Anatomia i fizjologia I (Polski)

substancja wszechświata—od ziarnka piasku do gwiazdy—nazywana jest materią., Naukowcy definiują materię jako wszystko, co zajmuje przestrzeń i ma masę. Masa obiektu i jego waga są pojęciami pokrewnymi, ale nie do końca tymi samymi. Masa obiektu jest ilością materii zawartej w obiekcie, a masa obiektu jest taka sama, niezależnie od tego, czy obiekt znajduje się na ziemi, czy w środowisku zerowej grawitacji przestrzeni kosmicznej. Ciężar obiektu, z drugiej strony, jest jego masa jako wpływ na przyciąganie grawitacji. Tam, gdzie grawitacja silnie pociąga za sobą masę obiektu, jego waga jest większa niż w przypadku, gdy grawitacja jest mniej silna., Obiekt o określonej masie waży mniej na Księżycu, na przykład, niż na Ziemi, ponieważ grawitacja księżyca jest mniejsza niż grawitacja Ziemi. Innymi słowy, waga jest zmienna i jest pod wpływem grawitacji. Kawałek sera, który waży funt na Ziemi, waży tylko kilka uncji na Księżycu.

pierwiastki i związki

cała materia w świecie przyrody składa się z jednej lub więcej z 92 podstawowych substancji zwanych pierwiastkami., Pierwiastek jest czystą substancją, która odróżnia się od wszystkich innych materii tym, że nie może być utworzona lub rozbita zwykłymi środkami chemicznymi. Podczas gdy twoje ciało może zebrać wiele związków chemicznych potrzebnych do życia z ich elementów składowych, nie może tworzyć elementów. Muszą pochodzić ze środowiska. Znanym przykładem pierwiastka, który musisz wziąć jest wapń (Ca++). Wapń jest niezbędny dla ludzkiego organizmu; jest wchłaniany i stosowany w wielu procesach, w tym wzmacnianiu kości., Podczas spożywania produktów mlecznych układ trawienny rozkłada żywności na składniki na tyle małe, aby przejść do krwiobiegu. Wśród nich jest wapń, który, ponieważ jest pierwiastkiem, nie może być dalej rozkładany. Wapń pierwiastkowy w serze jest zatem taki sam jak wapń, który tworzy kości. Niektóre inne elementy, które możesz znać, to tlen, sód i żelazo. Pierwiastki w organizmie człowieka są pokazane w tabeli 1, począwszy od najliczniejszych: tlen( O), węgiel (C), Wodór (H) i azot (N)., Nazwę każdego elementu można zastąpić jedno – lub dwuliterowym symbolem; niektóre z nich poznasz podczas tego kursu. Wszystkie elementy w organizmie pochodzą z pokarmów, które jesz i powietrza, którym oddychasz.

w przyrodzie elementy rzadko występują same. Zamiast tego łączą się tworząc związki. Związek jest substancją złożoną z dwóch lub więcej pierwiastków połączonych wiązaniami chemicznymi. Na przykład związek glukoza jest ważnym paliwem organizmu. Składa się zawsze z tych samych trzech pierwiastków: węgla, wodoru i tlenu., Co więcej, elementy składające się na dany związek zawsze występują w tych samych ilościach względnych. W glukozie zawsze jest sześć jednostek węgla i sześć jednostek tlenu na każde dwanaście jednostek wodoru. Ale czym dokładnie są te „jednostki” elementów?

atomy i cząstki subatomowe

atom jest najmniejszą ilością elementu, który zachowuje unikalne właściwości tego elementu. Innymi słowy, atom wodoru jest jednostką wodoru—najmniejszą ilością wodoru, jaka może istnieć. Jak można się domyślić, atomy są prawie niezgłębione., Okres na końcu tego zdania to miliony atomów.

struktura i energia atomów

Atomy składają się z jeszcze mniejszych cząsteczek subatomowych, których trzy typy są ważne: proton, neutron i elektron. Liczba dodatnio naładowanych protonów i nie naładowanych („neutralnych”) neutronów daje masę atomowi, a liczba każdego z nich w jądrze atomu określa pierwiastek. Liczba ujemnie naładowanych elektronów, które „wirują” wokół jądra z prędkością zbliżoną do prędkości światła, równa się liczbie protonów., Elektron ma około 1 / 2000th masy protonu lub neutronu.

