کوارک ها: اجزای سازنده ماده

کوارک‌ها کوچکترین اجزای سازنده ماده مرئی در کائنات هستند.

اگر بتوانیم به داخل یک اتم بنگریم، خواهیم دید که از الکترون‌هایی تشکیل شده که پیرامون یک هسته متشکل از پروتونها و نوترونها می گردند. اگر پیشتر رفته و داخل یکی از این پروتونها یا نوترونها را ببینیم، خواهیم دید که هر یک از سه ذره تشکیل شده اند آنقدر خرد، که تقریبا فاقد اندازه بوده و اندکی بیشتر از یک نقطه اند. این ذرات نقطه مانند، کوارک‌ها هستند.

کواراکها مانند الکترونها ذرات بنیادی بشمار می روند، یعنی از هیچ ذره خردتری ساخته نشده اند. می توان گفت آنها در رده اول مدل استاندارد فیزیک ذره ای قرار دارند.

اکتشاف کوارک ها

وجود کوارک ها نخستین بار در 1964 در نتیجه کار دو فیزیکدان به نامهای مورای گل مان و جورج تسوایگ (George Zweig) پیشنهاد شد که هر دو در موسسه تکنولوژی کالیفرنیا (کالتک) کار می کردند لیکن بطور کاملا مستقل به وجو این ذرات بنیادی پی بردند. نظریه آنها نتیجه کار چندین دهه از دانشمندان فیزیک نظری بود.

در سالهای دهه 1950 فیزیکدانان کتابخانه ای از ذرات درون اتمی شناخته شده ساخته بودند. این کتابخانه انواع مختلف ذرات و خواص آنها را فهرست می کرد لیکن فاقد نظریه ای زیربنایی در مورد پیدایش این ذرات بود. این نظریه در نهایت به عنوان مدل استاندارد فیزیک ذره ای شناخته شد لیکن باید چند اکتشاف بنیادی صورت می پذیرفت تا کامل تر شود، از جمله کشف کوارک ها.

شگفت ترین چیز در این مدل ذراتی به نام هایپرون بود که بسیار ناپایدار بود و بسرعت تلاشی می یافتند اما نه به ذراتی که انتظار آنها می رفت. گل مان دریافته بود که باید یک خاصیت کوانتومی ناشناخته در کار باشد که واکنش های نامنتظره تلاشی ذرات را توجیه کند. او این خاصیت را "شگفتی" (strangeness) نامید.

اعداد کوانتومی مانند شگفتی، بار و چرخش (اسپین) از قانون بقا پیروی می کنند. اگر یک ذره با یک عدد کوانتومی معین تلاشی یابد، مجموع اعداد کوانتومی محصولات آن باید با مجموع اعداد کوانتومی ذره نخستین برابر باشد. علاوه براین اعداد کوانتومی یک ذره معین دارای درجات آزادی هستند، یعنی گستره مقادیری که این اعداد می توانند اختیار کنند. این درجات آزادی چندتایی ها (multiplets) نامیده می شوند و الگوی آرایش آنها میان ذرات مختلف، گل مان و تسوایگ را بر آن داشت به این نتیجه برسند که ذرات درون اتم و چندتایی های وابسته به آنها را در صورتی می توان توضیح داد که فرض کنیم آنها از دو یا سه ذره کوچکتر ساخته شده اند.

گل مان با الهام از رمانی از جیمز جویس این ذرات خرد بنیادی را کوارک نامید و نامهای بالا (up)، پایین (down)و شگفت (strange) برای آنها انتخاب شد. عدد شگفتی کوارکهای بالا و پایین صفر است در حالی که عدد شگفتی کوارک شگفت برابر 1- است.

گرچه این نظریه بسیار روشنی بود، به علت فقدان شواهد تجربی بسرعت پذیرفته نشد. چهار سال بعد در 1968 در مرکز شتابدهنده خطی استانفورد کالیفرنیا آزمایشاتی با پرتاب اکترونها و سپس میون های پر انرژی انجام شد. معلوم شد که الکترونها و میونها هنگام عبور از درون پروتونها دچار تفرق می شوند که به علت وجود ذرات خرد دارای بار است. این ذرات همان کوارکها بودند.

طرح فرضی از تفرق الکترونها در نتیجه عبور از درون پروتون و برخورد با کوارکها

معلوم شد که در واقع شش نوع یا "طعم" (flavor) از کوارکها وجود دارد: بالا، پایین، شگفت، افسونگر (charm)، فوقانی (top) و تحتانی (bottom). هرکدام دارای مجموعه مختص به خود از اعداد کوانتومی هستند و جرمهایی بسیار متفاوت دارند بطوری که کوارکهای بالا و پایین از همه سبکتر و کوارک فوقانی از همه جسیم تر است بطوری که 61 هزار برابر کوارک بالا جرم دارد. دلیل این امر معلوم نشده است. لیکن کوارک فوقانی بسرعت به شکل ذراتی کم جرم تر تلاشی می یابد. تنها دلیل دانشمندان برای وجود آنها اثرات کوچکی است که در برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) از خود بر جای می گذارند.

دشواری بزرگ در مطالعه کوارکها این است که این ذرات به تنهایی نمی توانند وجود داشته باشند. آنها همواره توسط نیروی هسته ای قوی به هم پیوند یافته اند که به انها امکان تولید ذرات مرکبی به نام هادرون ها را می دهد. ذرات ساخته هشده از دو کوارک مزون نامیده می شوند و ذرات ساخته شده از سه کوارک باریون نام دارند که شامل پروتون (با دو کوارک بالا و یک کوارک پایین) و نوترون (با یک کوارک بالا و دو کوارک پایین) هستند. ذراتی به نام تتراکوارک ساخته شده از چهار کوارک و پنتا کوارک ساخته شده از پنج کوارک نیز وجود دارند که از پایداری نسبی برخوردارند لیکن در نهایت تلاشی می یابند.

