Самая маленькая молекула. О природе хиральных молекул на земле Самая основная молекула на земле

Самая мель­чай­шая ча­сти­ца са­ха­ра – мо­ле­ку­ла са­ха­ра. Их стро­е­ние та­ко­во, что сахар на вкус слад­кий. А стро­е­ние мо­ле­кул воды та­ко­во, что чи­стая вода слад­кой не ка­жет­ся.

4. Молекулы состоят из атомов

А молекула водорода будет мельчайшей частицей вещества водород. Мельчайшими частицами атомов являются элементарные частицы: электроны, протоны и нейтроны.

Всё известное вещество на Земле и за ее пределами состоит из химических элементов. Общее количество встречающихся в природе элементов – 94. При нормальной температуре 2 из них находятся в жидком состоянии, 11 – в газообразном и 81 (включая 72 металла) – в твёрдом. Так называемым «четвёртым состоянием материи» является плазма, состояние, при котором отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы находятся в постоянном движении. Пределом измельчения является твёрдый гелий, который, как было установлено еще в 1964 г., должен представлять собой моноатомный порошок. TCDD, или 2, 3, 7, 8-тетрахлородибензо-п-диоксин, открытый в 1872 г., смертелен в концентрации 3,1·10–9 моль/кг, что в 150 тыс. раз сильнее аналогичной дозы цианида.

Вещество состоит из отдельных частиц. Молекулы разных веществ различны. 2-х атомов кислорода. Это молекулы полимеров.

Просто о сложном: загадка самой мелкой частицы во Вселенной, или как поймать нейтрино

Стандартная модель физики элементарных частиц - теория, описывающая свойства и взаимодействия элементарных частиц. У всех кварков есть также электрический заряд, кратный 1/3 элементарного заряда. Их античастицы - антилептоны (античастица электрона называется позитрон по историческим причинам). Гипероны, такие, как Λ-, Σ-, Ξ- и Ω-частицы, содержат один или больше s-кварков, быстро распадаются и тяжелее нуклонов. Молекулы - самые маленькие частицы вещества, ещё сохраняющие его химические свойства.

Какую финансовую или другую выгоду можно извлечь из этой частицы?» Физики разводят руками. И они действительно этого не знают. Когда-то исследование полупроводниковых диодов относилось к чисто фундаментальной физике, без какого-либо практического применения.

Бозон Хиггса – это частица, которая настолько важна для науки, что она получила прозвище «частица Бога». Именно она, как полагают ученые, дает массу всем остальным частицам. Эти частицы начинают разрушаться, как только они появляются на свет. Создание частицы требует огромного количества энергии, например такого, которое было произведено Большим Взрывом. Что касается большего размера и веса суперпартнеров, ученые полагают, что симметрия была нарушена в скрытом секторе вселенной, который не может быть видим или найден. Например, свет состоит из частиц с нулевой массой, называемых фотонами, они несут электромагнитную силу. Точно так же гравитоны являются теоретическими частицами, которые несут силу тяжести. Ученые до сих пор пытаются отыскать гравитоны, но сделать это очень сложно, так как данные частицы очень слабо взаимодействуют с материей.

Почему ароматические соединения назвали ароматическими — большая загадка. Не все представители того класса веществ, который попадает под современное определение этого термина, имеет запах, и наоборот: не все, что пахнет, ароматическое.

Критериев ароматичности существует несколько, но вкратце можно описать все ароматичные вещества как состоящие из молекул, в которых атомы выстраиваются в кольцо, а электроны, которые участвуют в образовании химических связей, обобществляются. Другими словами, если в формуле вещества есть кольцо, то соединение, скорее всего, ароматическое. Есть легенда о том, что кольцевая структура открылась академику Кекуле во сне про обезьянок, которые водят хоровод, держа друг друга за хвосты.

Самое простое ароматическое вещество — бензол

Обобществление электронов придает ароматическим соединениям особые физические и химические свойства — например, выдающуюся устойчивость. Чтобы соединение стало ароматическим, число электронов, участвующих в образовании связей, должно соответствовать правилу Хюккеля, то есть равняться (4n+2), где n — целое число. Редкие исключения из этого правила объясняются ароматичностью Мебиуса.

