الأساس الكيميائي للحياة The Chemical Base of life

من المعروف ان نظرية الخلية Cell Theory لشلايدن Schleiden وشوان 1839 Schwan قد وضعت النقاط على الحروف، فأوضحت ان للكائنات للحية الحيوانية والنباتيية تتركب اجسامها من وحدات بنائية هي الخلايا. ومع تقدم العلوم وتطور وسائل البحث العلمي تم التوصل الى ان الخلايا ليست وحدات تركيبية او بنائية Structural Units فحسب بل هي وحدات وظيفية او فسلجية Physiological Unit ايضا ، وان كل خلية تقوم بأفعال حيوية ضرورية لادامة حياة الكائن الحي لذا فهي ، أي الخلية ، تمثل وحدة الحياة Unit of life.

تعد الخلية أو وحدة الحياة نظاما معقدا تركيبيا ووظيفيا، فهي تتكون من مكونات حية Living Components ، وغير حية Non- Living Components or Inclusions ولكل منها تركيبها ووظيفتها الخاصة بها ، وتتألف هذه للمكونات من مواد وتركيب أدق فأدق. وعند امعان النظر في مستويات التنظيم Levels of Organization في الطبيعة ينصح ان التنظيم هرمي ، وتنحصر مختلف مستويات فيه ما بين مستوى تنظيم الدقائق الاولية Elementary Particles التني تمثل قاعدة الهرم ، ومستوى تنظيم المحيط الاحيائي او الحياتي Biosphere اللذي يمثل معة الهرم، وكما موضح في المخطط (2-1). ويتكون المحيط الاحيائي من المجموعات الاحيائية Biomes ، التي هي بدورها تتكون من الانظمة البيئية Ecosystem التي تضم المجتمعات Communities المؤلفة من المجموعات السكانية Populations التي ترتكز على وجود الافراد Individuals ويتركب جسم كل فرد من الاجهزة العضوية Organ Systems ويتألف كل عضو منها من عدد من الانسجة Tissues التي يتألف كل منها بدور من عدد من الخلايا ، أي الوحدات البنائية للكائنات الحية. وتتكون كل خلية من عدد من العضيات الخلوية Cell Organelles الصغيرة التي تتركب بدورها من جزيئات Molecules يسهم في تكوينها عدد من الذرات Atoms التي تشترك في تكوينها الدقائق الاولية .Elementary Particles

 وهكذا ، فإن معرفة التركيب الجزيئي للخلية ، ومعرفة كيفية تكوين هذه الجزيئات ، ومعرفة عملها ووظائفها قد اصبح امرا ضروريا لمعرفة ما يجري في داخلها من تفاعلات كيميائية. وقد اصبح هذا سندا قويا واضافيا لترسيخ المعلومات التي تم الحصول عليها من خلال التشريح واستعمال الانواع المختلفة من المجاهر من اجل الربط بين التراكيب  الخلوية (العضيات) ووظائفها. وهكذا فقد امتدت جذور العلوم الاخرى  كالكيمياء والفيزياء والرياضيات لتسهم مع علم الاحياء في الوصول إلى حقائق علمية دقيقة عن تركيب الخلية وعضياتها ووظائفها، ومن هذه العلوم المشتركة الكيميائية الحياتية او الفيزياء الحياتية  والاحصاء الحياتي ويعد الفرع الاول من اهمها في هذا المجال. ولما كانت الخلية الحيوانية او النباتية مكونة من عضيات خلوية تتركب اساسا من تراكيب كيميائية هي الجزيئات والذرات. وليتاح لنا فهم الحياة علينا ان تعرف كيفية بناء هذه الجزيئات وارتباط بعضها في تأليف الحية. وما الخواص الفريدة للحياة الا نتائج باهرة للتشابك الهائل بين هذه الجزيئات والتناسق الرائع للتفاعلات الكيميائية التي تجري في هذه الجزيئات بحسب تراكيبها ومكوناتها الكيميائية وارتباط هذه المكونات وتناسقها.

