Những phân tử nhỏ
Sao Hỏa ngày nay là một nơi lạnh lẽo và khô khốc, không thích hợp cho sự
sống mà chúng ta biết, nhưng 3 tỉ năm trước nó đã từng là một nơi ấm và ẩm
hơn. Một vệ tinh thăm dò trên quỹ đạo trái đất gần đây đã chụp được một
lòng hồ khô khổng lồ, kích thước bằng bang New Mexico và Texas gộp lại
trên bề mặt sao Hoả. Một vệ tinh do thám khác phát hiện thấy bằng chứng
của nước nằm kẹt dưới bề mặt băng của vùng cực sao Hoả. Những khám phá
này của các nhà địa chất đã khơi dậy sự quan tâm của các nhà sinh học vì
nơi nào có nước là nơi đó có sự sống. Có lý do vững chắc để tin rằng sự
sống mà chúng ta biết không thể tồn tại mà không có nước.
Động vật và thực vật sinh sống trên bề mặt trái đất phải phát triển những
phương thức phức tạp để giữ nước, chiếm 70% trọng lượng cơ thể của
chúng. Các thủy sinh vật sống trong nước không cần các cơ chế giữ nước
này, vì vậy các nhà sinh học kết luận rằng những cơ thể sống đầu tiên có
nguồn gốc từ môi trường nước. Môi trường nước này không nhất thiết phải
là sông, hồ hay đại dương mà chúng ta thường nghĩ. Các cơ thể sống đã
được phát hiện ở những suối nước nóng ở nhiệt độ trên điểm sôi thông
thường của nước, ở một hồ nằm dưới lớp băng của lục địa Antarctic Nam
Cực, hoặc ở trong nước kẹt dưới bề mặt trái đất 2 dặm, hoặc trong vùng
nước trên mặt nước biển 3 dặm, trong môi trường nước với độ acid hoặc độ
mặn cực cao, hoặc thậm chí trong nước làm lạnh bộ phận bên trong của lò
phản ứng hạt nhân.
Với 20 nghìn tỉ thiên hà trong vũ trụ, mỗi thiên hà gồm 100 tỉ ngôi sao, vũ
trụ có rất nhiều hành tinh, và nếu hệ mặt trời của chúng ta là điển hình của
một thiên hà thì một vài trong số các hành tinh này có nước cần thiết cho sự
sống. Khi các nhà sinh vật suy tư về việc sự sống bắt đầu như thế nào từ
những vật chất không sống thì sự chú ý của họ không chỉ vào sự hiện diện
của nước mà còn những gì hòa tan trong đó.
Một khám phá lớn của sinh học là những cơ thể sống được cấu tạo từ cùng
những loại nguyên tố tạo nên phần không sống khổng lồ của vũ trụ. Quan
niệm mang tính cơ học này - rằng sự sống có nền tảng hóa học và tuân theo

học đầu tiên chỉ ra rằng sự tồn tại của sự sống cách đây 4 tỉ năm. Như vậy
mất đến 600 triệu năm, mà trong khung thời gian địa lý gọi là Hadean (xuất
phát từ Hades - có tính địa phủ - không có sự sống) để các điều kiện hóa học
trên trái đất trở nên vừa đúng thích hợp cho sự sống. Một điều kiện quan
trọng trong số này là sự tồn tại của nước.
Trái đất cổ xưa có lẽ có rất nhiều nước trong không khí. Nhưng do hành tinh
mới hình thành rất nóng nên nước này bay hơi và thoát vào không gian. Khi
Trái đất nguội đi nước có thể lưu lại trên bề mặt của nó, nhưng nước này từ
đâu mà ra? Một quan điểm hiện nay cho rằng các sao chổi -những đám bụi
và băng thiếu cấu trúc quay quanh quỹ đạo mặt trời từ khi các hành tinh
được tạo ra - liên tục va vào Trái đất và mang không chỉ nước mà còn các
thành phần hóa học khác của sự sống, ví dụ Nitơ. Khi trái đất nguội, các hóa
chất từ các tảng đá hòa tan vào nước và các phản ứng hóa học đơn giản diễn
ra. Một số các phản ứng này lẽ ra có khả năng tạo nên sự sống, nhưng những
tác động bởi những sao chổi khổng lồ và những thiên thạch sẽ tạo ra đủ năng
lượng để làm sôi các đại dương đang hình thành, vì vậy sẽ phá hủy bất kỳ sự
sống đầu tiên nào. Những tác động quy mô lớn này dần đi vào ổn định, và sự
sống chiếm lĩnh khoảng 3,8 đến 4 triệu năm trước đây. Thời kỳ Hadean tiền
sự sống chấm dứt (Hình 2.1) Thời kỳ Archean (tiền Cambrian) bắt đầu, và từ
đó đến nay sự sống tồn tại trên trái đất.
Trong chương 3 chúng ta sẽ quay lại câu hỏi làm thế nào sự sống đầu tiên có
thể xuất hiện từ những chất vô tri vô giác. Nhưng trước khi làm điều đó
chúng ta cần hiểu hóa học của sự sống đòi hỏi những gì. Giống như phần
còn lại của thế giới vật chất, các vật sống được tạo nên từ nguyên tử và phân
tử.
3
Hình 2.1 Trục thời gian địa chất. Kỷ Hadean bao gồm thời gian từ lúc hình
thành trái đất (khoảng 4,6 tỉ năm trước) cho đến khi sự sống đầu tiên xuất
hiện (khoảng 3,8 tỉ năm trước). Trong giai đoạn kỷ Hadean các điều kiện hóa
học thay đổi tạo điều kiện thuận lợi cho sự sống, và sự sống có thể chiếm lĩnh