Хюккелевские ароматические молекулы могут иметь в кольце 6, 10, 14, 18, 22 и более атомов. Однако синтез больших колец с количеством атомов более 22 — дело довольно тонкое; в больших кольцах ароматичность теряется. Фиксировать их можно, если вместо отдельных атомов использовать сложные молекулярные фрагменты с жесткой геометрией. До сих пор самой большой ароматической молекулой, которую удалось синтезировать, был додекафирин — циклическая молекула, состоящая из двенадцати пятиугольных пиррольных фрагментов, соединенных по мотиву порфирина (цикл из четырех пирролов, соединенных через мостики-атомы углерода, входит в состав гема, хлорофилла, феофитина).

Martin D. Peeks et al. / Nature, 2016

В этот раз химики пошли на рекорд и «собрали» из порфириновых структур самую большую ароматическую молекулу в истории. Ее структурная формула напоминает колесо автомобиля с «покрышкой» из замкнутых в кольцо порфиринов, изнутри укрепленной плоским каркасом.

Молекула содержит 78 сопряженных электронов. Это абсолютный рекорд. Ее огромные для микромира размеры позволили ученым сравнить магнитные свойства ароматического соединения с магнитными свойствами в наноколечках из металлов и полупроводниковых материалов. Раньше это было сделать очень сложно, поскольку размеры наноколец на порядок превышали размеры самых крупных наночастиц металлов. Исследование опубликовано в журнале

1. Но начнем мы совсем с другой стороны. Прежде чем отправиться в путешествие к глубинам материи, давайте обратим свой взор вверх.

Например, известно, что до Луны в среднем почти 400 тысяч километров, до Солнца - 150 миллионов, до Плутона (который уже не виден без телескопа) - 6 миллиардов, до ближайшей звезды Проксимы Центавра - 40 триллионов, до ближайшей крупной галактики туманности Андромеды - 25 квинтиллионов, и наконец до окраин обозримой Вселенной - 130 секстиллионов.

Впечатляюще, конечно, но разница между всеми этими «квадри-», «квинти-» и «сексти-» не кажется столь уж огромной, хотя они и различаются между собой в тысячу раз. Совсем другое дело микромир. Разве в нем может быть скрыто так уж много интересного, ведь ему просто негде там поместиться. Так говорит нам здравый смысл и ошибается .

2. Если на одном конце логарифмической шкалы отложить самое маленькое известное расстояние во Вселенной, а на другом - самое большое, то посередине окажется… песчинка. Её диаметр - 0.1 мм.

3. Если положить в ряд 400 млрд песчинок, их ряд обогнёт весь земной шар по экватору. А если собрать эти же 400 млрд в мешок, весить он будет около тонны.

4. Толщина человеческого волоса - 50–70 микронам, то есть их 15–20 штук на миллиметр. Для того чтобы выложить ими расстояние до Луны, потребуется 8 триллионов волос (если складывать их не по длине, а по ширине, конечно). Поскольку на голове у одного человека их около 100 тысяч, то если собрать волосы у всего населения России, до Луны хватит с лихвой и даже еще останется.

5. Размер бактерий - от 0.5 до 5 микрон. Если увеличить среднюю бактерию до такого размера, что она удобно ляжет нам в ладонь (в 100 тысяч раз), толщина волоса станет равной 5 метрам.

6. Кстати, внутри человеческого тела обитает целый квадриллион бактерий, а их общий вес составляет 2 килограмма. Их, собственно, даже больше, чем клеток самого тела. Так что вполне можно сказать, что человек - это просто такой организм, состоящий из бактерий и вирусов с небольшими вкраплениями чего-то еще.

7. Размеры вирусов различаются еще больше, чем бактерий, - чуть ли не в 100 тысяч раз. Если бы дело обстояло так с людьми, то они были бы ростом от 1 сантиметра до 1 километра, и их социальное взаимодействие стало бы любопытным зрелищем.

8. Средняя длина наиболее распространенных разновидностей вирусов - 100 нанометров или 10^(-7) степени метра. Если мы снова выполним операцию приближения таким образом, чтобы вирус стал размером с ладонь, то длина бактерии будет 1 метр, а толщина волоса - 50 метров.

9. Длина волны видимого света - 400–750 нанометров, и увидеть объекты меньше этой величины попросту невозможно. Попытавшись осветить такоей объект, волна просто обогнет его и не отразится.

10. Иногда задают вопрос, как выглядит атом или какого он цвета. На самом деле, атом не выглядит никак. Просто вообще никак. И не потому, что у нас недостаточно хорошие микроскопы, а потому что размеры атома меньше расстояния, для которого существует само понятие «видимости»…

11. Вдоль окружности земного шара можно плотно разместить 400 триллионов вирусов. Много. Такое расстояние в километрах свет проходит за 40 лет. Но если собрать их всех вместе, то они легко поместятся на кончике пальца.