 المواد الكيميائية Chemicals :

تتألف الكائنات او الاشياء الحية وغير الحية من مواد كيميائية Chemicals تنتظم او تترتب بشكل يحقق التركيب اللازم والوظائف الضرورية للحياة وتتألف اجسام الاشياء الحية وغير الحية جميعها من مادة Matter مكونة من عناصر Elements وثمة ستة عئاصر رئيسة تدخل في بناء او تركيب الاجسام الكائنات الحية وهي : الكاربون C ، والهيدروجين H ، والنيتروجين N ، والاوكسجين O ، والفسفور P ، والكبريت S. ويمكن ان نعرف المادة بأنها : أي شيء يحتل او يحجز فراغا وله وزن. توجد المادة بهيئة صلبة او سائلة او غازية، وتتألف المادة على نحو ما سبق ذكر ، كلها في الاشياء الحية وغير الحية من مواد معينة اساسية تسمى العناصر Elements. وتتألف بعض المواد من عنصر واحد، والبعض الآخر منها من أكثر من عنصر ، فالهواء مثلا : يتألف من عدة عناصر ، في حين تتألف الاوكسجين من عنصر واحد ، وهو الاوكسجين نفسه. ومن الجدير بالذكر ان ثمة 92 عنصرا في الطبيعة، ولكن ثمة 13 عنصرا آخرا قد صنع مختبريا. والعناصر هي عبارة عن مواد لا يمكن تجزئتها الى مواد اخرى ذات صفات كيميائية وفيزيائية مختلفة.

قد اوضح العالم الانجليزي دالتون 1808 Dalton م ، ان العناصر تحوي دقائق صغيرة تسمى الذرات Atoms ، في حين أوضح العالم رذرفورد 1911 Rutherford  م ان الذرت تتالف من نواة Nucleus ذات شحنة موجية ويحيط بها نظام من المدارت Orbitals العالية الشحنة والحاوية الالكترونيات Electrons. فتتألف الذرة اذن من نواة موجبة الشحنة تشكل معظم كتلة الذر ، وتحوي توعين ريسين من الدقائق الاولية تمثل الاولى البروتونات Protons ، وهي موجبة الشحنة تمثل الثانية النيوترونات Neutrons ، وهي خالية من الشحنة ، وتساوي كتلة من كل بروتون والنيوترون ، وتعادل (1) في كل العناصر المعرفة عليها البالغة 105 عناصر ، ويسمى مجموع عدد البروتونات والنيوترونات الموجودة في النواة Nucleus الوزن الذري Atomic Weight ويعتمد عليل في تحديد الخواص الكيميائية للذرة. ومن المعروف ان لكل عنصر ذرات متشابهة ، أي انها تظهر العدد الذري Atomic Number نفسه المتمثل بعدد البروتونات الموجودة في النواة ، فذرات الاوكسجين جميعها تحتوي 8 بروتونات والكارون 6 بروتونات والذهب 79 بروتون ، والنيتروجين 7 برتونات والصاص 82 بروتون واليورانيوم 93 برتون. وقد تكون بعض ذرت العنصر الواحد أكثر وزنا من الاخرى. بسبب وجود عدد أكبر من النيوترونات في نواتها وتدعى عناصر كهلذ، بالنظائر Isotopes. ومن الجدير ذكر ان عدد النيوترونات ذو أهمية قليلة من حيث للخواص الكيميائية، الا انها مؤثرة من حيث الخواص الفيزيائية. فوجود نيوترون واحد او اثنين اضافيين ( أكثر من الطبيعي) او نقص نيوترون واحد او اتنين عن الحد الطبيعي يجعل النواة قلقة ، وغير ثابتة وميالة الى التفكك ، وتسمى ذرات من هذا النوع بالذرات المشعة Radioactive Atoms ، وتدعى هذه ، النظائر بالنظائر المشعة Radioactive Isotopes التي تستعمل في الكشف للمسارات الايضية المعقدة للمواد المختلفة ، ومتابعتها في اجسام الكائنات الحية وفي المزارع النسجية Tissue Cultures ، وكذلك في العلاجات الطبية ، وفي متابعة الافرادات الهرمونية والانزيمية ، وغير ذلك وينطبق هذا على الكاربون 14 (C¹⁴) فان معظم الكاربون الاعتيادي تحوي ذرات 6 بروتونات و 6 نيوترونات ويسمى كاربون 12 (C¹²) وتوجد نسبة قليلة من الكاريون تحتوي 6 بروتونات و 7 نيوترونات ويسمى كاربون 13 (C¹³) ، وتوجد نسبة أقل من الكاربون 6 بروتونات و 8 نيوترونات، ويسمى كاربون 14 (C¹⁴) يتمثل الجزء الثاني من الذرة بالالكترونات التي تساوي عددها عدد البروتونات في الذرة عادة ، وتدور حول النواة بسرعة فائقة ، وللالكترونات كتلة صغيرة وقريبة من الصفر لذا ليست لهذه الدقائق الاولية أهمية في وزن الذرة ، الا انها ذو شحنة سالبة ، ومعاوية في قوتها لشحنة البروتون الموجبة الموجودة في النواة ، وتنجذب اليها وهي موزعة في مدارت متعاقبة حول النواة. ويتسع المدار الاول منها ، وهو اقرب المدارارت الى النواة ، للالكترونين فقط، في حين يتسع المدار الثاني لثمانية الكترونات ، والثالث لثمانية الكترونات ايضا ، والرابع  الثمانية عشر الكترونا والخامس لثمانية عشر الكترونا ايضا والسادس لاثنين وثلاثين الكترونا ، وتشاهد هذه الحالات في الغازات الاتية : الهيليوم والنيون والاركون والكربتون والزنون والرادون على التوالي.