رفتار کوارکها تحت حاکمیت یک مدل به نام کوانتوم کروموداینامیکز یا QCD است. کرومو در این نام به "رنگ" اشاره دارد که خود یک عدد کوانتومی است. رنگ در نیروی هسته ای قوی همان نقشی را ایفا می کند که بار در نیروی الکترومغناطیسی. ذرات با رنگ مشابه یکدیگر را رانده و ذرات با رنگ مختلف یکدیگر را جذب کرده و زوجهای پایدار کوارک می سازند. مانند سایر اعداد کوانتومی رنگ نیز باید در واکنش های تلاشی ذرات پایسته باشد.

نیروی قوی که کوارکها را به هم پیوند می دهد توسط نوع دیگری ذره بنیادی خرد حمل می شود که گلوئون (gluon) نام دارد و بین کوارکها مبادله می شود. برای جداساختن کوارکهای منفرد نیاز به مقادیر عظیمی انرژی هست. این مقدار انرژی اولیه در زمانی حدود 10 میلیاردیم ثانیه پس از انفجار بزرگ وجود داشته، یعنی زمانی که دمای عالم به 2 تریلیون درجه سلسیوس می رسیده است. در طی این مدت کوتاه نخستین، عالم نوزاد با شکلی از ماده به نام پلاسمای کوارک – گلوئون پر شده بود، یک سوپ ذره ای از کوارکها و گلوئون هایی که آزادانه شناور بودند. با انبساط عالم نخستین و سرد شدن آن، کوارکها به هم پیوسته و هادرونها را تشکیل دادند که در نهایت پایه همه ماده مرئی مانند ستارگان و کهکشانها است که ما در عالم امروزین می بینیم.

گرچه پلاسمای کوارک- گلوئون 13.8 میلیارد سال گذشته و تنها بلافاصله پس از انفجار بزرگ وجود داشته است، دانشمندان این شرایط را با موفقیت در آزمایشات برخورد ذرات با تصادم میان دو هسته سنگین (مانند سرب) با سرعت های نزدیک به سرعت نور شبیه سازی کرده اند. نخستین بار این کار در مرکز CERN در دستگاه سنکروترون ابرپروتونی به سال 2000 روی داد.

ستارگان کوارکی

مکان دیگری در طبیعت که دارای شرایط بسیار حاد و کناسب برای جداسازی کوارک ها است، در ستارگان فرضی به نام کوارک رخ می دهد.

این سترگان ممکن است از نوع ستاره نوترونی خاصی باشند که چگال ترین اشیای موجود در عالم هستند که به شکل سیاهچاله فرو نمی رمبند. یک ستاره نوترونی در ططی انفجار ابرنوستاره ای تولید می شود که در طی آن لایه های بیرونی یک ستاره بسیار جسیم با انفجار هسته آن به بیرون پرتاب می شود و هسته ای بسیار چگال از خود بجای می گذارد. ستارگان نوترونی ممکن است دارای قطری برابر 10 کیلومتر و در عین حال جرمی هزاران برابر کره زمین باشند. در نتیجه برخورد الکترونها با پروتونهای هر اتم در طی فروریزش گرانشی و تبدیل آنها به نوترون، این ستاره ها تقریبا از نوترون خالص تشکیل شده اند. با این وجود ممکن است در مرکز آنها تحت فشارهای گرانشی بسیار عظیم نوترونها نیز متلاشی شده و کوارک های خود را آزاد سازند.

کوارک های باریونی و نحوه تشکیل ذرات مختلف درون اتمی

منبع اصلی: space.com

ژنتیک: چگونه ویژگی‌های خود را از نیاکان به ارث می‌بریم؟

چه چیزی یک فرد را یگانه می‌سازد؟ بخشی از پاسخ در ژنهای ما نهفته است.

یک ژن واحد مبنایی وراثت است، وسیله ای است که به توسط آن ویژگی‌ها از نسلی به نسل دیگر منتقل می‌شود. ژنتیک مطالعه شیوه به توارث رسیدن این ویژگی‌های زیست شناختی بشمار می‌رود. کمی بیشتر از نیمی ژنهای ما از مادر به ما می‌رسد و کمی کمتر از نیم نیز از پدر. ژنهای شما ظاهر، طرز عملکرد بدن و شیوه رشد و تحول در طول زمان را تعیین می کنند.

بیشتر ژنها در هسته سلول‌های بدن یافت می‌شوند. در هسته آنها به شکل رشته هایی نخ مانند به نام کروموزوم ساختار یافته‌اند که از مولکول‌هایی به نام دیوکسی ریبونوکلئیک اسید یا DNA ساخته شده‌اند. سلول‌های انسان شامل 23 جفت کروموزوم هستند و بدن انسان بیش از 20 هزار ژن دارد. به تمامی اطلاعات ژنتیکی در یک سازواره (ارگانیسم) ژنوم گفته می‌شود.

ژنها با ارسال دستورالعمل ها به ساختارهایی در سلولها به نام ریبوزوم، به سلولها فرمان می دهند که پروتئین های خاصی را بسازند. این امر سلولها را قادر می سازد خود را تعمیر کرده و وظایف خاصی را انجام دهند.

ریبوزومها کارخانجات پروتئین سازی سلول هستند.

DNA

دیوکسی ریبونوکلئیک اسید مولکولی است که کروموزومهای ما را می سازد. این مولکول کل دفترچه دستورالعمل های یک سازوار را شامل می شود. این مولکول به شکل یک مارپیچ مضاعف سه بعدی است. کناره های این مارپیچ نردبان مانند از قند و فسفات ساخته شده است. پله‌های این نردبان ترکیبات جفتی از چهار مولکول به نام نوکلئوتید هستند: آدنین، سیتوزین، گوانین و تیمین (A, C, G, T). اینها حروفی هستند که کد DNA را می‌سازند.

