima kiseonika). Kiseonik je nastao tek aktivnostimafotosintetičkih organizama. Glavni sastojci te atmosfere bili su N-,, C02, kao i nešto H2, metana i amonijaka.

Slika 4. − Planete Sunčevog sistema

Izostavljeno iz prikaza

Da li je na prvobitnoj zemlji moglo da bude organskih supstanci pre nastanka života na njoj?

Od svih elemenata, u kosmosu se nalazi najviše vodonika (87%) i helijuma (12%), organogeni elemenli (C, O, S. P) čine 1%, koliko otpada i na sve preostale elemente periodnog sislema. Ako se pomenuti organogeni elementi nađu u atmosferi vodonika, oni će reagovati sa njim i pri lome će nastati H2O, NH4 PH4 CH4… Ovi, kao i mnogi drugi komplikovaniji molekuli koji su nastali njihovim medusobnim reakcijama detektovani su u svemiru: u interstelamom prostoru, kometama. meteoritima (tabela 1). Među primerima iz tabele 1 nalaze se i primeri najstarijih organskih supstanci za koje znamo. Komete predstavljaju najstarije delove Sunčevog sistema koji nisu pretrpeli nikakve promene. Organske supstance koje se nalaze u meteorima su nastale u vreme nastanka Sunčevog sistema. Pomenimo ovde da su dok nismo imali uzorke Mesečevog tla meteori koji su pali na Zemlju predstavljali jedini materijal iz kosmosa koji smo mogli da držimo u rukama i direklno analiziramo. Do sada je na Zemlji pronađeno preko 800 meteora i mnogi od njih su analizirani.

Ugljovodonici

Međuzvezdani prostor
CH, CH+, CH4, HC2 HC2H, HC2CH3

Komete
C, C+, CH, CH+, C2, C3

Titan
CH4, C2H63 C3H8, C,H4, C2H2, HC=CC=CH, CH3C=CH

Ugljenični meteoriti
C1 do C2O alifatična i aromatična jedinjenja

Alkohoii
Međuzvezdani prostor
OH, H2O, CH3OH, C2H5OH

Komete
O2 OH, OH+, H2O, H2O+

Ugljenični meteoriti

H2O2 C, do C4 alkoholi

Aldehidi i ketoni

Međuzvezdani prostor

HCO, HCO+, H2CO3, CH3CHO

Komete
C, CO, CO+, HCO

Ugljenični meteoriti

C2 do C5 aldehidi i ketoni

Kiseline i derivati

Međuzvezdani prostor

CO, C3O CH,=C=O, HCOH, HCO3CH3

Komete
C, O, CO+, CO2+ CO.

Titan

CO, CO2

Ugljenični meteoriti

CO, CO2, C, mono i dikarbonske kiseline

Amini i derivati

Međuzvezdani prostor

NH3, CH,NH, CH3NH, NH3CHO, NH3CN, HNCO

Komete

NH. NH+, NH4+, NH3, N,+

Titan

N,

Ugljenični meteoriti

amino-kiseline, C, do C4, amini, NH3, N-heterocikli

Nitrili

Međuzvezdani prostor

CN, HCN, HNC, NH,CN, C,CN, CH,=CHCN, CH,CN, H(C=C)nCN (n=l-5)