اما فى ذرة الهيدروجين Hydrogen فيوجد الكترون واحد فقط حول النواة في المدار الاول الذي بامكانه ان يستوعب الكترونين لذا فان هذا المدار غير مشبع ولذا يعد عنصر الهيدروجيين عنصرا فاعات من حيث التفاعل الكيميائي مع العناصر الاخرى ، في حين يحوي المدار الاول في ذر الهيليوم الكترونين ، وهذا هو الحد الاعلى او للمقرر من الالكترونات لهذا المدار الذي يستطيع احتواءها لذا يعد عنصر الهيليوم خاملا من حيث التفاعل الكيميائي مع العناصر الاخرى. وتحتوي ذرة الليثيوم ثلاثة الكترونات إذ يحوي المدار الاول الكترونين والمدار الثلاني الكترونا واحد فقط باستطاعته استيعاب سبعة الكترونات اخرى ليصل هذا المدار إلى حد الاشباع ، لذا يعد الليثيوم من العناصر الفاعلة كيميائيا. اذن ، تكون العناصر نشيطة من حيث التفاعل الكيميائي اذا كان عدد الالكترونات ناقصا عن الحد للمقرر في المدار الخارجي او الاخير لها وعلى العكس من ذلك ، تكون العناصر خاملة اذا كان عدد الالكترونات كاملا في مدارها الاخير او الخارجي ، أي يكون المدار مشبعا.

 ارتباط الذرات وتكوين الجزيئات :

مما سبق ذكر تنصح ان للخواص الكيميائية للذرة وكيفية نفاعلها وارباطها بالذرات الاخرى تتحدد من خلال عدد الالكترونات في المدار الخارجي للذر ، فالذرات عادة تميل الى الوصول الى حالة الاستقرار ، أي اكمال عدد الكترونات في مدارها الخارجي ويحدث التفاعل الكيميائي نتيجة فقدان او اكتساب الكترون واحد أو أكثر. فثمة طريقة مختلفة يتم فيها ارتباط الذرات وتكوين الجزيئات ، وعليه فقط تعدت انواع الروابط او الاواصر الكيميائية Chemical Bonds ومنها :

 الاصرة الايونية Ionic Bond:

تتكون الايونات Ions عندما تفقد الذرة او تكتسب الكترونا واحد أو أكثر. عندما تفقد الكترونا واحد ، ستعقد شحنة سالبة ، وهكذا ستصبح الذرة موجبة الشحنة على نحو ما يحدث في ذرة الصوديوم Na أو البوتاسيوم +K والعكس صحيح في ذرة الكلور التي تكتسب الكترونا واحدا ، وبذا تكون قد اكتسبت شحنة سالبة ، وفقدت توازنها الكهربائي ، فاصبحت سالبة الشحنة نتيجة حصولها على الالكترون الاضافي من ذرة الصوديوم. وعليه ، فقد يكون سالبا Anion او موجبا Cation ولما كانت الشحنة الكهربائية تنجذب لبعضها البعض ، فان ذرت العناصر المتأينة ذات الشحنات المختلفة تتجاذب وتكون مركبات ايونية Ionic Compounds. فذرات الصوديوم الموجبة للشحنة ، وذرت الكلور السالبة الشحنة المتقاربة فيما بينها تتجاذب نظرا لاختلاف شحناتها الكهربائية ، وتدعى قوة الجذب هذه بالاصرة الايونية Ionic Bond. كما مبين في المعادلة ادناه :

  الاصرة التساهمية Covalent Bond :

ثمة حالات معينة تحتاج فيها الذرات ، لكي تصل الى حالة الاستقراء ، إما الى فقدان او اكتساب عدد من الكترونات كبير نسبيا قد يكون ثلاثة ، او أربعة ، أو أكثر، وهذا ما يحدث فعلا عند ارتباط مثل هذه الذرت مع ذرات اخرى ، فان عددا من الالكترونات في المدارين الخارجيين او الاخيرين للذرتين يشترك هاتين الذرتين ، وتدعى هذه الرابطة بالآصرة التساهمية Covalent Bond وتختلف حالة الآصرة هذه عن الآصرة الأيونية في كون الآصرة التساهمية ارتباطا حقيقيا بين الذرات ذاتها وليس مجرد تجاذب بين شحناتها ، مثل ذرة الكاربون C التي تشترك مع ذرت اخرى كالهيدروجين H بالالكترونات الاربعة الموجودة في المدار الخارجي لها وهذا واضح في حالة تكوين الميثان CH₄ وكما هو واضع في المعادلة ادناه :