نحوه اتصال نوکلئوتیدها به یکدیگر

تقریبا 3 میلیارد از این حروف در ژنوم انسانی وجود دارد و آنها به صورت جفت های مختلف و در توالی های مختلف ترتیب یافته‌اند. این توالی‌ها به دستورالعمل‌هایی برای ساخت پروتئین ترجمه می‌شوند که به نوبه خود بر ویژگیهای خاص تاثیر می‌گذارند. این توالی‌ها به نام ژن شناخته می‌شوند.

بین این ژنها بخش‌های دیگر DNA وجود دارند که شامل دستورالعمل‌های ساخت پروئئین نیستند. این تکه ها DNA بدون کد (noncoding DNA) نامیده می‌شود که به سلول‌ها کمک می‌کنند اعمال دیگری انجام دهند؛ برای مثال DNA بدون کد ممکن است ژنهای ما را به بالا یا پایین برگرداند. حدود 98 تا 99 درصد DNA ما بدون کد است.

همیار DNA در انجام وظایف خود، RNA است: ریبونوکلئیک اسید که آن نیز در هر سلولی یافت می‌شود. RNA کپی هایی از توالی های DNA است که دستورالعمل های DNA را خوانده و به بیرون از هسته و به درون سلول منتقل می‌کنند. RNA برای ساخته شدن پروتئن لازم است و همچنین در برانگیختن واکنش های شیمیایی و کنترل ژنها یاری می رساند.

ساختار RNA که از روی DNA کپی برداری می شود.

بیشتر DNA در هسته قرار دارد و به نام DNA هسته ای خوانده می شود، بدین معنی که در کروموزومهای هسته قرار دارد. اما بخشی از DNA در مایع احاطه کننده هسته ها در ساختارهایی به نام میتوکوندریا یافت می شود. این DNA میتوکندریایی یا mtDNA به میتوکندری کمک می کند برای سلولها انرژی بسازند. بدین سبب است که میتوکندی ها به نام نیروگاه سلول خوانده می شوند. اما بر خلاف DNA هسته ای که از هر دو والد (پدر و مادر) می‌آید، mtDNA معمولا تنها از مادر به ارث می‌رسد.

انسان و حیوانات تا چه میزان در DNA خود شباهت دارند؟

تمامی موجودات زنده دارای DNA هستند و تمامی مولکولهای DNA حاوی توالی هایی از نوکلئوتیدهای A، C، G و  T هستند که کدهای سازنده پروتئین ها بشمار می روند. تفاوتهای میان گونه ها از ترتیب و طول این توالی های DNA ناشی می‌شود. دانشمندان این تفاوتها را با مقایسه درصد توالی های مشترک میان گونه‌ها مطالعه می‌کنند.

بین انسانها، تشابه 99.9 درصدی ژنوم وجود دارد. در نتیجه تکامل، آرایش دستورالعمل های ژنتیکی در DN ما به سایر حیوانات نیز بسیار شبیه است.

اولین نمونه حیات در کره زمین حداقل 3.77 میلیارد اسل پیش به وجود آمده است. در طول میلیاردها سال، اشکال بطور فزاینده پیچیده‌ای از حیات تکامل یافته و DNA خود را به نسل های بعدی منتقل کرده اند. گونه های حیوانی که نسیت نزدیکی به یکدیگر دارند و در نتیجه به نیاکان مشترکی نزدیک هستند، دستورالعمل های ژنتیکی مشابهی حمل می کنند. حتی اگر تفاوت ظاهری زیادی داشته باشند گونه های با نسبت نزدیک دارای ژنوم بسیار یکسان‌تری نسبت به گونه های دور از هم هستند.

برای مثال ماناتی ها (manatees) که به عنوان گاو دریایی نیز خوانده می‌شوند، پیکرهایی دارند که برای زندگی در آب تطابق یافته است. اما حتی ماناتی ها که بیشتر شبیه فک‌ها و شیرماهی ها هستند، عملا نسبت نزدیکتری با فیل ها دارند. و نزدیکترین خویشاوند فک ها و شیرماهی ها در میان حیوانات زمینی خرس ها هستند!

ماناتی ها یا گاوهای دریایی

به استثنای انسانهای مدرن (هومو ساپی ینس) تمام گونه ها در درخت خانواده انسانها مدت درازی است که منقرض شده اند. نزدیکترین خویشاوند زنده ما نخستی ها هستند – یعنی شامپانزه ها (پان تروگلو دایتس) و بونوبوها (پان پانیسکوس). تا همین اواخر دانشمندان بر این باور بودند که شمپانزه ها و انسانها 98.8 درصد ژنهای مشترک دارند. لیکن پژوهشگران اخیرا به این نتیجه رسیده اند که بخشی از DNA این موجودات را براحتی نمی توان مقایسه کرد و شباهت حدود 90 درصد به حقیقت نزدیکتر است.

حیوانات غیرنخستی نیز ژنهای مشترک زیادی با انسانها دارند. موش و انسانها هر دو پستاندار و مهره دار هستند. بطور میانگین بخشهای ژنوم انسان و موش که پروتئین ها را رمزگذاری می کنند حدود 85 درصد مشابه هم هستند. در مقام مقایسه ما 70 درصد ژنهای خود را با ماهی گورخری، موجود دیگری که در آزمایشگاهها مطالعه می شود مشترک هستیم.

گرگوآر مندل: یک نام بزرگ

زمینه ژنتیک مدرن در آزمایشات گیاهان ریشه دارد که توسط دانشمند پیشرو گرگور یوهان مندل (1822-1884) انجام پذیرفت. در 1865 مندل مطالعه ای جامع بر روی وراثت را آغاز کرد و در این راه با گیاه نخود تجاربی انجام داد. ویژگیهای فیزیکی در گیاه نخود را بسادگی می توان مشاهده کرد. برای مثال نخودها می توانند صاف یا موجدار باشند، گلها می توانند ارغوانی یا سفید باشند و گیاهان نخود کوتاه یا بلند هستند.

