Các nguyên tố hoá học và nước

Năm 1839, Schleiden và Schwann quan sát nhiều loại tế bào thực vật và động vật, nhận thấy sinh vật đều có cấu trúc tế bào giống nhau và đưa ra học thuyết tế bào đầu tiên.

Học thuyết tế bào hiện đại gồm ba nội dung:

• Mọi sinh vật đều được cấu tạo từ một hoặc nhiều tế bào; sự sống tiếp diễn nhờ chuyển hoá và di truyền xảy ra bên trong tế bào.
• Tế bào là đơn vị nhỏ nhất, vừa là đơn vị cấu trúc vừa là đơn vị chức năng của mọi cơ thể sống.
• Tế bào chỉ sinh ra từ sự phân chia của tế bào có trước.

Trong 92 nguyên tố có trong tự nhiên, chỉ khoảng 20–25% là nguyên tố thiết yếu cho sự sống.

Nguyên tố đa lượng là nguyên tố tế bào cần với lượng lớn. Riêng bốn nguyên tố C, H, O, N đã chiếm khoảng 96% khối lượng vật chất sống; Ca, P, K, S và vài nguyên tố đa lượng khác chiếm khoảng 3,4%. Chúng giữ vai trò cấu trúc nên mọi phân tử sinh học.

Nguyên tố vi lượng là nguyên tố chỉ cần lượng rất nhỏ nhưng không thể thiếu, thường tham gia cấu tạo enzyme và các hợp chất điều hoà hoạt động sống. Ví dụ mỗi ngày một người chỉ cần hấp thụ khoảng 0,15 mg iodine từ thức ăn để tuyến giáp hoạt động bình thường; thiếu iodine thì tuyến giáp phát triển bất thường và gây bướu cổ.

Tế bào của các loài khác nhau có thành phần nguyên tố cơ bản giống nhau, nhưng hàm lượng thì khác biệt: cơ thể người cần tới 25 loại nguyên tố, còn thực vật chỉ cần 17 loại thiết yếu.

Theo Hình 4.1 trong SGK: oxygen 65%, carbon 18%, hydrogen 10%, nitrogen 3%, calcium 1,5%, phosphorus 1,1%; nhóm K, S, Na, Mg, Cl chiếm 0,8% và toàn bộ nguyên tố vi lượng chỉ 0,6%.

• Nguyên tử carbon có 4 electron hoá trị ở lớp ngoài cùng nên tạo được đồng thời bốn liên kết cộng hoá trị với các nguyên tử carbon khác, hình thành bộ khung carbon lớn và đa dạng về cấu hình không gian.
• Bộ khung carbon liên kết với hydrogen tạo khung hydrocarbon mạch thẳng hoặc mạch vòng, phân nhánh hoặc không phân nhánh. Gắn thêm các nhóm chức khác nhau lên khung này sẽ tạo ra bốn nhóm hợp chất hữu cơ chủ yếu của tế bào: carbohydrate, lipid, protein và nucleic acid.
• Cùng một số lượng nguyên tử, carbon vẫn tạo được những phân tử có cấu trúc và tính chất hoá học khác nhau.

Mỗi phân tử nước gồm một nguyên tử oxygen liên kết với hai nguyên tử hydrogen bằng hai liên kết cộng hoá trị. Oxygen hút electron mạnh hơn nhiều so với hydrogen nên electron dùng chung bị lệch về phía oxygen: phía hydrogen tích điện dương (δ+), phía oxygen tích điện âm (δ–). Nước vì thế là phân tử phân cực, hoạt động như một thanh nam châm nhỏ.

Khi các phân tử nước ở gần nhau hoặc gần phân tử phân cực khác, lực hút giữa các phần mang điện trái dấu tạo nên liên kết hydrogen. Một phân tử nước có thể tạo tối đa 4 liên kết hydrogen với các phân tử khác.

Từ đó nước có các tính chất vật lí đặc biệt:

• Sức căng bề mặt: phân tử nước ở bề mặt liên kết chặt với nhau, nhờ vậy nhiều sinh vật nhỏ đi lại được trên mặt nước.
• Nhiệt dung riêng cao: phải cung cấp nhiệt lượng lớn mới làm tăng nhiệt độ của nước, giúp sinh vật trên cạn điều chỉnh nhiệt độ tế bào và cơ thể, tránh thay đổi đột ngột theo môi trường.
• Nhiệt bay hơi cao: nước bay hơi lấy đi một lượng nhiệt lớn, làm giảm nhiệt độ cơ thể và môi trường.

Nước chiếm khoảng 70% khối lượng cơ thể người và giữ bốn vai trò:

• Là thành phần chủ yếu cấu tạo nên tế bào và cơ thể.
• Nhờ tính phân cực, nước hoà tan được nhiều chất cần thiết cho hoạt động sống.
• Là nguyên liệu của nhiều phản ứng, đồng thời là môi trường cho các phản ứng sinh hoá trong tế bào.
• Góp phần định hình cấu trúc không gian đặc trưng của nhiều phân tử hữu cơ, bảo đảm chúng thực hiện được chức năng sinh học, và điều hoà nhiệt độ tế bào lẫn cơ thể.

Không có nước thì không có sự sống. Đó là lí do các nhà thiên văn tìm sự sống ngoài hành tinh bằng cách tìm nước trước tiên.