Proč je uhlík záletník

Ahoj, jmenuji se Hank.

Předpokládám, že jste tady,

protože vás zajímá biologie.

A to dává smysl,

protože jako v každé
dobré písni od 50 Centa,

i v biologii jde hlavně o sex a přežití.

A každý, kdo tohle sleduje,
by se měl zajímat o sex a přežití,

protože předpokládám,
že jste všichni lidé.

Hodlám učit tenhle kurz biologie
trošku jinak, než jak jste zvyklí.

Například nestrávím první lekci
vykládáním o tom, jak budu učit.

Prostě začnu učit hned po dalším střihu.

Na začátek bych chtěl říct,
že pokud bych mluvil moc rychle,

mám tu výhodu,
že jsem video a ne člověk,

takže si mě můžete přetočit
a poslechnout ještě jednou.

Vůbec mi to nebude vadit,
naopak, dělejte to často.

Jeden můj skvělý učitel mi jednou řekl,
že pokud chci pochopit jakoukoli látku,

stačí se trochu vyznat v oboru,
ze kterého vychází.

A biologie vychází z chemie,

nebo pokud jste biochemik,
budete tvrdit, že je to biochemie.

Takže hned na začátku se nejdřív
musíme naučit něco z chemie.

A tím začneme.

Rychlokurz biologie: Chemie a energie

Jsem soubor organických sloučenin
jménem Hank Green.

Organická sloučenina je víceméně
jakákoli chemikálie obsahující uhlík.

A uhlík je úžasný!

Proč? Ze spousty důvodů.

Dám vám tři.

Za prvé, uhlík je malý.

Nemá příliš mnoho protonů a neutronů,

skoro vždy jich je 12.

Výjimečně má nějaké neutrony navíc
a tvoří C13 nebo C14.

Díky tomu uhlík nezabere moc místa

a může tvořit různé elegantní tvary.

Umí tvořit kruhy,

tvoří dvojné nebo dokonce trojné vazby,

umí tvořit spirály a listy

a spoustu dalších úžasných tvarů,

které by větší atomy nikdy nedokázaly.

Vlastně je uhlík trochu jako gymnastka.

Dokáže tvořit neuvěřitelně nádherné věci,
jenom proto, že je malý.

Za druhé, uhlík je milý.

Není jako ostatní prvky,

které zoufale chtějí získat, ztratit
nebo sdílet elektrony,

aby jich měli akorát pro sebe.

Ne, uhlík dokáže být sám.

Netouží po elektronech jiných prvků.

Není jako nevyrovnaný chlór nebo sodík.

Proto chlór rozežírá vaše orgány,
když se nadýcháte jeho výparů,

a proto by ve vás čistý sodík
po spolknutí vybuchl.

Uhlík si řekne: ehhh.

Chtěl by více elektronů,
ale nepůjde pro ně přes mrtvoly.

Snadno se s ním pracuje.

Tvoří a rozbíjí vazby jako
třináctiletý puberťák,

ale nikdy se nenaštve na dlouho.

Za třetí, uhlík se rád váže,

protože potřebuje další 4 elektrony,

takže se bude vázat s každým,
kdo je zrovna po ruce.

Obvykle se váže s dvěma, třemi
nebo čtyřmi najednou.

Uhlík se váže se spoustou prvků.

Vodík, kyslík, fosfor, dusík
i další atomy uhlíku.

A tohle umí dělat
v nekonečných konfiguracích,

což mu dovoluje být základním
prvkem složitých struktur,

které tvoří živé věci, jako jsme my.

Protože je uhlík malý, milý
a rád se váže,

v podstatě na něm stojí všechen život.

Uhlík je základem biologie.

Je tak zásadní, že vědci mají problém

vůbec uvažovat o životě,
který není postaven na uhlíku.

Křemík, který je v mnoha věcech
uhlíku podobný,

je považován za prvek, na kterém
může být založen mimozemský život.

Ale je objemnější a netvoří
tak elegantní tvary jako uhlík.