مندل هفت ویژگی مختلف را برای مشاهده در گیاهان انتخاب کرد. برای مطالعه نحوه وراثت این ویژگی‌ها، او با انتقال گرده میان گیاهان نخود رگه‌های مختلط (هیبرید) با ویژگی‌های مختلف ایجاد کرد. سپس این امر را تحت مشاهده قرار داد که کدام ویژگی‌ها در رگه های مختلط به نسل بعدی گیاهان منتقل شده و کدامیک به ارث نرسیده یا در نسل های متوالی مشاهده نمی شوند.

در آن زمان بیشتر دانشمندان بر این باور بودند که ویژگی های فرزندان ترکیبی از ویژگی های والدین آنها هستند. بنابراین با این منطق گیاهان دارای گلهای ارغوانی روشن که با گیاهان گل سفید آمیزش می یابند گیاهان مختلطی با گلهای بنفش تولید خواهند کرد. به عبارت دیگر رگه های هر والد وزن یکسانی در تعریف ویژگی های فرزندان خواهند داشت.

آزمایشات مندل حقیقت دیگری را ثابت کرد. او نشان داد که برخی ویژگی ها غالب هستند و دستورالعمل های ژنتیکی دیگر را بی اثر می کنند. اگر تنها یک والد دارای ویژگی غالب باشد، مانند گلهیا ارغوانی، فرزند آنان نیز این ویژگی را خواهد داشت. در مقام مقایسه ویژگی مغلوب تنها در صورتی به فرزند به ارث خواهد رسید که هر دو والد دارای آن باشند.

مندل نه سال بر روی پروژه مطالعات گیاهان نخود وقت صرف کرد. او حدود 28 هزار گیاه نخود را پرورش داد و بدقت مشاهده کرد. او رگه های مختلطی ایجاد کرد که ویژگی های مختلفی در آنها ترکیب شده بود. الگوی ویژگی های غالب و مغلوب در تمام مشخصات مورد آزمایش مندل کاربرد یافته بود.

در حالی که دستاوردهای علمی مندل در زمان زندگی اش بدرستی شناخته نشد، امروزه او را پدر علم ژنتیک می دانند. پژوهش های او دیدگاه ساده ای از نحوه وراثت ویژگی ها ارائه داد. از آن زمان زمینه ژنتیک سازوکارهای پیچیده ای را برملا ساخته است که ویژگی ها را کنترل می کنند از جمله تاثیری که محیط یک سازواره بر او می گذارد.

چگونه DNA تبار شما را بر ملا می سازد؟

آزمایش تبار ژنتیکی که به عنوان دودمان شناسی ژنتیکی نیز نامیده می شود روشی برای ردیابی تاریخچه خانوادگی از طریق DNA است. در طول زمان، تغییرات ژنتیکی در گروههایی از افراد روی می دهد. این تغییرات به نسل های بعدی منتقل شده و در آن مناطق جغرافیایی ماهیتی منحصر بفرد دارند. دارا بودن یک واریته در DNA شما به این معنا است که نیاکان شما از ناحیه جغرفیایی آمده اند که این واریته در آنجا غالب است.

کیت های تجاری موجود می توانند در شناسایی نیاکان وراثتی فرد کمک کنند. کاربران DNA خود را در نمونه بزاق خود به آزمایشگاهها تحویل می دهند که با نمونه DNA در پایگاههای داده بزرگ مقایسه می شود. تغییرات ژنتیکی در کروموزوم Y، کروموزوم جنسی جنس نر جیتجو می شود تا نیاکان سمت پدری مشخص شود. همچنین آزمایشگران ممکن است به جستجوی تطابق با DNA میتوکندریایی بپردازند که مشخص کننده نیاکان مادری است. سایر آزمونها به مطالعه واریته هایی به نام پلی مریزم تک نوکلئوتیدی (SNP) که عبارت است تفاوت ها در یک حرف یک ژن معین است و در نتیجه در کل ژنوم روی می دهد. حتی DNA ها می توانند بگویند آیا در میان نیاکان خود یک نئاندرتال داشته اید یا نه. نئاندرتالها نزدیکترین خویشاوند انسان هوشمند هستند که حدود 40 هزار سال پیش منقرض شده اند. اما هزاران سال پیش نئاندرتالها با هوموساپی ینس ها در بخش هایی از اروپا و آسیا امتزاج نموده اند. در انسانهای این نواحی ردپایی از ژن های نئاندرتالها دیده می شود.

ژنها تنها بخشی از خصوصیات ظاهری فرد را شکل می‌دهند. محیط، سبک زندگی و سایر عوامل نیز بر سلامتی کلی و ظاهر افراد و تمایز میان آنها تاثیر می گذارند.

https://www.livescience.com/health/genetics/genetics-how-do-we-inherit-traits-from-our-ancestors

اتم‌ها از کجا آمده‌اند؟

دانستن منشا اتم‌ها یکی از پرسش‌های بنیادین فیزیک است، زیرا هر جسم دارای جرم از اتمها ساخته شده است.

جستجوی پاسخ این پرسش نیاز به دانش فیزیکی عالی دارد و تازه در این حالت، فیزیکدانان تنها می‌توانند حدسهایی درباره آن ارائه کنند.

اتم چیست؟

یک اتم از مرکزی سنگین به نام هسته تشکیل شده که خود از ذراتی به نام پروتون و نوترون ساخته شده است. یک اتم دارای ذرات سبکتری به نام الکترون است که به دور هسته می گردند. الکترونها دارای یک واحد بار منفی هستند در حالی که پروتونها یک واحد بار مثبت داشته و نوترونها فاقد بار هستند. تعداد پروتونها و الکترونهای یک اتم عادی برابر است بنابراین اتم در حالت عادی فاقد بار است.