Komete

CN, CN+, HCN, CH3CN

Titan

HCN. HC -CCN,(CN),

Ostala jedinjenja

Međuzvezdani prostor

H2, H2CS, CS. SO, OCS, H2S, SO2, NS, SiO, N2H+, CH3OCH3

Komete

H, CS, S, S2, H,S+, metali

Ugljenični meteoriti

O- i S-heterocikli

Prvi uzorci sa Meseca koje je donela misija Apolo sadržavali su neznatne količine organske materije 40 pg/g. U uzorcima sa Marsa koje je donela misija Viking 1978, uprkos najdetaljnijim analizama, nisu nađeni tragovi organske materije. Pionir je 1979. na Veneri detektovao temperaturu od 475°C i atmosferu sastavljenu od CO2, N2, kao i trag H2O. Vojadžer je 1979. u atmosferi Jupitera detektovao amonijak, metan, elan. cijanovodonik (HCN) i tragove vode. Nastavljajući put ka spoljnim planetama Sunčevog sistema Vojadžer je naročito interesantne podatke poslao o atmosferi Saturnovog satelita − Titana. Atmosfera Titana se sastoji iz metana, H2 i N2. U njoj je detektovan niz molekula: HCN i derivati, ugljovodonici, kao i crveni oblak koji možda potiče od polimera cijanida. U atmosferi Titana se trenutno dešavaju intenzivni procesi hemijske evolucije.

Saznanje o lakoći sa kojom procesima abiotičke sinteze u kosmosu nastaju (prosti) biomolekuli (amino-kiseline, heterocikli), kao i niz reaktivnih molekula (HCN, nitrili. aldehidi i drugo) iz kojih. kao što ćemo videti, takođe lako nastaju biomolekuli. iznenadilo je naučnike. Ove supstance su iz kosmosa mogle da padnu naZemlju. Tako je izračunato daje naZemlju. kojaje tokom svoje istorije prolazila više puta kroz rep kometa, moglo pri tome da padne 102’1 g organske materije. Medutim, moramo spomenuti i suprotna mišljenja: da se veći deo tih organskih supslanci razorio (pirolizovao) pre dolaska na Zemlju.

Vidimo da procesi hemijske evolucije nastaju u širokom opsegu uslova. Cak i u tako nepovoljnim uslovima kao što su kosmički, za koje je karakteristična niska temperatura, mala gustina (npr., u difuznim nebeskim oblacima nalazi se 1-10 atomci vodonika u cm3), dolazi do hemijskih reakcija. Prema tome, možemo pretpostaviti da su i na samoj Zemlji mogli da teku procesi hemijske evolucije i organske (abiotičke) sinteze.

Kako su nastali osnovni biomolekuli na zemlji − eksperimenti simulirane abiotičke sinteze

O hemijskim procesima koji su mogli da se dešavaju na Zemlji saznajemo iz eksperimenata takozvane simulirane abiotičke sinteze. Polaznu osnovu za ove eksperimente predstavlja poznavanje procesa hemijske evolucije u kosmosu, te poznavanje uslova koji su vladali na prvobitnoj Zemlji (slika 5).

• PRVOBITNA ATMOSFERA N2 CO2(NH3) H2 (CH4)
• OKEAN HCN RCN
• VODENE SREDINE RCHO CH2O

Slika 5. − Scenario za abiotičku sintezu na prvobitnoj Zemlji

Izostavljeno iz prikaza

Glavni sastojci atmosfere prvobitne Zemlje u periodu koji razmatramo bili su, kao što smo već naveli, N2, CO, i H,0, nešto CO, H2, metana i amonijaka. Ako ne bi bilo izvora energije, ova atmosfera bi ostala nepromenjena. Međutim, na prvobitnoj Zemlji je bilo obilje energije: najveći izvor je, kao i sada, bila Sunčeva energija (toplota, ultraljubičasta i vidljiva svetlost), zatim energija električnih pražnjenja, toplotna energija i radioaktivnost. Pod dejstvom energije moglo je da dođe do reakcija među sastojcima prvobitne atmosfere, a nastali proizvodi su uz pomoć kiša, koje su bile obilne na prvobitnoj Zemlji, stizali u prvobitna jezera i okeane. Njihova koncentracija je bila vrlo mala. Drugim rečima, ova, kako su je neki naučnici nazivali, „primordijalna supa“, ako je ikada i postojala, bila je vrlo retka! Da bi došlo do reakcija, bilo je potrebno da dođe do koncentrovanja ovih razblaženih rastvora. Lagune i plićaci su mogli da imaju ključnu ulogu u ovim procesima: iz njih je voda pri zagrevanju (tokom toplih dana) isparavala, čime se koncentracija zaostalih supstanci na prost način povećavala. Gline koje čine dna jezera, reka, mora i okeana imale su, smatra se, važnu ulogu. Organske supstance su mogle efikasno da se adsorbuju na površini glina, sastojci glina su mogli da služe kao kondenzujući agensi za povezivanje monomera u oligomere (i polimere). Organske supstance adsorbovane na glini bile su bolje zaštićene od letalnih efekata UV zraka Sunca.