Také ho nelze najít v plynné podobě,

pak by život spočíval
na přijímání pevného křemíku.

Naopak zde na Zemi
život umožňuje

stálá přítomnost uhlíku ve vzduchu
ve formě oxidu uhličitého.

Uhlík sám o sobě je atom s 6 protony,
6 neutrony a 6 elektrony.

Atomy mají elektronové orbitaly

a chtějí mít tyto orbitaly zaplněny,

aby byly šťastnými atomy.

První elektronový orbital zvaný s,

potřebuje k naplnění 2 elektrony,

potom následuje další s orbital,
který také potřebuje dva,

uhlík má zaplněné oba dva.

Pak máme první p orbital,
který potřebuje k naplnění 6 elektronů.

Uhlík má pouze 2,
takže chce další 4.

Uhlík tvoří takzvané kovalentní vazby.

Jsou to vazby, při kterých
atomy elektrony sdílí.

Takže nejjednodušší
sloučenina uhlíku, methan,

je uhlík sdílející 4 elektrony
se 4 vodíkovými atomy.

Vodík má pouze jeden elektron,

takže chce zaplnit první s orbital.

Uhlík sdílí 4 své elektrony
se 4 vodíky,

a tyto 4 vodíky
sdílí svůj jeden elektron s uhlíkem,

a všichni jsou spokojení.

To lze znázornit takzvanými
Lewisovými vzorci.

Gilbert Lewis, známý také pro své
Lewisovy kyseliny a zásady,

byl nominován na Nobelovu cenu 35x

a ani jednou ji nedostal.

To je víc nominací
než měl kdokoli jiný v historii,

a přibližně stejný počet cen
již byl rozdán.

Lewisovi se to hodně nelíbilo.

Dost možná ale byl
nejvýznamnějším chemikem své doby.

Zavedl pojem foton,

přetvořil naše vnímání kyselin a zásad,

vytvořil první molekulu těžké vody

a byl prvním člověkem,

který popsal kovalentní vazby,
tak, jak je vnímáme dnes.

Ale bylo velice obtížné s ním pracovat.

Byl donucen k rezignaci
z mnoha významných pozic

a nemohl se zúčastnit projektu Manhattan.

Takže zatímco jeho kolegové
zachraňovali jeho zemi,

Lewis napsal příšernou novelu.

Umřel sám ve své laboratoři,

při práci s kyanidovými sloučeninami,

poté, co měl oběd s mladším,
více charismatickým kolegou,

který vyhrál Nobelovu cenu

a pracoval na projektu Manhattan.

Mnoho lidí si myslí,

že se zabil tou sloučeninou,
se kterou pracoval,

ale lékaři určili
jako příčinu smrti infarkt,

aniž by ho pořádně prohlédli.

Tohle všechno vám tu říkám,

protože ty malé Lewisovy vzorce,
které vám chci ukázat,

jsou dílem hluboce ztrápeného génia.

Není to žádné abstraktní vědecké cosi,
které vždy existovalo.

Někdo to někde vymyslel,
a to tak báječně,

že je to užitečné až dodnes.

V biologii můžeme většinu molekul zobrazit
ve formě Lewisových vzorců.

Jedním z pravidel při tvorbě
vzorců je,

že některé prvky mají tendenci
reagovat tak,

aby jejich atomy skončily s 8 elektrony
v posledních orbitalech.

Tomu se říká oktetové pravidlo.

Tyto atomy chtějí naplnit svůj oktet,
aby byly šťastné a spokojené.

Kyslík má v poslední vrstvě
šest elektronů

a potřebuje další dva,
díky tomu máme H2O.

Také se váže s uhlíkem, který potřebuje 4,

takže tvoří dvě dvojné vazby
se dvěma kyslíky.

Tak vzniká CO2, ten otravný plyn,
co může za globální oteplování,

a také z něho vznikají rostliny,
a tudíž vše živé.

Dusík má ve valenční vrstvě pět elektronů.