[البته این یک مدل برای تشریح ساختار اتم است. اتمها قابل مشاهده مستقیم نیستند زیرا بسیار کوچکند. اما شواهد بیشماری برای معتبر دانستن این مدل وجود دارد. در سالیان اخیر برخی فنون تصویربرداری به تهیه تصویر مستقیم شبکه بلوری فلزات متشکل از اتمهایی که در مکان های ثابت و دقیقی قرار گرفته اند کمک کرده است. به تصویر زیر مراجعه شود – مترجم اصغر ناصری]

 

تصویری که دانشمندان دانشگاه کورنل با استفاده از نوع خاصی تصویربرداری به کمک میکروسکوپ الکترونی از شبکه بلوری مولکول Praseodymium orthoscandate (PrScO₃) با بزرگنمایی 100 میلیون برابر تهیه کرده اند. منبع:

https://www.sciencealert.com/this-stunning-image-is-the-highest-resolution-weve-ever-seen-atoms

هم اکنون بیشتر اتمهای موجود در جهان از دو نوع ساده ترین آنها تشکیل شده اند: هیدروژن که تنها یک پروتون در هسته و یک الکترون در مدار خود دارد و هلیم که دارای دو پروتون، دو نوترون و دو الکترون است.

نخستین اتمها از کجا آمده اند؟

بیشتر هیدروژن و هلیوم سازنده دنیا حدود 400 هزار سال پس از مهبانگ (Big Bang) بوجود آمده اند، واقعه ای که به باور دانشمندان در 14 میلیارد سال پیش عالم را پدید آورد. در زمان پیدایش اتمهای هیدروژن و هلیوم دنیا 1000 بار کوچکتر از اندازه امروزین خود بود. در آن زمان دمای کلی عالم به میلیاردها درجه سلسیوس بالغ می شد و الکترونها پر انرژی تر از آن بودند که در مدارهایی به دور اتمها مستقر شوند. طی فرایند بازترکیب (recombination) دمای عالم به حدود 2760 درجه سلسیوس افت کرد و آنگاه بیشتر اتمهای هیدروژن و هلیوم شکل گرفتند.

البته هسته های هلیوم و دوتریوم (شکل سنگین تری از هیدروژن که یک پروتون و یک نوترون در هسته خودد دارد) تنها چند دقیقه پس از مهبانگ بوجود آمدند، زمانی که دمای جهان بالای 556 میلیون درجه سلسیوس بود. پروتونها و نوترونها تنها در این دماهای بسیار بالا می توانستند با هم برخورد کرده و تشکیل هسته دهند. دانشمندان بر این باورند که تقریبا تمامی ماده معمولی در جهان از حدود 90 درصد اتمهای هیدروژن و 8 درصد اتمهای هلیوم تشکیل شده است.

اتمهای سنگین تر از کجا آمده اند؟

بنابراین اتمهای هیدروژن و هلیوم در طی مرحله بازترکیب و زمانی بوجود آمدند که دمای پایین تر عالم، امکان قرار گرفتن الکترونها در مدارهای پایدار را فراهم ساخت. اما در روی زمین اتمهای بسیار سنگین تری نیز وجود دارند. اما آنها از کجا آمده اند؟

پاسخ شگفت این است که اتمهای سنگین تر در ستاره ها شکل گرفته اند. برای اینکه اتمهایی با تعداد پروتون و نوترون بسیار بیشتر شکل بگیرند احتیاج به برخوردهایی هست که تنها در مکانهای بسیار داغ جهان می تواند روی دهد. انرژی مورد نیاز برای شکل گرفتن یک هسته سنگین تر باید آنقدر زیاد باشد که بر نیروی رانش الکتریکی بین پروتونهای با بار مثبت غلبه کند. بین پروتونها و نوترونها نوعی جاذبه بسیار قدرتمند نیز وجود دارد که وقتی آنها بسیار به هم نزدیک شدند رخ می نماید. این خاصیت به نیروی قوی موسوم است و فرایند جوش خوردن پروتونها و نوترونها نیز همجوشی یا فیوژن نام دارد. دانشمندان بر این باورند که بیشتر عناصر سنگین تر از کربن تا آهن در ستارگانی سنگین تر از خورشید ما شکل گرفته اند که دمای مرکز آنها می تواند از 556 میلیون درجه سلسیوس فراتر رود، یعنی دمایی که هنگام نوزادی جهان، زمانی که تنها چند دقیقه از عمرش می گذشت وجود داشته است.

اما حتی در ستارگان بسیار داغ، هسته مرکزی ستاره پس از اینکه سوخت هیدروژن آن به پایان رسید فرو ریزش می کند (رمبش گرانشی). در طی انفجار بسیار عظیمی که به دنبال این رمبش می آید، عناصری سنگینتر از آهن نیز ممکن است تشکیل شده و به سوی عرصه کیهان پرتاب شوند.

ستاره شناسان هنوز در جستجوی علت دقیق فرایندهای ستاره ای شگفت آوری هستند که تشکیل اتمهای بزرگتر را امکان پذیر می‌سازند. برای مثال برخورد ستارگان نوترونی می تواند مقادیر سترگی انرژی آزاد سازد و به پیدایش عناصری مانند طلا بیانجامد. برخی از جسیم ترین ستارگان در مسیر تبدیل به سیاهچاله عناصری بسیار سنگین تولید می کنند.

درک نحوه پیدایش اتمها نیاز به دانستن مقداری نسبیت عام و نیز مقداری فیزیک هسته ای، ذره ای و اتمی دارد. در اینجا یکی از رازهای سر به مهر جهان هستی قد علم می کند: چیزهای دیگری در جهان بیکران وجود دارند که بنظر می رسد از اتمهای عادی ساخته نشده اند. این به اصطلاح "ماده تاریک" هنوز یکی از چالش برانگیزترین رازهای علمی است که در برابر ما قرار دارد.

https://www.livescience.com/physics-mathematics/where-do-atoms-come-from-a-physicist-explains

پیری: با گذشت عمر چه اتفاقی برای بدن می افتد؟

پیری فرآیند گذر عمر است. در زیست‌شناسی، پیری به این معنی است که چگونه سلول‌های بدن ما به مرور زمان فرسوده شده یا آسیب می‌بینند. آنها دیگر مانند گذشته کار نمی‌کنند.

