Příloha č. 4 Vytvořený studijní materiál („verze pro tisk“) masarykova univerzita

Teorie čtyř živlů Základem této teorie (5. – 4. století př. n. l.) byla představa, že svět byl složen ze čtyř základních živlů – Ohně, Vody, Vzduchu a Země. Vedle již zmíněných živlů předpokládal Aristotelés existenci éteru – „božské látky“, která byla nehmotná a nezničitelná. Názvy živlů bylo nutno chápat symbolicky, nikoli doslovně. Čtyři vlastnosti – chladný, mokrý, horký a suchý byly spojeny s čtyřmi živly a charakterizovaly je. Podle Aristotela měl každý živel jednu vlastnost jako hlavní (primární) a druhou jako vedlejší (sekundární). Oheň byl primárně horký, sekundárně suchý. Voda byla primárně chladná, sekundárně mokrá. Vzduch byl primárně mokrý, sekundárně horký. Země byla primárně suchá, sekundárně chladná. Uvedené dvojice vlastnosti živlů objasňovaly také jejich vzájemnou slučitelnost. Například kombinace Oheň + Vzduch byly slučitelné, protože měly společnou vlastnost, že byly oba horké. Kombinace Oheň + Voda byla špatně slučitelná, protože neměly žádnou společnou vlastnost. Čtyři pozemské živly byly nedokonalé a pohybovaly se nahoru a dolů. Přirozený pohyb Země byl sestupný, protože byla velmi těžká. Pohyb Ohně byl vzestupný, neboť byl velmi lehký. Pohyby Vody a Vzduchu byly v souladu s relativní tíží a lehkostí. Živel Voda v sobě skrýval všechny látky, které mohly přejít do kapalného skupenství, tudíž i kovy. Ty, které se mohly vypařovat a byly těkavé, v sobě skrývaly živel Vzduch. Živel Oheň se vztahoval k látkám, které bylo možné spálit. Byl také nositelem tepla a světla. Ostatní nespalitelné a ve vodě nerozpustné látky měly vlastnosti živlu Země.

Termodynamika a termochemie

Již v 17. století vyslovili vědci názor, že teplo je výsledkem rotací a vibrací nepatrných částic látky (R. Hooke, R. Boyle, J. Locke, I. Newton i M. V. Lomonosov a další). Avšak tento dnes přijímaný kinetický názor byl až do poloviny 19. století zatlačován fluidovou teorií. Podle ní byla podstatou tepla nevažitelná všudypřítomná substance - fluidum (též calor, calorique, termogen apod.). Práce tepelných strojů se pak konala přechodem tepelného fluida z místa s vyšší teplotou do místa s nižší teplotou. K zastáncům fluidové teorie patřili např. G. Galilei nebo A. L. Lavoisier.

Důležitým pokrokem bylo v 18. století rozlišení pojmů teplota a množství tepla anglickým chemikem J. Blackem.

A. L. Lavoisier a P. S. Laplace položili základy termochemie a odvodili první termochemický zákon. Tento zákon experimentálně potvrdil ruský chemik H. G. Hess, který roku 1840 formuloval druhý termochemický zákon. Tento empiricky objevený zákon byl později teoreticky vysvětlen objevením zákona o zachování energie a z něj vyplynul závěr, který dnes označujeme první věta termodynamická (1851). Výchozími pracemi pro objev a formulaci druhé věty termodynamické byly práce matematika S. Carnotta o účinnosti tepelných strojů (1824). Její výklad a matematickou formulaci podali v 50. letech R. Clausius a W. Thomson. K matematickému důkazu této věty zavedl Clausius novou veličinu – entropii.

Zpočátku se využívalo závěrů druhé věty termodynamické k výpočtům týkajícím se tepelných strojů, později začala zasahovat termodynamika do chemie a chemické technologie. Práce A. Horstmanna, J. W. Gibbse, H. Helmholtze, J. H. van´t Hoffa, S. A. Arrhenia umožnily vyvozovat soudy o uskutečnitelnosti a o rovnovážné konstantě vratné reakce.