Prvi (uspešan) eksperiment simulirane prebioličke sinteze izveo je 1952. Stenli Miler, tada doktorant čuvenog fizičara Jurija. Juri je na osnovu izučavanja atmosfere Jupitera i Satuma (u kojima dominira vodonik) pretpostavio (videli smo pogrešno!) da je i atmosfera prvobitne Zemlje bila redukujuća, što bi značilo da su njeni sastojci bili u krajnje redukovanom obliku: ugljenik u obliku metana, azot u obliku amonijaka i kiseonik u obliku vode, te da je život nastao u redukujućoj atmsoferi. Miler je ubedio Jurija da zna kako da eksperimentalno testira ovu pretpostavku. On je napravio eksperiment u kojem je simulirao osnovne fizičko-hemijske procese koji su se morali događati na površini prvobitne Zemlje (slika 6): tečnost u posudi B odgovara prvobitnom (vrućem) moru, gasovi u posudi V prvobitnoj atmosferi, električno pražnjenje u posudi G imitira olujnu nepogodu, dok kondenzacija u hladnjaku D predstavlja stvaranje kiše. Dakle, procesi u Milerovom uređaju modeluju isparavanje vode iz mora, mešanje vodene pare sa drugim gasovima iz atmosfere, te vraćanje vode u more u obliku kiše tokom olujne nepogode. Rezultati eksperimenta su bili preko očekivanja i vrlo obećavajući. U dobijenoj reakcionoj smeši Miler je našao organske kiseline, i to najviše mravlje kiseline (HCOOH), aldehide, amino-kiseline, HCN. Cinjenica da su, pored amino-kiselina, u istim količinama nađeni i aldehidi, kao i HCN ukazivala je na to da su amino-kiseline nastale dobro poznatom organskom reakcijom:

RCHO + HCN = RCH(OH)CN —RCH(NH2)CN → H2O RCH(OH)-COOH + RCH(NH2)-COOH

Slika 6. − Stenli Miler i aparatura koju je koristio za sintezu amino-kiselina električnim prainjenjem: A -grejalica (nije pokazana na slici), B -posuda sa vodom, V -posuda sa smešom gasova, G -elektrode između kojih se vrši električnopražnjenje, D -hladnjak. Na početku eksperimenta u sud B se stavlja čista voda, dok se u sudu V nalazi smeša gasova: vodonika <H2), metana (CH4) i amonijaka (NH,). Sadržaj suda B se zagreva i vodena para prelazi u sud V, gde se meša sa ostalim gasovima. U toj smeši između dve elektrode (G) odigrava se električno pražnjenje. Gasovi zatim stižu u hladnjak (D), gde se vodena para kondenzuje i vraća u posudu B. Tečnost koja se stvara u hladnjaku D sadrži i sve produkte koji su, eventualno, nastali usled električnog prainjenja i odnosi ih u posudu B. Opisani kruini proces izvođen je tokom 1-2 sedmice, a zatim je analiziran sadriaj posude B.

 

Izostavljeno iz prikaza

 

 

U ovom i sledećim eksperimentima Miler je pokazao da, ako je izvor ugljenika melan, može da se dobije polovina od 20 proleinskih amino-kiselina, i to najviše glicina (CH:(NH:)COOH) i alanina (CH,CH(NH:)COOH).