برخی از نشانه‌های قابل مشاهده پیری شامل پوست چروکیده؛ موهای خاکستری یا سفید؛ و لکه‌های تیره، به نام لکه‌های پیری، روی دست‌ها و صورت است. اما پیری بر هر قسمت از بدن، از جمله قسمت‌های داخلی که از بیرون نمی‌توانیم ببینیم، تأثیر می‌گذارد. عملکرد اندام‌ها و بافت‌ها، توانایی‌های جسمی و ظرفیت ذهنی، همگی با افزایش سن تغییر می‌کنند.

برخی از محققان می‌گویند که پیری حتی قبل از تولد، زمانی که اولین سلول‌های جنین در رحم تشکیل می‌شوند، شروع می‌شود. در کودکان و افراد جوان، سلول‌های آسیب دیده یا در حال مرگ معمولاً خیلی سریع جایگزین می‌شوند. با این حال، با افزایش سن، بدن آنها زمان بیشتری برای ترمیم یا جایگزینی آن سلول‌های ناکارآمد نیاز دارد. سرعت پیری و نحوه تغییر آن در بدن و مغز می‌تواند از فردی به فرد دیگر بسیار متفاوت باشد.

پنج واقعیت مفید و مختصر در مورد پیری

·       با افزایش سن بعضی از مردان ، ابروهایشان طولانی تر و  پرپشت تر می شوند. مردان مسن نیز ممکن است شروع به رشد موهای بلند روی گوش و در بینی خود کنند. این امر به این دلیل است که هورمونهای خاصی در مردان با افزایش سن افزایش می یابند و رشد غیرمعمول مو را تحریک می کنند.

·       برخی از افراد "ابرجوان" هستند و این بدان معنی است که مغز آنها آهسته تر از حد متوسط پیر می شود. مغز افراد ابرجوان در دهه 80 خود شبیه به افرادی است که ده ها سال جوان تر هستند.

·       تصور می شد که قدیمی ترین فرد جهان ژان کالمنت ، یک زن فرانسوی است که 122 سال و 164 روز زندگی کرد. اما این موضوع مورد مناقشه است ، زیرا برخی فکر می کنند سوابق سنی کالمنت جعلی بوده است.

·       مردم غالباً با پیر شدن "کوچک می شوند". بین سنین 30 تا 70 سال ، طبیعی است که حدود 12 تا 25 سانتی متر ارتفاع از دست بدهند.

·       دانشمندان هنوز مطمئن نیستند که یک انسان در شرایط ایده آل چه مدت زندگی می کند. برخی می گویند 150 سال عمر محدودیت مطلق است ، در حالی که برخی دیگر فکر می کنند انسان می تواند بیشتر نیز عمر کند.

چه عواملی باعث پیری می شود؟

تمام سلولهای بدن سرانجام تجزیه می شوند و می میرند. با گذشت سالها و دهه ، سلول ها آهسته تر تقسیم شده و کارآمدتر می‌شوند. غشای سلولها سفت می شوند ، که بر جریان مواد مغذی و اکسیژن و همچنین حذف دی اکسید کربن ، یک محصول زائد، تأثیر می‌گذارد. ترمیم قطعات آسیب دیده بدن بیشتر طول می کشد ، و اندام ها به همان اندازه سابق کار نمی کنند.

آنچه ما "پیری" می نامیم بیشتر در اثر آسیب به سلول ها و مولکول ها مانند DNA در بدن به مرور زمان ایجاد می شود.

 

بنا به گفته سازمان جهانی بهداشت جامعه ای که حدود 14 درصد افراد آن بالای 65 سال سن داشته باشند، یک جامعه پیر محسوب می شود. هنگ کنگ با 20 درصد افراد بالای 65 سال یک جامعه ابر پیر است.

برخی از علائم پیری می تواند نحوه نگاه ما را تغییر دهد. غضروف ، ماده انعطاف پذیر که گوش و بینی ما را شکل می دهد ، با افزایش سن ، نرم و نرمتر می شود. این باعث می شود بینی و گوش افراد مسن بزرگتر از افراد جوانتر به نظر برسد. کاهش توده عضلانی و استخوان در بدن های قدیمی تر ، هم قدرت و هم قد را کاهش می دهد.

در مغز پیر ، میلین - ماده ای چرب که الیاف عصبی را در بر می گیرد - از بین می رود. در نتیجه ، ارتباط بین سلولهای مغزی به نام نورونها تجزیه می شود. این امر می تواند بازیابی خاطرات یا ساختن موارد جدید را برای افراد مسن سخت تر کند.

چرا پوست با افزایش سن ، چروکیده می شود؟

با بزرگتر شدن افراد ، یکی از بارزترین تغییرات در پوست آنها روی می دهد. چین و چروک ها به خصوص در اطراف چشم ، دهان و پیشانی رشد کرده و عمیق می شوند. پوست کشیده تر می شود. شروع به چسبیدن و ایجاد چین و چروک می کند ، به خصوص روی صورت ، گردن و بازوها.

پوست قدیمی تر از پوست جوان تر خشک تر است. درمیس یا لایه میانی پوست، نازک تر می شود. در درمیس ، شبکه ای از الیاف باعث می‌شود که پوست جوان کشیده شود ، اما با گذشت زمان ، این شبکه از الیاف شل تر می شود. سطح پوست به اندازه گذشته صاف نیست و چین و شکن هایی شکل می گیرد.