với số lượng electron.
Một nguyên tố được cấu tạo nên chỉ từ một loại nguyên tử
Một nguyên tố là một chất tinh khiết chỉ chứa một loại nguyên tử. Nguyên tố
Hydrô chỉ chứa một loại nguyên tử hydrô; nguyên tố sắt chỉ chứa các
nguyên tử sắt. Nguyên tử của mỗi nguyên tố có những đặc tính hoặc tính
chất nhất định phân biệt chúng với các nguyên tử của nguyên tố khác. Hơn
100 nguyên tố tìm thấy trong vũ trụ được sắp xếp trong bảng tuần hoàn
(Hình 2.3). Các nguyên tố này được tìm thấy với trữ lượng khác nhau. Các
ngôi sao có rất nhiều Hydrô và Hêli. Đất của trái đất và ở những hành tinh
gần đó chứa gần một nửa là Oxy, 28% silicon, 8% nhôm, 2-5% cho mỗi một
nguyên tố Natri, Magiê, Kali, Canxi và sắt và chưa một lượng ít hơn nhiều
các nguyên tố khác.
Khoảng 98% trọng lượng của mọi cơ thể sống (vi khuẩn, củ cải hay con
người) đều được tạo nên từ chỉ sáu nguyên tố: Carbon, hydro, Nitơ, oxy,
phốt pho và lưu huỳnh. Hóa tính của sáu nguyên tố này sẽ là mối quan tâm
hàng đầu của chúng ta ở đây, nhưng các nguyên tố khác không phải không
quan trọng. Ví dụ Na và K quan trọng đối với chức năng thần kinh; Ca có
thể hoạt động như một tín hiệu sinh học; iod là thành phần của một loại
hormone quan trọng; và cây cần Magiê như một phần của lục sắc tố
5
(chlorophyll) và molybdenum để chuyển hóa N vào các hợp chất sinh học có
ích.
Hình 2.3: Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học các nguyên tố được xắp
xếp theo đặt tính vật lý và hóa học. 1-92 là các nguyên tố tự nhiên, các
nguyên tố từ 93 trở về sau được tạo ra trong phòng thí nghiệm
Số lượng proton quyết định loại nguyên tố
Một nguyên tố được phân biệt với một nguyên tố khác bằng số lượng proton
ở mỗi nguyên tử của nó. Con số này không bao giờ thay đổi và được gọi là
6
số nguyên tử. Một nguyên tử Heli có 2 proton và một nguyên tử oxy có 8