 

Videli smo da kasnija istraživanja nisu potvrdila pretpostavku o (izrazito) redukujućem karakteru atmosfere prvobitne Zemlje. Ukoliko se eksperiment izvede sa sastojcima za koje znamo danas da su dominirali u atmosferi prvobitne Zemlje (CO2. NH3, H2O), pri istim uslovima ne dolazi do organske sinteze. Međutim. važno je istaći da, ako se u ovu smešu doda makar mala količina vodonika, što, kao što smo videli, nije u suprotnosti sa savremenim saznanjima o prvobitnoj atmosferi, dolazi do reakcija u kojinta nastaju-r amino-kiseline, mada u znalno manjem prinosu nego u originalnom eksperimentu.

 

Danas možemo reći da Milerov eksperiment nije toliko značajan za razumevanje porekla života kako se prvobitno očekivalo. Medutim, ovaj eksperiment je važan jerje njime ubedljivopokazano daprocese hemijske evolucije i abiotičke sinteze možemo izučavati i na osnovu eksperimenata koji se mogu relativno jednostavno izvoditi u svakoj hemijskoj laboratoriji, te da i u ovim simuliranim uslovima za relativno kratko vreme dolazi do organske sinteze u kojoj u značajnom prinosu nastaju biomolekuli.

 

Ovaj eksperimenat je stimulisao istraživače da tragaju za (mogućim) mehanizmima prebiotičke sinteze svih biomolekula potrebnih za nastajanje života. S obzirom na značaj RNK kao prvog biološkog polimera, napori istraživača su naročito usmereni ka razumevanju prebiotičke sinteze ovog komplikovanog biomolekula. Prvo treba objasniti prebiotičku sintezu njegovih sastavnih delova: purinskih i pirimidinskih baza i riboze, a potom njihovo povezivanju u nukleozide, nukleotide i polinukleotide je mogući prebiotički molekul jer je detektovan u svemiru (tabela 1), a lako nastaje i u eksperimentima simulirane abiotičke sinteze. Još je Butlerov 1861. pokazao da pri zagrevanju koncentrovanih raslvora formaldehida u jako alkalnoj sredini nastaje kompleksna smeša šećera. Međutim, ako se ova reakcija vrši u prisustvu glina (npr., kaolina), pentoze i heksoze, medu njima i riboza, nastaju i u razblaženim rastvorima formaldehida (šema 2).

 

Pokazaćemo kako je mogao da nastane adenin. Adenin je ne samo sastojak nukleinskih kiselina nego i važan sastavni deo koenzima (dodaci uz enzim bez kojih pojedini enzimi ne bi mogli da vrše katalizu). Prebrojavanjem atoma u molekulu adenina lako ćemo se uveriti da je adenin HjC5N5 , odnosno (HCN)S, to jest da je adenin jednostavno pentamer cijanvodonika. Vrlo slično je mogao da nastane i guanin (šema 1).

 

Da li je ovako direktna veza između adenina i guanina i cijanvodonika puka slučajnost ili ona govori nešto o poreklu života? Da li oni i danas, posle četiri i po milijarde godina, nose u sebi poruku o tajni nastanka života?

 

Najverovatniji put sinteze riboze je iz formaldehida. Formaldehid je mogući prebiotički molekul jer je detektovan u svemiru (tabela 1), a lako nastaje i u eksperimentima simulirane abiotičke sinteze. Još je Butlerov 1861. pokazao da pri zagrevanju koncentrovanih raslvora formaldehida u jako alkalnoj sredini nastaje kompleksna smeša šećera. Međutim, ako se ova reakcija vrši u prisustvu glina (npr., kaolina), pentoze i heksoze, medu njima i riboza, nastaju i u razblaženim rastvorima formaldehida (šema 2).