Zákon zachování hmotnosti

Hmotnost všech látek do reakce vstupujících je rovna hmotnosti všech reakčních produktů.

Poprvé tento zákon formuloval M. V. Lomonosov (1748) a později nezávisle na něm A. L. Lavoisier (1774).

Zkapalňování plynů

Roku 1799 byl zkapalněn amoniak a oxid siřičitý, roku 1805 byl připraven kapalný chlor a chlorovodík a v roce 1823 se podařilo M . Faradayovi zkapalnit většinu tehdy známých plynů.

Metoda zkapalňování plynů pomocí změn teploty a tlaku selhala u vodíku, kyslíku, dusíku a oxidu uhelnatého, čímž byly prohlášeny za nezkapalnitelné – tzv. permanentní plyny. K rozřešení tohoto problému přispělo zjištění T. Andrewse (1869), že pro každý plyn existuje tzv. kritická teplota, nad níž nelze plyn zkapalnit při sebevětším tlaku.

Objevy

Objev elektronu a radioaktivity

Objev elektronu

Elektrický výboj v plynech pozoroval již M. Faraday (1838) a o vysvětlení tohoto jevu se pokusili v polovině 19. století mnozí chemici. O povaze světélkujících paprsků byly vedeny spory. Teprve roku 1895 prokázal J. Perrkin, že tyto paprsky mají negativní elektrický náboj a J. J. Thomson změřil roku 1897 jejich rychlost i poměrnou hmotnost vzhledem k hmotnosti atomu vodíku a vysvětlil jejich původ. Název elektron použil poprvé roku 1891 J. Stoney pro vyjádření nejmenšího elektrického množství přenášeného iontem o jednotkovém náboji a teprve po objevech J. J. Thomsona (1897) byl tento název přenesen na elementární částice obsažené v atomu.

Objev radioaktivity

Koncem 19. století byly uskutečněny dva významné objevy německým fyzikem W. C. Roentgenem, který objevil nový druh záření, které se dnes označuje jako rentgenové. Jeho objev byl dále zdokonalován dalšími poznatky jiných fyziků, jako například francouzský fyzik H. Becquerel, který objevil roku 1896 u uranu nový druh záření, který se choval podobně jako rentgenové paprsky, či jeho spolupracovník, francouzský fyzik P. Curie a jeho pozdější žena, polská fyzička Marie Sklodowska-Curie, kteří prokázali stejné vlastnosti i u jiných prvků, než je uran a podařilo se jim izolovat z jáchymovského smolince dva nové chemické prvky – polonium a radium (1898) – jejichž schopnost vysílat záření byla mnohem větší než u uranu a pro nový druh záření navrhli označení radioaktivita. Ale ani oni nedokázali vysvětlit podstatu tohoto záření.

Klíčem k řešení byl výzkum vlastností radioaktivního záření – jednotlivé druhy paprsků se lišily pronikavostí, chováním v magnetickém poli i hmotností a k odlišení proto bylo použito označení paprsků alfa, beta, gama.

Další poznání podstaty radioaktivního záření spadá do 20. století a je spojeno např. se jmény E. Rutheforda, F. Soddyho, K. Fajanse, A. S. Russela aj.

Objev radioaktivity v 19. století a její podstaty na začátku 20. století si vynutily změnu v nazírání na atom. Bylo třeba opustit představu o neměnném a nezničitelném atomu, na němž byla postavena fyzika i chemie 19. století.