Rysunek 1 pokazuje dwa modele, które mogą pomóc ci wyobrazić sobie strukturę atomu—w tym przypadku helu (He). W modelu planetarnym dwa elektrony helu są pokazane wokół jądra na stałej orbicie przedstawionej jako pierścień. Chociaż model ten jest pomocny w wizualizacji struktury atomowej, w rzeczywistości elektrony nie poruszają się po stałych orbitach, ale wirują wokół jądra nieregularnie w tzw. obłoku elektronowym.

Rysunek 1. Dwa modele struktury atomowej., (a) w modelu planetarnym elektrony helu są pokazane na stałych orbitach, przedstawianych jako pierścienie, w precyzyjnej odległości od jądra, nieco jak planety krążące wokół Słońca. (b) w modelu chmury elektronowej elektrony węgla są pokazane w różnych miejscach, które mają w różnych odległościach od jądra w czasie.

protony i elektrony atomu przenoszą ładunki elektryczne. Protony ze swoim ładunkiem dodatnim noszą oznaczenie p+. Elektrony, które mają ładunek ujemny, są oznaczone e–. Neutrony atomu nie mają ładunku: są elektrycznie neutralne., Tak jak magnes przykleja się do stalowej lodówki, ponieważ ich przeciwne ładunki przyciągają, dodatnio naładowane protony przyciągają ujemnie naładowane elektrony. To wzajemne przyciąganie daje atom pewną stabilność strukturalną. Przyciąganie przez dodatnio naładowane jądro pomaga utrzymać elektrony z daleka. Liczba protonów i elektronów w atomie neutralnym jest równa, a więc ładunek ogólny atomu jest zrównoważony.

liczba atomowa i liczba masowa

atom węgla jest unikalny dla węgla, ale proton węgla nie jest., Jeden proton jest taki sam jak drugi, niezależnie od tego, czy znajduje się w atomie węgla, sodu (Na), czy żelaza (Fe). To samo dotyczy neutronów i elektronów. Co zatem nadaje pierwiastkowi jego charakterystyczne właściwości—co sprawia, że węgiel tak różni się od sodu czy żelaza? Odpowiedzią jest unikalna ilość protonów, które każdy zawiera. Węgiel z definicji jest pierwiastkiem, którego Atomy zawierają sześć protonów. Żaden inny pierwiastek nie ma dokładnie sześciu protonów w swoich atomach. Co więcej, wszystkie atomy węgla, niezależnie od tego, czy znajdują się w wątrobie, czy w bryle węgla, zawierają sześć protonów., Tak więc liczba atomowa, która jest liczbą protonów w jądrze atomu, identyfikuje pierwiastek. Ponieważ atom zwykle ma taką samą liczbę elektronów jak protony, liczba atomowa identyfikuje zwykłą liczbę elektronów, jak również.

w swojej najczęstszej postaci wiele pierwiastków zawiera również taką samą liczbę neutronów jak protony. Najczęściej spotykana forma węgla, na przykład, ma sześć neutronów i sześć protonów, w sumie 12 cząstek subatomowych w jądrze. Liczba masowa pierwiastka jest sumą liczby protonów i neutronów w jego jądrze., Tak więc najczęstszą formą liczby masowej węgla jest 12. (Elektrony mają tak małą masę, że nie przyczyniają się znacząco do masy atomu.) Węgiel jest pierwiastkiem stosunkowo lekkim. Uran (U) ma natomiast numer masowy 238 i jest określany jako metal ciężki. Jego liczba atomowa wynosi 92 (ma 92 protony), ale zawiera 146 neutronów; ma największą masę ze wszystkich naturalnie występujących pierwiastków.,