12. Примерный размер молекулы воды - 3 на 10^(-10) метра. В стакане воды таких молекул 10 септиллионов - примерно столько миллиметров от нас до Галактики Андромеды. А в кубическом сантиметре воздуха молекул 30 квинтиллионов (в основном, азота и кислорода).

13. Диаметр атома углерода (основы всей жизни на Земле) - 3.5 на 10^(-10) метра, то есть даже чуть больше, чем молекулы воды. Атом водорода в 10 раз меньше - 3 на 10^(-11) метра. Это, конечно, мало. Но насколько мало? Поражающий всякое воображение факт состоит в том, что мельчайшая, едва различимая крупинка соли состоит из 1 квинтиллиона атомов.

Давайте обратимся к нашему стандартному масштабу и приблизим атом водорода так, чтобы он удобно лег в руку. Вирусы тогда будут 300-метрового размера, бактерии 3-километрового, а толщина волоса станет равна 150 километрам, и даже в лежащем состоянии он выйдет за границы атмосферы (а в длину может достать и до Луны).

14. Так называемый «классический» диаметр электрона - 5.5 фемтометров или 5.5 на 10^(-15) метра. Размеры протона и нейтрона еще меньше и составляют около 1.5 фемтометров. Протонов в метре примерно столько же, сколько муравьев на планете Земля. Используем уже привычное нам увеличение. Протон удобно лежит у нас в ладони, - и тогда размер среднего вируса окажется равным 7 000 километрам (почти как вся Россия с запада на восток, между прочим), а толщина волоса в 2 раза превысит размеры Солнца.

15. О размерах сложно сказать что-то определенное. Предполагается, что они находятся где-то в пределах 10^(-19) - 10^(-18) метра. Самый маленький - истинный кварк - «диаметром» (давайте для напоминания о вышесказанном будем писать это слово в кавычках) 10^(-22) метра.

16. Есть еще такая штука как нейтрино. Посмотрите на свою ладонь. Через нее ежесекундно пролетает триллион нейтрино, испущенных Солнцем. И можете не прятать руку за спину. Нейтрино с легкостью пройдут и сквозь ваше тело, и сквозь стену, и сквозь всю нашу планету, и даже сквозь слой свинца толщиной в 1 световой год. «Диаметр» нейтрино равен 10^(-24) метра - эта частица в 100 раз меньше истинного кварка, или в миллиард раз меньше протона, или в 10 септиллионов раз меньше тираннозавра. Почти во столько же раз сам тираннозавр меньше всей обозримой Вселенной. Если увеличить нейтрино так, чтобы он был размером с апельсин, то даже протон будет в 10 раз больше Земли.

17. А сейчас я искренне надеюсь, что вас должна поразить одна из двух нижеследующих вещей. Первая - мы можем продвинуться еще дальше (и даже сделать какие-то осмысленные предположения о том, что там будет). Вторая - но при этом двигаться вглубь материи бесконечно все-таки нельзя, и вскоре мы уткнемся в тупик. Вот только для достижения этих самых «тупиковых» размеров нам придется опуститься еще на 11 порядков, если считать от нейтрино. То есть эти размеры меньше нейтрино в 100 миллиардов раз. Во столько же раз песчинка меньше всей нашей планеты, кстати.

18. Итак, на размерах 10^(-35) метра нас ждет такое замечательное понятие, как планковская длина, - минимальное расстояние из возможных в реальном мире (насколько это принято считать в современной науке).

19. Еще здесь обитают квантовые струны - объекты весьма примечательные с любой точки зрения (например, они одномерны, - у них нет толщины), но для нашей темы важно, что их длина тоже находится в пределах 10^(-35) метра. Давайте проделаем наш стандартный «увеличительный» эксперимент в последний раз. Квантовая струна становится удобного размера, и мы держим ее в руке как карандаш. При этом нейтрино будет в 7 раз больше Солнца, а атом водорода в 300 раз превысит размеры Млечного Пути.

20. Наконец мы подошли к самой структуре мироздания - масштабу, на котором пространство становится похожим на время, время на пространство, и происходят разные другие причудливые штуки. Дальше уже ничего нет (наверное)…

Александр Таранов 06.08.2015

Водоплавающие волки

На побережье Британской Колумбии (Канада) обитают удивительные водоплавающие волки. Они питаются лососем, ракушками, погибшими тюленями, сельдью, икрой и т. п. Морские волки отлично плавают и способны преодолеть расстояние в десяток километров за один заплыв, а спят и спариваются на пляжах местных островов, где не обитает никакая живность, кроме них самих.