علاوه بر پیری ، عادات خاصی می توانند چین و چروک ها را زودتر یا سریعتر شکل دهند. به عنوان مثال ، آلودگی ، سیگار و سیگارهای الکترونیکی (ویپ ها) حاوی سمومی است که پوست را کم آب می کند و به رگ های خونی که اکسیژن را به سلول های پوستی منتقل می کنند ، آسیب می رسانند. این می تواند منجر به چین و چروک و علائم دیگر پیری در پوست شود.

قرار گرفتن در معرض آفتاب همچنین می تواند پروتئینی به نام کلاژن را در پوست تجزیه کند و باعث ایجاد چین و چروک شود ، به خصوص در افرادی که پوست سبک تری دارند که به راحتی می سوزند. خورشید نوع مضری از تابش به نام نور ماوراء بنفش یا اشعه ماوراء بنفش را آزاد می کند و هنگامی که اشعه ماوراء بنفش باعث می شود پوست سریعتر از آنچه لازم است پیر شود ، به عنوان "پیری تصویری" شناخته می شود.

چرا شنیدن و بینایی با افزایش سن بدتر می شود؟

شنیدن و بینایی طبیعی است که با افزایش سن تا حدودی تغییر کند. ژنتیک ، بیماری و عوامل محیطی می توانند سرعت پیرشدن را افزایش دهند. کاهش چشمگیر یا ناگهانی شنوایی یا بینایی می تواند نشانه ای از یک مشکل جدی تر باشد و باید توسط پزشک معاینه شود.

شایع ترین نوع کاهش شنوایی مربوط به سن ، presbycusis  نامیده می شود. این به تدریج در هر دو گوش اتفاق می افتد و ناشی از آسیب به گوش داخلی است که حاوی سلولهای مهم برای شنوایی است.

در حلزون گوش، - یک ساختار پر شده از سیال در گوش داخلی- موهای ریز به هدایت صدا کمک می کنند. این موها به مرور زمان از  بین می روند. سرانجام ، آنها دیگر بازسازی نمی شوند ، که به نوبه خود ، شنوایی را بدتر می کند. سایش طبیعی و پارگی پرده صماخ گوش یا استخوان های کوچک در گوش میانی می تواند با ایجاد اختلال در هدایت صدا درون حلزون ، شنوایی را بدتر کند. موم گوش نیز با افزایش سن چسبناک تر می شود ، که می تواند کانال گوش را مسدود کرده و شنیدن اصوات را سخت تر کند.

بینایی همچنین با افزایش سن بدتر می شود. چشم ها بعد از 40 سالگی به دلیل تغییر در غده هایی که باعث ایجاد اشک می شوند اشک کمتری ایجاد می کنند. بعلاوه ، عضلات چشم را به طور کامل مانند گذشته نمی چرخانند ، و این باعث کاهش دید پیرامونی افراد می شود (بخشی از بینایی که به شما امکان می دهد طرفین را ببینید).

پدهای چربی که مانند ضربه گیر برای چشم ها عمل می کنند مسطح شده و باعث می شود که چشم ها به داخل فرو روند. مردمکها که برای کنترل میزان ورود نور به چشم، گسترش یا منقبض می شوند، آهسته تر واکنش نشان می دهند. عدسی چشم ، که نور را متمرکز می کند، انعطاف پذیری را از دست می دهند. این می تواند باعث Presbyopia یا مشکل در تمرکز روی اشیاء نزدیک شود. از آنجا که پروتئین های موجود در عدسی چشم در حال تجزیه هستند ، عدسی زرد می شود و ممکن است کدر شود ، وضعیتی که آب مروارید نامیده می شود.

آیا پیری بعد از سن مشخص سرعت می یابد؟

اگرچه پیری در سراسر عمر انسان اتفاق می افتد، سرعت آن متفاوت است. در بعضی مواقع ، به نظر می رسد رشد پیری سرعتی انفجاری می یابد.

در سال 2019 ، دانشمندان با دیدن چگونگی تغییر مواد در خون افراد با افزایش سن ، میزان پیری را ردیابی کردند. محققان نمونه خون را از 4200 نفر در سنین 18 تا 95 سال جمع آوری کردند و سپس از پروتئین های خون برای نقشه برداری از بدنهای در حال پیر شدن استفاده کردند. به طور متوسط ، پیری در سه مقطع مختلف به طور قابل توجهی سرعت یافت: در حدود 34 ، 60 و 78 سالگی.

چند سال بعد ، تیم دیگری از دانشمندان با جستجوی مولکولهای دیگری در بدن انسان ، میزان پیری را ردیابی کردند. آنها همچنین تغییرات در میکروبیوم انسانی را ( جامعه باکتری ها ، قارچ ها و ویروس هایی که در بدن ما ساکن هستند) بررسی کردند. این محققان دریافتند که سرعت پیری در دو بار به اوج رسیده است: حدود 44 سال و حدود 60 سال. تصور می شود این تغییرات بر سلامت کلی تأثیر می گذارد. در هر دو این نقاط عطف ، مولکول های مرتبط با بیماری ناشی از قلب تغییرات قابل توجهی را نشان دادند. وقتی مردم وارد دهه 60 خود می شوند ، تغییر حتی چشمگیرتر است. در حدود 60 سالگی ، سیستم ایمنی بدن به سرعت تضعیف می شود و اثربخشی آن در مبارزه با عفونت و بیماری کمتر می شود.

تحقیقات دیگر نشان داده است که در حدود 60 سالگی ، افراد قدرت و توده عضلانی را از دست می دهند. لوله هایی که خون از طریق آنها حرکت می کند سخت تر شده، و قلب برای پمپاژ خون باید بیشتر کار کند. عضلات قلب تغییر می کند ، و قلب به همان سرعتی که در طول ورزش می زد ضربان نخواهد داشت. این امر، خطر فشار خون بالا را ایجاد می کند که می تواند باعث آسیب و مشکلات سلامتی شود.