 

Šema 2

 

Izostavljeno iz prikaza

 

Nukleozidi nastaju zagrevanjem (nasuvo) heterocikličnih baza sa ribozom u prisustvu Mg2+ i Ca2+. Nukleotidi i oligonukleotidi nastaju zagrevanjem u prisustvu fosfata, ili u vodenom rastvoru uz pomoć kondenzujućih agenasa, kao što su cijanat, cijanoformamid, cijanamid (koji takođe nastaju iz cijanida!) (šema 3).

 

Po ovoj šemi nastaju oligonukleotidi 2’,3′ umesto prirodnih nukleotida 3’,5’. Međutim, 2’,3’ veza se brže hidrolizuje od 3’,5′ veze, tako da su oligonukleotidi sa 3’,5’ vezom mogli postepeno da preovladaju na prvobitnoj Zemlji.

 

Vidimo da su osnovni biomonomeri: amino-kiseline, purini i pirimidini, kao i kondenzujući agensi pomoću kojih su ovi monomeri mogli da se povežu u biopolimere mogli da naslanu na prvobitnoj Zemlji u isto vreme i na istom mestu iz zajedničkog izvora − HCN! Da li to znači (da se malo slobodnije izrazimo) da smo nastali iz cijanovodonika?

 

Dramatičan napredak u prebiotičkoj sintezi polinukleotida ostvario je Lesli Orgel sa saradnicima. Njima je pošlo za rukom da sintelizuju polinukleotid od 30 do 40 jedinica polazeći od 5’-fosfoimidazola (nastaje u simuliranim eksperimentima reakcijom u čvrstoj fazi izmedu nukleozid-trifosfata i imidazola).

 

nukleozid + HPO4 neorganski fosfat H2N-C=O-NH2 → 5’-fosfat + 3’-fosfat + 2′-fosfat + 2’,3’-ciklični fosfat

↓

5’-difosfat (glavni proizvod)

adenozin 3’-fosfat (Ap) zagrevanje ili kondenzacioni agens → adenozin 2’.3’-ciklični fosfat (A>p) + etilendiamin

↓

2’ApAp dinukleotid A>p trii viši nukleotidi

 

Šema 3

Izostavljeno iz prikaza

Ovu reakciju katalizuju Zn i Ptr+ joni, a pri tome u prisustvu Zn_+ jona nastaju prirodne 3’,5’ veze. Sinteza se vrši pomoću matrice (templata) koje predstavljaju sintetički polinukleotidi (šema 4).

adenozi’n 5’-fosfoimidazolid poly (U) %, matrica → oligo(A) (2 ’-p-5 ’)

(R = Me) guanozin 5 ’-fosfo-2-metilimidazolid poly(C), matrica → oligo(G) (3’-p-5’)

9’-( 1,3-dihidroksi-2-propil)-metilguanin-1,3-difosfoimidazolid → oligo(G) (3’-p-5’)

Šema 4

Postavlja se pitanje šta je bila primitivna matrica (templat): neorganski mineral. glina ili kratki oligonukleotid, a još uvek nije jasno ni kako se novonastali polinukleotid odvajao od svog templata, pošto se polimeri čvršće vezuju za templat od monomera.

Polipeptidi lako nastaju u eksperimenlima simulirane abioličke sinteze. Neki od načina su: zagrevanje čvrste smeše amino-kiselina, polimerizacija amino-kiselina uz pomoć kondenzujućih agenasa, a pokazano je da supstance peptidne prirode mogu da nastanu i direktno iz razblaženih vodenih rastvora cijanida uz pomoć energije (radioaktivnost, UV zraci). Pretpostavlja se da su ovako nastali „proteini“ mogli da imaju neku (slabu) katalizatorsku funkciju u procesima prebiološke evolucije. Da bi bili efikasni katalizatori, proteini moraju, kao što smo već objasnili, imati odredenu amino-kiselinsku sekvencu, što u navedenim primerima nije slučaj.