układ okresowy pierwiastków, pokazany na rysunku 2, jest wykresem identyfikującym 92 pierwiastki występujące w przyrodzie, a także kilka większych, niestabilnych pierwiastków odkrytych eksperymentalnie. Pierwiastki są ułożone według ich liczby atomowej, z wodorem i Helem na górze tabeli, a bardziej masywne pierwiastki poniżej. Układ okresowy jest użytecznym urządzeniem, ponieważ dla każdego pierwiastka identyfikuje symbol chemiczny, liczbę atomową i liczbę masową, organizując pierwiastki zgodnie z ich skłonnością do reakcji z innymi pierwiastkami., Liczba protonów i elektronów w elemencie jest równa. Liczba protonów i neutronów może być równa dla niektórych pierwiastków, ale nie jest równa dla wszystkich.

Rysunek 2. Układ okresowy pierwiastków. (źródło: R. A. Dragoset, A. Musgrove, C. W. Clark, W. C. Martin)

izotopy

chociaż każdy pierwiastek ma unikalną liczbę protonów, może istnieć jako różne izotopy. Izotop jest jedną z różnych form pierwiastka, różniących się od siebie różną liczbą neutronów. Standardowym izotopem węgla jest 12C, powszechnie nazywany węglem dwunastym. 12C ma sześć protonów i sześć neutronów, dla liczby masowej dwunastu., Wszystkie izotopy węgla mają taką samą liczbę protonów, zatem 13C ma siedem neutronów, a 14C osiem neutronów. Różne izotopy pierwiastka mogą być również oznaczone liczbą masową podzieloną (na przykład C-12 zamiast 12C). Wodór ma trzy wspólne izotopy, pokazane na rysunku 3.

Rysunek 3. Izotopy wodoru. Prot, oznaczony jako 1H, ma jeden proton i nie ma neutronów. Jest to najliczniejszy izotop wodoru w przyrodzie. Deuter, oznaczony jako 2H, ma jeden proton i jeden neutron., Trytu, oznaczony jako 3H, posiada dwa neutrony.

izotop zawierający więcej niż zwykle liczby neutronów jest określany jako ciężki izotop. Przykładem jest 14C. izotopy ciężkie są niestabilne, a izotopy niestabilne są radioaktywne. Izotop promieniotwórczy jest izotopem, którego jądro łatwo rozpada się, wydzielając cząstki subatomowe i energię elektromagnetyczną. Różne izotopy promieniotwórcze (zwane również radioizotopami) różnią się okresem półtrwania, czasem, jaki zajmuje połowa dowolnej wielkości próbki izotopu do rozpadu., Na przykład, okres półtrwania trytu-radioizotopu wodoru-wynosi około 12 lat, co wskazuje, że potrzeba 12 lat, aby połowa jąder trytu w próbce rozpadła się. Nadmierne narażenie na radioaktywne izotopy może uszkodzić ludzkie komórki, a nawet spowodować raka i wady wrodzone, ale gdy ekspozycja jest kontrolowana, niektóre izotopy radioaktywne mogą być przydatne w medycynie. Aby uzyskać więcej informacji, zobacz powiązania Zawodowe.