Аукцион чужих вещей

Немецкая авиакомпания Lufthansa продаёт багаж своих пассажиров с молотка. Если за забытым чемоданом никто не обратится в течение трёх месяцев, его продают на аукционе. При этом чемоданы не вскрываются. Ни продавец, ни покупатель не знают, что обнаружится внутри чужого багажа.

Смертоносное облако

В 536 году на Земле произошла катастрофа, из-за которой погибло 80% населения Китая и Скандинавии, а Европа опустела на треть. Землю накрыло гигантское пылевое облако, которое заблокировало солнечный свет. По этой причине начался ужасный голод, который и сократил численность жителей планеты. Причины возникновения пылевого облака неизвестны по сей день.

Мы привыкли к тому, что молекула – это нечто крохотное, незримое, существующее скорее в воображении бородатых химиков, нежели в реальности. Однако самая большая молекула в природе – ДНК – вытянется на длину спички, а это более 4 см! Читайте о гигантских молекулах и их исключительном влиянии на наследственность человека. Узнайте об их участии в расследовании преступлений, об искусственно созданных молекулах, и о том, от какого яда чуть не умер путешественник Кук.

1. ДНК – хранилище сведений об устройстве организма

ДНК принимает вид бесконечной винтовой лестницы с миллионами ступенек, в химической структуре которых хранится информация о каждом нашем свойства, будь то количество пальцев, дислокация печени или оттенок кожи. Когда рабочий белок-фермент движется по ступенькам, клетка штампует копию этой информации – своеобразный чертеж, согласно которому происходит любое действие в организме.

Каждая спираль может менять свою длину. Растянем хорошенько ДНК и поразимся ее габаритам:

• 10 млрд атомов содержит ДНК первой хромосомы человека;
• 46 шт. – так мало ДНК нужно, чтобы записать полное досье на его тело;
• 2 м – на такую длину растягиваются эти 46 молекул, сцепленные вместе;
• 30 раз по маршруту "Земля – Солнце" и обратно – такова длина ДНК из всех клеток одного человека;
• 700 терабайт сведений хранится в 1 г ДНК.

Зачем криминалисты берут ДНК на анализы

Злоумышленники аккуратно стирают отпечатки пальцев и пользуются перчатками, но никому еще не удавалось стереть свои генетические следы. Эксперту достаточно реснички, обрезка ногтя, капли слюны, оставленной на сигарете или жевательной резинке, чтобы установить виновника. Из взятого на месте преступления биоматериала выделяют ДНК, многократно копируют ее и в специальном геле под воздействием электрического поля "ранжируют" по длине и массе.

Затем молекулы красят и сравнивают образцы с хромосомами предполагаемых "хозяев". У каждого индивидуума на ДНК проявляется неповторимый полосатый узор, и если обнаруживаются совпадения, значит, владелец образца найден.

Впервые методом ДНК-дактилоскопии воспользовался английский генетик Алек Джеффрис. В 1985 году у него попросили помощи в идентификации серийного убийцы, с чем ученый блестяще справился. Метод также применяют для опознания останков жертв катастроф и террористических актов, для установления спорного отцовства.

2. Соединительный белок титин

Смысл существования ДНК заключается в том, что по ней клетки создают главные стройматериалы – белки. Белковые молекулы поскромнее своей матрицы, но и коротышками их не назовешь. Самый длинный белок обнаружен в камбаловидной мышце голени. Это титин, который состоит из 38 тысяч аминокислот и достигает 3 млн атомных единиц массы.

Более короткие разновидности титина обнаружены в остальных мускулах и даже в сердце. Задача этого белка – соединить воедино двигательные белки мышечной клетки, чтобы обеспечить их мощные сокращения.

Можно ли создать человеческими руками белковую молекулу

Да, можно. Первым искусственно получили крохотный по меркам органической химии белок инсулин, отвечающий за стабильность уровня сахара в крови. Однако ресурсы для этого затратили немалые:

• 10 лет ушло на расшифровку состава инсулина;
• 227 химических реакций потребовалось для сборки белка;
• 0,001 % – такое количество инсулина от запланированного количества получили в итоге.

А живая клетка поджелудочной железы тратит на синтез необходимого объема инсулина 10 секунд. Поэтому гораздо выгоднее оказалось генетически модифицировать кишечную палочку, чтобы бактерия взяла на себя труд по созданию медицинского белка.