Fotosyntéza

Značný význam ve vývoji biochemie měl výzkum fotosyntézy. Struktura chlorofylu byla poznána až ve 20. století zásluhou ruských botaniků K. A. Timirjazeva a M. S. Cvěta. Výzkumem chlorofylu a fotosyntézou se zabýval i známý český biochemik a agrochemik J. Stoklasa. H. Fischer roku 1940 rozřešil strukturu chlorofylu. Za dalších 20 let připravili synteticky chlorofyl dva badatelé, Fischerův žák A. Treibs a americký chemik R. B. Woodward. Přestože šlo o skvělé vítězství moderní chemie přirozených látek, nebylo splněno očekávání přírodovědců z počátku století. Ti totiž doufali, že poznáním chemie chlorofylu bude rozřešena otázka fotosyntézy. Po řadě hypotéz, které vysvětlovaly fotosyntézu či asimilaci CO₂ převážně jednoduchým způsobem, upozornil roku 1919 německý biochemik O. Warburg, že fotosyntéza je děj velmi složitý a že jde v postatě o dýchání. Warburg se odvolával na pokusy F. F. Blackmana z roku 1905, který již tehdy usoudil, že sama fixace CO₂ není závislá na světle. Po pokusech S. Rubena, který použil radioaktivní oxid uhličitý, tajemství temnostní fáze fotosyntézy odkryl roku 1956 americký chemik M. Calvin. Ten objasnil velmi komplikovaný mechanismus asimilace CO₂. Objevil, že v tomto procesu vzniká deset meziproduktů a že reakci mezi nimi katalyzuje 11 různých enzymů. Potom následovaly objevy v oblasti světelné fáze fotosyntézy, koncepce dvou fotosystémů, objev cyklické a necyklické fotofosforylace, objev ferredoxinu, přenašeče elektronů a poznávání tohoto fundamentálního děje neustále pokračuje.

Nukleové kyseliny

Dalším významným biochemickým úspěchem bylo určení struktury nukleových kyselin. První pokusy učinil F. Miescher, který později s A. A. Piccardem objevil v mlíčí první purinovou bázi - guanin. Roku 1929 zjistili P. A. Levene a T. Mori deoxypentosu, identifikovanou později jako D-2-deoxyribosa. Časem byly rozlišovány dvě kyseliny - deoxyribonukleová (DNA) a ribonukleová (RNA). Americký biochemik E. Chargaff v roce 1950 objevil pomocí rentgenových paprsků periodickou strukturu DNA. Na základě toho a dalších skutečností vytvořili roku 1953 J. D. Watson a F. H. C. Crick model DNA, složený ze dvou polynukleotidových řetězců. Jejich práce, oceněná Nobelovou cenou, se stala základem pro vznik nového vědního oboru - molekulární biologii. Velmi rychle pak pokračoval výzkum různých typů DNA a RNA. Dlouho se však nedařilo stanovit sled nukleotidů v nukleových kyselinách. Teprve roku 1977 zjistil F. Sanger kompletní nukleotidovou sekvenci u malého viru X-174-fagu, který obsahuje jednovláknovou kruhovou DNA, složenou z 5 386 nukleotidových jednotek. Tento objev umožnil základní studie v molekulární genetice - především výzkum dědičných nemocí a zhoubných nádorů. Umožnil tak i rychlý rozvoj genového a genetického inženýrství a poukázal na obrovské perspektivy teoretické a aplikované biologie a biochemie.

Vitamíny

Významným podnětem k rozvoji biochemie byly i tzv. dodatkové faktory v potravě - vitamíny. Až do počátku 20. století se soudilo, že přiměřená dieta je složená ze sacharidů, tuků, bílkovin, solí a vody. Na zvláštní faktory výživy, o nichž byly zmínky již od starověku, nebyl jednotný názor.

Výzkum pokročil až v roce 1912 zásluhou anglického biochemika F. Hopkinse, který první upoutal pozornost vědců na to, že plnohodnotná potrava obsahuje také malé množství látek, bez nichž se růst organismů zastavuje a projevují se degenerační symptomy.

Tyto dodatkové faktory, později známé jako vitamíny, daly bezprostředně podnět ke studiu biochemie, protože zde byly konečně objeveny chemické látky, jichž mohlo být přímo použito k léčebným účelům. Myšlenka, že jistý stav byl vyvolán nedostatkem určitých látek v organismu, vedla vědce ke snaze vypátrat, čeho se mu nedostává a isolovat látky, které mohou karenci (tj. chorobný stav vznikající z nedostatku některých živin) vyléčit, určit jejich vzorec a nakonec je připravit a později i vyrobit synteticky.

Zvlášť významný byl objev vitamínu C maďarským biochemikem A. Szent-Gyôrgyim. Izolace této látky se podařila v roce 1928. Vitamín C byl prvním chemicky určeným vitamínem.