nguyên tố không có tên riêng. Ví dụ đồng vị trong tự nhiên của Carbon là
12
C,
13
Cvà
14
C(được đề cập dưới tên gọi Carbon 12, Carbon 13 và Carbon
14). Hầu hết nguyên tử Carbon đều là
12
C, khoảng 1,1% là
13
C và chỉ một
phần rất nhỏ là
14
C. Một khối lượng nguyên tử của một nguyên tố, tức trọng
lượng nguyên tử
*
là trung bình số khối của một mẫu đại diện các nguyên tử
của nguyên tố đó, với tất cả các đồng vị theo tỉ lệ của chúng thường gặp. Do
đó trọng lượng nguyên tử của Carbon được tính là 12,011.
Một số đồng vị, gọi là đồng vị phóng xạ, không bền và tự phát ra năng lượng
dưới dạng các phóng xạ α (alpha), β (beta) hay γ (gamma) từ nhân nguyên
tử. Sự phân rã phóng xạ như vậy biến nguyên tử ban đầu thành một nguyên
tử khác, thường là một nguyên tố khác. Ví vụ carbon-14 mất một hạt β (thật
ra là một electron) để tạo nên
14
N. Các nhà Sinh vật và Vật lý có thể kết hợp
7
các đồng vị phóng xạ vào các nguyên tử và sử dụng phóng xạ phát ra như
một dấu hiệu để xác định vị trí của những phân tử này hoặc xác định những

học liên quan đến sự thay đổi về mối quan hệ giữa các electron với nhau.
Vị trí của một electron trong một nguyên tử tại một thời điểm bât kỳ là
không thể xác định. Chúng ta chỉ có thể mô tả một khoảng không gian trong
nguyên tử trong đó electron có khả năng có mặt. Vùng không gian nơi
electron được tìm thấy ít nhất 90% số lần chính là orbital của electron (Hình
2.6). Trong một nguyên tử, một orbital nhất định có thể được chiếm lĩnh bởi
nhiều nhất là hai electron. Vì vậy bất kỳ nguyên tử nào lớn hơn Heli (số
nguyên tử là 2) phải có các electron trong hai orbital trở lên. Như hình 2.6
cho thấy, các orbital khác nhau có các dạng & hướng đặc trưng trong không
gian. Các orbital lại tạo nên một loạt các lớp vỏ điện tử, hay mức năng lượng
quanh hạt nhân (Hình 2.7). > Lớp vỏ điện tử trong cùng chỉ có một orbital,
8
gọi là orbital s. Hydro (
1
H) có một electron trong lớp vỏ đầu tiên; Heli (
2
He)
có hai. Tất cả nguyên tố khác có hai electron ở lớp vỏ thứ nhất cũng như các
electron trong các lớp vỏ khác.
> Lớp vỏ thứ hai được tạo nên bởi bốn orbital (một orbital s và ba orbital p)
và vì vậy có thể giữ tới tám electron.
Các orbital s chứa đầy electron trước và các electron của chúng có mức năng
lượng thấp nhất. Các vỏ tiếp theo có số các orbital khác nhau, nhưng lớp vỏ
ngoài cùng nhất thường chỉ chứa tám electron. Trong bất kỳ nguyên tử nào,
lớp vỏ điện tử ngoài cùng quyết định cách các nguyên tử kết hợp với các
nguyên tử khác - tức hóa tính của nguyên tử. Khi một lớp vỏ ngoài cùng tạo
bởi bốn orbital chứa tám electron sẽ không có electron nào không cặp đôi
(xem Hình 2.7). Một nguyên tử như vậy bền vững và sẽ không phản ứng với
các nguyên tử khác. Các ví dụ về các nguyên tố bền vững là Heli, Neon và
Argon.

nguyên tử đó.Như vậy chúng được nối với nhau bằng liên kết cộng hoá trị và
một phân tử khí Hyđro (H
2
)được tạo thành.
Một phân tử được tạo thành từ hơn một loại nguyên tử đựoc gọi là một hợp
chất. Một công thức phân tử sử dụng các kí hiệu hoá học để biểu diễn các
nguyên tử khác nhau trong một hợp chất , các chỉ số viết phía dưới chỉ số
nguyên tử mỗi loại trong phân tử. Ví dụ công thức của đường mía saccarozo
là C
12
H
22
O
11
. Mỗi hợp chất có phân tử lượng (khối lượng phân tử) là tổng
nguyên tử lượng của tất cả các nguyên tử trong phân tử.Nhìn vào bảng tuần
hoàn bạn có thể tính được khối lượng phân tử của đường mía là 342. Khối
lương phân tử thường liên quan đến kích thước phân tử.(hình 2.9)
Một nguyên tử cacbon có 6 điện tử ở lớp vỏ; 2 điện tử lấp đầy lớp vỏ bên
trong và 4 điện tử ở lớp vỏ ngoài.Lớp vỏ ngoài này có thể chứa được 8 điện
10