Ključno pitanje, na koje za sada nemamo odgovora, jeste sinteza polipeptida koji bi katalizovali sintezu polinukleotida, a koji bi, opet, sadržavali informaciju za njihovu amino-kiselinsku sekvencu. Sistem koji bi sintetizovo sopstvene proteine i nukleinske kiseline imao bi mnogo veće šanse da preživi od drugih (eventualno) prisutnih sistema.

Pomenućemo na kraju lipide i membrane. Lipidi su ključne supstance ćelijske membrane. Membrane su neophodne jer odvajaju živo od spoljašnje okoline. Polupropustljive membrane su, isto kao i za sadašnje ćelije, važne i za poreklo života. One su bile bitne za koncentrovanje organske materije unutar membrane, kao i za razdvajanje izvesnih organskih i neorganskih molekula. Abiotička sinteza lipida nije mnogo ispitivana. Milerovim eksperimentom je pokazano nastajanje skoro svih monokarbonskih kiselina do 7 ugljenikovih atoma. Zagrevanjem masnih kiselina, glicerola i fosfata u prisustvu kondenzujućih agenasa (cijanamid) dobijeni su fosfolipidi koji u vodi grade lipozome (dvoslojne membrane) koji uvlače u svoju unutrašnjost razne organske molekule iz okoline. Najbolji kandidat za membranu je fosfolipidni dvosloj. Medutim, potrebno je još mnogo eksperimenata da bi se utvrdilo kako je nastala prva ćelija i kako je ona funkcionisala u lipidnim kapljicama (vezikulama).

Zaključak

Sve što smo do sada naveli u vezi sa nastankom svemira, Zemlje i života rezultat je istraživanja u mnogim naučnim disciplinama. Velikim praskom, nastankom galaksija, zvezda i planeta bave se astronomi, fizičari i astrofizičari. Razvitak Zemlje je područje rada geologa. Biolozi opisuju živi svet i istražuju njegov razvoj, prirodu života ispituje biohemija i molekularna biologija, a hemijskom evolucijom i abiotičkom sintezom bave se hemičari.

Kako je nastao život, ili, bolje rečeno, kako je prvi živi sistem izdvojen medu drugim hemijskim sistemima prisutnim na prvobitnoj Zemlji? Na osnovu onoga što su do danas ustanovile prirodne nauke, sledi jednostavan odgovor: ne znamo. Međutim, ako i ne znamo odgovor u potpunosti. neki (manji) fragmenti u još nesklopljenom mozaiku su nam već poznati (slika 7). Nešto o tome rečeno je i u ovom članku. Modemi naučnici prepoznaju evolutivne procese u prirodi. Opšte prihvaćeno gledište je da su procesima biološke evolucije, koji su tekli od prostijih ka komplikovanijim formama života, prethodili procesi hemijske evolucije, koji su, takođe, vodili od prostijih ka komplikovanijim molekulima. Neki naučnici vide ove procese kao princip evolutivnog kontinuiteta (Prilog). Dakle, možemo odgovoriti i ovako: ne znamo, ali naše neznanje nije potpuno.

Za naučnike nije nikakva sramota da na neka pitanja ne znaju odgovor. Pre bi se reklo da je to njihova velika prednost u odnosu na one koji misle da znaju sve o našem poreklu i postanku života. Naučnici istražuju i pronalaze nove činjenice. Te činjenice su ono što danas „znamo“, a za što smo ranije morali da kažemo da ,,ne znamo“. Za nešto od onoga što danas ,,ne znamo“ sutra ćemo moći da kažemo da „znamo“. Uvereni smo da se to odnosi i na mnoge detalje u vezi sa hemijskom evolucijom i poreklom života. Problem nastanka života, zbog same svoje prirode, spada u pitanja na koje nauka nikada neće moći da da potpuni odgovor.

Slika 7. − Koji fragment nedostaje?

Izostavljeno iz prikaza