آیا راهی برای معکوس یا متوقف کردن پیری وجود دارد؟

همه سلولها پیر شده و می میرند ، و به طور کامل نمی توان از پیری جلوگیری کرده یا آن را متوقف ساخت. اما برخی از جنبه های پیری را می توان کند کرد. برای بسیاری از افراد ، برخی از انتخاب های سبک زندگی به تأخیر یا جلوگیری از برخی از انواع آسیب ها و بیماری های مرتبط با افزایش سن کمک می کند.

ورزشهای هوازی، مانند دویدن و شنا، باعث افزایش سلامتی در سنین بالا می شوند. ورزش چندین بار در هفته ممکن است به جلوگیری از حملات قلبی و سکته مغزی کمک کند. ورزش منظم همچنین می تواند به جلوگیری از دیابت نوع 2 کمک کند ، شرایطی که در آن قند بیش از حد در خون فرد متمرکز می شود. تمرینات قدرتی باعث ایجاد توده عضلانی و کاهش احساس ضعف می شود و ثبات و تعادل را بهبود می بخشد ، همه این موارد می تواند از افت تهدید کننده سلامتی جلوگیری کند. خوردن غذاهای سالم مانند سبزیجات،  غلات کامل و پروتئین های سبک با سلامتی بهتر و افزایش طول عمر مرتبط است.

برخی از مردم بر این باورند که می توانند با ترفندهای مختلف مانند تزریق خون جوانان در رگهای خود، پیری را درمان کنند. با این حال ، هیچگونه شواهد علمی برای پشتیبانی از این ایده وجود ندارد. از سوی دیگر، دانشمندان در حال مطالعه مولکول ها ، داروها و واکسن هایی هستند که می توانند به کند شدن روند پیری یا معکوس شدن برخی از اثرات پیری کمک کنند. اما این ایده ها هنوز در مراحل آزمایشی قرار دارند.

منبع:

https://www.livescience.com/health/ageing/aging-what-happens-to-the-body-as-it-gets-older

چرا تمامی اشکال حیات به اکسیژن وابسته هستند؟

نیتروژن تقریبا 78 درصد جو زمین را می‌سازد. پس چرا بیشتر اشکال زندگی اکسیژن تنفس می‌کنند؟

ما به اکسیژن به عنوان زندگی، معاش و تنفس هوای تازه می اندیشیم. اما اکسیژن به واقع ماده ای بسیار فعال و واکنش دهنده است. هر کس که سوختن یک تکه چوب در هوای آزاد را دیده باشد بر این نکته واقف است. اما چرا بیشتر اشکال حیات اکسیژن تنفس می‌کنند؟

شاید هزاران نوع واکنش سوخت و ساز یا متابولیسم وجود دارد که نگهدارنده زندگی هستند. تقریبا تمامی یوکاریوت ها، موجوداتی که سلولهای آنها دارای هسته هستند، و تعداد زیادی از پروکاریوتها (موجوداتی با سلول فاقد هسته) از اکسیژن استفاده می‌کنند.

در اینجا درباره هتروتروفها صحبت می کنیم، سازواره هایی شامل انسانها که مواد غذایی خود را از طریق مصرف سایر مواد آلی بدست می‌آورند. در طرف مقابل اتوتروفها مانند گیاهان سبز هستند که کربن مورد نیاز خود را از دی اکسید کربن هوا بدست می آورند.

هتروتروفها ماده آلی موجود در غذا را با گرفتن الکترونهای مولکول آنها تجزیه می کنند. این الکترونها در غشای میتوکندری، اندامک مسئول تنفس سلولی، از آنزیمی به آنزیم دیگر عبور می کنند و یک جریان کوچک ایجاد می کنند که پروتونها را از غشای اندامک عبور می دهد. اکسیژن با الکترونگاتیوه بالای خود به عنوان ایستگاه پایانی در این زنجیره انتقال الکترون عمل می کند و با پذیرش الکترونها و گرفتن دو پروتون، یک مولکول آب تشکیل می دهد.

این فرایند منبعی از پروتونها ایجاد می کند که از طریق یک کانال پروتئینی در غشا جریان یافته و مانند یک سد برقابی کوچک عمل می کنند. و هماند یک توربین، پروتئین انرژی را به شکل مولکول آدنوزین تری فسفات (ATP)  سنتز می کند. سپی سلول می تواند از این بسته های انرژی استفاده کرده یا آنها را به سایر نقاط کالبد بفرستد تا کارهای مختلف متابولیسم انجام شود.

حیات می تواند از پذیرنده های الکترون دیگری مانند سولفات، نیترات و آهن نیز استفاده کند اما اکسیژن عالی ترین الکترون خواه موجود است. تنها فلوئور می تواند سطوح بالاتری از انرژی فراهم کند لیکن فلوئور در تماس با ماده آلی بطور انفجاری عمل می‌کند و قابل تنفس نیست. این ماده سمی نیز هست. تنفس هوازی هیچ ماده سمی تولید نمی کند و محصول آن آب و دی اکسید کربن است. اما اکسیژن می تواند اجزای سلولی هم مانند DNA را تخریب کند. به همین دلیل آنتی اکسیدانها برای سلامتی مناسب هستند.

بنابراین اکسیژن مناسب ترین ماده برای جذب الکترون مواد آلی و شکستن آنهاست. در طول تکامل حیات، برخی سلولها دارای قابلیت فتوسنتز شده و بر میزان اکسیژن هوا افزوده اند. مقدار اکسیژن اتمسفر در سالهای نخستین پیدایش حیات بر روی زمین تنها 0.001 درصد بوده ولی با ظهور سیانوباکتری های دارای قابلیت فتوسنتز به تدریج فزونی گرفته تا به میزان کنونی، یعنی 21 درصد هوای موجود برسد.

منبع: 

https://www.livescience.com/chemistry/why-does-nearly-all-life-breathe-oxygen