وكما هو واضح ، ان ذرة الكاربون C تحتاج الى اربعة الكترونات لكي يتشبع مدارها الخارجي وان ذرة الهيدروجين تحتاج الى الكترون واحد فقط ليتشبع مدارها الخارجي ، وهكذا فان الكاربون يسهم بالكترونات الاررعة الموجودة في المدار الخارجي مع اربعة الكترونات لاربع ذرات من الهيدروجين لتكوين جززية ميثان ، وفي هذه الحالة يحصل كل من ذرة الكاربون وذرت الهيدروجين الاربع على ما تحتاجل من الالكترونات ، وتتكون اربعة روابط مشتركة أو تساهمية بالكترونات.

في ذرة الاوكسجين O ، توجد ستة الكترونات في المدار الخارجي ، لذا فهو يحتاج الى الكترونين اخرين ليتشبع ، ويمكن ان يشترك مع ذرات اخرى تستطيع اف تسهم في هذين الالكترونين، ما يحدث عتد كويف جزيئة الماء اذ شهم ذرتا الهيدروجين كل لالالكتوونات وهكذا يتشبع المدار الخارجي للاوكسجين لحصوله على الالكترونين الناقصين ويتشبع المدار الخارجي لكل من ذرتي الهيدروجين لحصول كا منها على الكترون من ذر الاوكسجين.

الاصرة الهيدروجينيةHydrogen Bond :

تحدث بين ذرات جزئ ضخم كالماء مثلا ، وتمتاز بكونها ضعيفة على العكس من الروابط المذكور سابقا. فعند اتحاد ذرة الهيدروجين مع ذر اخرى لها ميل شديد على جذب الالكترونات كذرة الاوكسجين مثلا ، مما يجعل ذرة الهيدروجين نفسها الموجبة الى ذر اخرى لها شحنة سالبة كذرة الاوكسجين لجزيء آخر كما يحدث في جزيئات الماء مثلا. وعليه ، يعمل الانجذاب الى جذب جزيئات الماء المتجاورة لدرجة انها تكاد تفقد هويتها. وهكذا ، فاذا ما تشاركت جزيئتان متقاربتان في ذر هيدروجين تسمى هذه المشاركة الاصرة الهيدروجينية Hydrogen Bond.

من الجدير بالذكر ، ان تكون الاواصر الكيميائية او تفككها ناتج عن انتقال الالكترونات من ذرة الى اخرى ، او من جزيء الى آخر ، وان هذه العملية تقترن في الطاقة Energy التي قد تحرر ، او تخزن في الجزيئات المتكونة ، وقد تنتقل من مركب الى آخر في اثناء تفكك هذه الاواصر الكيميائية. لذا ، فان هذه التغيرات مهمة جدا في التفاعلات الكيميائية والكيميائية الحياتية مثل التنفس والاكسدة والاختزال وغيرها.

من الواضع ان ارتباط الذرات يؤدي الى تكوين الجزيئات Molecules ، وقد تشترك اعداد ضخمة في ذلك ، وقد تختلف الاواصر التي تربط بعضها بالبعض الآخر. للجزيئات الضخمة الكبيرة في تكوين التراكيب البايولوحية ، وفي الفعاليات الحياتية او الحيوية. ومن أهم العناصر الاساسية التي تشترك في جزيئات كهذه ، والتي تتدخل في التركيب الحية التي تكون اجسام الكائنات الحية Living Organism هي : الكاريون C ، والاوكسجين O ، والنيتروجين N ، والهيدروجين H ، والفسفور P ، والكبريت S ، وغيرها ( الصوديوم ، والبوتاسيوم ، والكلور ، والحديد ، ... الخ).

تحتوي الخلايا الحية 70% ماء ، اما المواد الاخرى فأهمها هي المركبات الكاربوتية مع كميات قليلة من المعادن. لذرات الكاربون خواص فريدة فهي قد ترتبط بعضها مع بعض على شكل حلقة او سلسلة طويلة لها فروع متعددة. وهذه القابلية على تكوين سلسلة يمكن اطالتها هي التي جعلت وجود جزيئات ضخمة امرر ممكنا. ويمكن لهذه السلسلة ان ترتبط بأنواع وتسب مختلفة لمن ذرت العناصر الاخرى لتكون ما يسمى المركبات العضوية .Organic Compounds