3. Молекула-змея из картошки

Прозаический продукт, источающий дразнящие запахи на сковородке, прячет в клубнях одну из длиннейших молекул в мире. Картофельный крахмал по структуре похож на бусы без конца и края. Десятки тысяч бусин, роль которых выполняет глюкоза, выстраиваются в бесконечные цепи, обеспечивая растение запасом питания до весны.

Живые организмы склонны создавать длинные полимерные углеводы. Посчитаем их молекулярную массу:

• компонент крахмала амилопектин – до 6 млн атомных единиц;
• целлюлоза, за счет которой достигается твердость дерева – до 2 млн;
• хитин, образующий феноменально легкий панцирь краба и жука – 260 тыс.

Но даже им далеко до гликогена, 100 г которого способна накопить печень. Ветвистая, словно клубок водорослей, шарообразная молекула гликогена весит до 100 млн атомных единиц!

Крахмал на службе у человека

Раньше всего научились использовать крахмал в пищу. Для этого природа предоставила человеку сотни съедобных растений: пшеницу, кукурузу, рис, каштаны, фасоль, бананы. Правда, для лучшего усвоения крахмал подвергают тепловой обработке, при которой часть химических связей между бусинами-глюкозами разрывается, и молекулы укорачиваются.

Приятная глазу белизна и плотность постельного белья, кружев, сорочек и скатертей достигается за счет подкрахмаливания. Для такой процедуры крахмал разводят в холодной воде, ткань прополаскивают в ней, сушат, а потом отглаживают. На целлюлозно-бумажных комбинатах это вещество добавляют к бумажной массе для жесткости.

В советское время на основе крахмала варили обойный клей. В детских садиках с помощью крахмального клейстера учили малышей искусству аппликации и папье-маше.

4. Синтетические полимеры

Искусственный белок создать сложно, но если вещество обладает менее сложной структурой, то химическое предприятие справится с этой задачей. Производство полимеров, от довоенных целлулоида и плексигласа до современных термостойких пластмасс, обеспечивает человека тысячами предметов.

Молекулы полимеров достигают значительной величины:

• полиакриламид – до 850 тыс. атомных единиц;
• полипропилен – до 700 тыс.;
• нейлон – до 80 тыс.

Как полимеры людям жить помогают

Небольшая перестройка структуры полимера влечет за собой кардинальное изменение его свойств. Из полимерных веществ получают пластмассы, резину, клеи, лаки, ткани. В конце прошлого века химические технологии добрались до зубных кабинетов. Теперь новые материалы превращаются в пломбы, штифты, вкладки, протезы и специальную массу для оттиска челюсти.

Последний десяток лет ознаменовался практическим применением трехмерной печати, с помощью которой изготавливают не только элементы конструктора лего, но и детали космических аппаратов. Фотополимеры, предназначенные для этой цели, дают точность до 16 микрон.

5. Ботулотоксин, притаившийся во вздутой банке

Масса молекулы этого ядовитого белка – 150 тыс. атомных единиц. Вырабатывают его бактерии клостридии, характерная особенность которых – непереносимость кислорода. Они охотно размножаются в консервах, особенно грибных, толстых залежавшихся колбасах. Угостившись пищей, которую облюбовали клостридии, человек погибает от паралича дыхательных мышц.

Ботулотоксин быстро попадает в организм не только через слизистую кишечника, но и через поверхность глаз и кожи. Во время Второй мировой американские военные всерьез рассматривали его как биологическое оружие.

6. Небелковый нейротоксин

В 1774 году капитан британских королевских военно-морских сил Джеймс Кук отравился печенью морской рыбы, которую в тот день готовили на ужин. Судовой хирург спас его рвотными средствами, но только спустя 100 лет обнаружили причину внезапного паралича капитана. Выяснилось, что рыба питалась моллюском сигуатерой, а тот – водорослями-динофлагеллятами, которые вырабатывают майтотоксин.

Молекулярная масса майтотоксина составляет 3700 атомных единиц, и это крупнейшая молекула небелковой природы, которую вырабатывает живой организм. В 1993 году химики Токийского университета исследовали ее структуру с помощью технологии ядерного магнитного резонанса. Оказалось, что молекула выглядит, как цепочка из 32 шестиугольных колечек, изогнутая наподобие поднявшей голову гусеницы.

Загадочный мир гигантских молекул не раскрыт до конца. Ученые найдут их новые свойства, видоизменят структуру и непременно поставят на службу человеку.