połączenie Zawodowe: radiolog interwencyjny

kontrolowane stosowanie radioizotopów ma zaawansowaną diagnostykę medyczną i leczenie chorób., Radiolodzy interwencyjni są lekarzami, którzy leczą choroby przy użyciu technik małoinwazyjnych z udziałem promieniowania. Wiele schorzeń, które kiedyś mogły być leczone tylko długotrwałą i traumatyczną operacją, można teraz leczyć nie chirurgicznie, zmniejszając koszty, ból, długość pobytu w szpitalu i czas rekonwalescencji dla pacjentów. Na przykład, w przeszłości, jedynymi opcjami dla pacjenta z jednym lub więcej guzów w wątrobie były operacje i chemioterapia (podawanie leków w leczeniu raka)., Niektóre guzy wątroby, jednak, są trudno dostępne chirurgicznie, a inne mogą wymagać chirurga, aby usunąć zbyt dużo wątroby. Co więcej, Chemioterapia jest wysoce toksyczna dla wątroby, a niektóre guzy i tak nie reagują dobrze na nią. W niektórych takich przypadkach radiolog interwencyjny może leczyć nowotwory, zakłócając ich ukrwienie, które są potrzebne, jeśli mają nadal rosnąć. W tej procedurze, zwanej radioembolizacji, radiolog uzyskuje dostęp do wątroby z cienką igłą, gwintowane przez jedno z naczyń krwionośnych pacjenta., Radiolog następnie wstawia małe radioaktywne „nasiona” do naczyń krwionośnych, które dostarczają guzy. W dniach i tygodniach po zabiegu promieniowanie emitowane z nasion niszczy naczynia i bezpośrednio zabija komórki nowotworowe w pobliżu zabiegu.

radioizotopy emitują cząstki subatomowe, które mogą być wykrywane i śledzone za pomocą technologii obrazowania., Jednym z najbardziej zaawansowanych zastosowań radioizotopów w medycynie jest skaner pozytronowej tomografii emisyjnej (PET), który wykrywa aktywność w organizmie bardzo małego wstrzyknięcia radioaktywnej glukozy, cukru prostego, który komórki wykorzystują do energii. Kamera PET ujawnia zespołowi medycznemu, które z tkanek pacjenta pobierają najwięcej glukozy. Tak więc, najbardziej aktywne metabolicznie tkanki pojawiają się jako jasne „gorące punkty” na zdjęciach (Rysunek 4). PET może ujawnić niektóre masy nowotworowe, ponieważ komórki nowotworowe zużywają glukozę w wysokim tempie, aby napędzać ich szybką reprodukcję.,

Rysunek 4. Tomografia komputerowa. PET podkreśla obszary w organizmie, w których występuje stosunkowo wysokie zużycie glukozy, co jest charakterystyczne dla tkanki nowotworowej. Ten PET skan pokazuje miejsca rozprzestrzeniania się dużego guza pierwotnego do innych miejsc.

zachowanie elektronów

w ludzkim ciele Atomy nie istnieją jako niezależne byty. Zamiast tego stale reagują z innymi atomami, tworząc i rozkładając bardziej złożone substancje., Aby w pełni zrozumieć anatomię i fizjologię, musisz zrozumieć, w jaki sposób Atomy uczestniczą w takich reakcjach. Kluczem jest zrozumienie zachowania elektronów.

chociaż elektrony nie podążają sztywnymi orbitami w określonej odległości od jądra atomu, mają tendencję do pozostawania w pewnych regionach przestrzeni zwanych skorupami elektronowymi. Powłoka elektronowa jest warstwą elektronów, które otaczają jądro na wyraźnym poziomie energetycznym.,

Atomy pierwiastków występujących w ludzkim ciele mają od jednej do pięciu powłok elektronowych, a wszystkie powłoki elektronowe posiadają osiem elektronów, z wyjątkiem pierwszej powłoki, która może pomieścić tylko dwa. Taka konfiguracja powłok elektronowych jest taka sama dla wszystkich atomów. Dokładna liczba powłok zależy od liczby elektronów w atomie. Wodór i hel mają tylko jeden i dwa elektrony, odpowiednio., Jeśli przyjrzymy się układowi okresowemu pierwiastków, zauważymy, że wodór i hel są umieszczone same po obu stronach górnego rzędu; są to jedyne pierwiastki, które mają tylko jedną powłokę elektronową (ryc. 5). Druga powłoka jest niezbędna do utrzymania elektronów we wszystkich pierwiastkach większych niż wodór i hel.