Takto je počítáme:

Máme čtyři místa,

každé pro dva elektrony.

A jako lidé v autobuse,

nejprve se snaží nesedět spolu.

Nedělám si srandu,

vážně se nepárují, dokud nemusí.

Spočítáme je.

1, 2, 3, 4, 5.

Takže pro maximální spokojenost
se dusík váže s 3 vodíky

a tvoří amoniak,

nebo se s 2 vodíky váže
k jiné skupině atomů,

jako aminoskupina.

A pokud se tahle aminoskupina
váže k uhlíku,

který se váže k karboxylové skupině,

tak nám vznikne aminokyselina.

Někdy jsou elektrony sdíleny
rovnoměrně v kovalentní vazbě,

jako je tomu v O2.

Tomu se říká nepolární kovalentní vazba.

Když je ale jeden z účastníků více chamtivý,

jako je tomu ve vodě,

kde molekula kyslíku
odtahuje elektrony od vodíků,

takže jsou více času u kyslíku
než u vodíků,

vzniká lehce kladný náboj na vodíku

a lehce záporný náboj na kyslíku.

Pokud je něco nabité,
říkáme, že je to polární.

Má to kladný a záporný pól.

Takže tohle je polární kovalentní vazba.

Iontová vazba vznikne,
když místo sdílení elektronů,

atomy elektrony darují
nebo přijmou od jiných atomů.

A pak vesele žijí jako
nabité atomy, neboli ionty.

Atomy obecně preferují,
když jsou neutrální,

ale když mohou mít plné valenční vrstvy,
tak to překousnou.

Mezi nejběžnější iontové sloučeniny

patří kuchyňská sůl,
NaCl, chlorid sodný.

Ale nenechte se obalamutit jeho chutí.

Chlorid sodný, jak už jsem zmínil,

je složen ze 2 velmi ošklivých prvků

Chlór je halogen,

čili atom, kterému stačí jeden elektron,

aby doplnil oktet.

Sodík je alkalický kov.

Má pouze 1 elektron ve svém oktetu.

Tyhle prvky s radostí roztrhají
jakoukoli sloučeninu,

se kterou se potkají,

ve snaze dosáhnout oktetu.

To se samozřejmě stane,
když se potká sodík s chlorem.

Hned si předají elektron,

takže sodík nebude mít jeden navíc

a chlor si doplní svůj oktet.

Stane se z nich Na+ a Cl-,

a jak jsou nabité, tak drží pospolu,

a tomu, co je drží, říkáme iontová vazba.

Tyhle chemické změny jsou fakt důležité.

Sodík a chlor se proměnily
ze smrtících na lahodné.

Pak tu máme také
vodíkové vazby,

což vlastně nejsou tak docela vazby.

Pamatujete si na vodu?

Doufám, že jste na ni nezapomněli.
Voda je důležitá.

Protože voda drží pohromadě
díky polární kovalentní vazbě,

vodíky mají slabý kladný náboj
a kyslík slabý záporný.

Molekuly vody se hýbou,
ale drží při sobě,

vodíky přitahují kyslíky.

Tento typ vazeb najdeme
u mnoha druhů molekul.

Zvláště u proteinů
hrají veledůležitou roli,

umožňují jim skládat se
a konat svou práci.

Je důležité si uvědomit,

že různé vazby,
ať už jsou nakreslené jakkoli,

nejsou stejně silné.

Někdy jsou iontové
silnější než kovalentní,

ačkoli to je spíše výjimka.

Síla kovalentních vazeb
je velmi různorodá.

Tvorba a zánik těchto vazeb

je důležitá pro fungování života,
včetně toho našeho.

Tvorba a zánik vazeb
je klíčem k životu.

Ale také může být,
pokud spolknete sodík,

klíčem ke smrti.

Tohle si pamatujte.

I ta nejkrásnější osoba,
kterou jste kdy potkali,

je jen shluk chemikálií
rejdících ve spoustě vody.

O tom si mimo jiné budeme
povídat příště.