Rysunek 5. Powłoki Elektronowe. Elektrony okrążają jądro atomowe na różnych poziomach energii zwanych skorupami elektronowymi. (a) jednym elektronem Wodór tylko w połowie wypełnia swoją powłokę elektronową., Hel ma również pojedynczą powłokę, ale jego dwa elektrony całkowicie ją wypełniają. (b) elektrony węgla całkowicie wypełniają pierwszą powłokę elektronową, ale tylko w połowie wypełniają drugą. (c) Neon, pierwiastek, który nie występuje w ciele, ma 10 elektronów, wypełniających obie jego powłoki elektronowe.

lit (Li), którego liczba atomowa wynosi 3, ma trzy elektrony. Dwie z nich wypełniają pierwszą powłokę elektronową, a trzecia rozlewa się do drugiej powłoki. Druga powłoka elektronowa może pomieścić aż osiem elektronów., Węgiel, z sześcioma elektronami, całkowicie wypełnia pierwszą skorupę, a w połowie wypełnia drugą. Z dziesięciu elektronów, neon (Ne) całkowicie wypełnia swoje dwie powłoki elektronowe. Ponownie, spojrzenie na układ okresowy ujawnia, że wszystkie pierwiastki drugiego rzędu, od litu do neonu, mają tylko dwie powłoki elektronowe. Atomy posiadające więcej niż dziesięć elektronów wymagają więcej niż dwóch powłok. Pierwiastki te zajmują trzeci i kolejny rząd układu okresowego.

czynnikiem, który najsilniej reguluje skłonność atomu do udziału w reakcjach chemicznych, jest liczba elektronów w jego powłoce walencyjnej., Powłoka walencyjna jest zewnętrzną powłoką elektronową atomu. Jeśli powłoka walencyjna jest pełna, atom jest stabilny; co oznacza, że jego elektrony są mało prawdopodobne, aby być odciągnięte od jądra przez ładunek elektryczny innych atomów. Jeśli powłoka walencyjna nie jest pełna, atom jest reaktywny; co oznacza, że będzie reagować z innymi atomami w sposób, który sprawia, że powłoka walencyjna jest pełna. Rozważmy wodór, z jednym elektronem tylko w połowie wypełniającym jego powłokę walencyjną. Ten pojedynczy elektron może być wciągnięty w związki z atomami innych pierwiastków, tak że pojedyncza powłoka walencyjna wodoru może być stabilizowana.,

wszystkie atomy (z wyjątkiem wodoru i Helu z pojedynczymi powłokami elektronowymi) są najbardziej stabilne, gdy w ich powłokach walencyjnych znajduje się dokładnie osiem elektronów. Zasada ta jest określana jako zasada oktetu i stwierdza, że atom zrezygnuje, zyska lub podzieli elektrony z innym atomem, tak że kończy się z ośmioma elektronami we własnej powłoce walencyjnej. Na przykład tlen, z sześcioma elektronami w swojej powłoce walencyjnej, prawdopodobnie reaguje z innymi atomami w sposób, który powoduje dodanie dwóch elektronów do powłoki walencyjnej tlenu, przynosząc liczbę do ośmiu., Gdy dwa atomy wodoru dzielą jeden elektron z tlenem, powstają wiązania kowalencyjne, w wyniku czego powstaje cząsteczka wody, H2O.

w naturze Atomy jednego pierwiastka mają tendencję do łączenia się z atomami innych pierwiastków w charakterystyczny sposób. Na przykład węgiel Zwykle wypełnia swoją powłokę walencyjną, łącząc się z czterema atomami wodoru. W ten sposób oba pierwiastki tworzą najprostszą cząsteczkę organiczną, metan, który jest również jednym z najbardziej obfitych i stabilnych związków zawierających węgiel na Ziemi. Jak wspomniano powyżej, innym przykładem jest woda; tlen potrzebuje dwóch elektronów, aby wypełnić swoją powłokę walencyjną., Zwykle współdziała z dwoma atomami wodoru, tworząc H2O. nawiasem mówiąc, nazwa „Wodór” odzwierciedla jego udział w wodzie (hydro- = „woda”; -gen = „twórca”). Tak więc wodór jest ” wytwórcą wody.”