माध्यमिक जीवविज्ञान · Grades 10–12

1सजीवों का रासायनिक संघटन

ब्रेड का एक टुकड़ा भट्ठी पर कुछ देर ज़्यादा छोड़ दीजिए और वह काला पड़ जाता है: जो बचता है वह ज़्यादातर कार्बन है। सेब की एक ताज़ा फाँक तौलिए, उसे दिन भर गरम भट्ठी में सुखाइए, फिर तौलिए: उसके द्रव्यमान का पाँच-छठा हिस्सा जलवाष्प बनकर उड़ चुका है। ब्रेड, सेब, बलूत, जेलीफ़िश, आप — हर सजीव तह तक जाने पर रासायनिक अवयवों की एक ही छोटी-सी सूची से बना निकलता है, और वह सूची चट्टानों की सूची नहीं है। यह अध्याय सजीव पदार्थ को अवयव-दर-अवयव खोलता है और पूछता है कि उसे अलग क्या बनाता है।

1.1 तत्व: चट्टानों जैसे ही परमाणु, पर अनुपात अलग

परिभाषा 1.1 (सजीव पदार्थ का रासायनिक संघटन)

सजीव पदार्थ के किसी नमूने का रासायनिक संघटन उन रासायनिक तत्वों की सूची है जो उसमें हैं, और साथ में यह भी कि उनमें से हर एक नमूने के द्रव्यमान का कितना अंश बनाता है। इसे नमूने को देखकर नहीं, बल्कि उसे रासायनिक रूप से तोड़कर मापा जाता है — जलाकर, जो उड़ता है और जो बचता है उसे तौलकर, और निकली हुई गैसों का विश्लेषण करके।

प्रतिज्ञप्ति 1.2 (चार तत्व सजीव शरीर का 96% बनाते हैं)

द्रव्यमान के हिसाब से सजीव पदार्थ लगभग पूरा का पूरा चार ही तत्वों से बना है: ऑक्सीजन (O), कार्बन (C), हाइड्रोजन (H) और नाइट्रोजन (N)। मनुष्य के शरीर में ये द्रव्यमान का क्रमशः लगभग 65%, 18.5%, 9.5% और 3.2% बनाते हैं — यानी मिलकर 96%। बचे हुए 4% का अधिकांश कैल्शियम, फ़ॉस्फ़ोरस, पोटैशियम, सल्फ़र, सोडियम, क्लोरीन और मैग्नीशियम आपस में बाँट लेते हैं, और दर्जन भर सूक्ष्म तत्व (लोहा, ज़िंक, आयोडीन, ताँबा…) 0.1% से कहीं नीचे रहकर भी अपरिहार्य हैं। वही चार तत्व किसी जीवाणु में, गेहूँ के पौधे में या ह्वेल में भी उन्हीं जैसे अनुपातों में छाए रहते हैं।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

वही तत्व, दो बिलकुल अलग नुस्ख़े: मानव शरीर में और पृथ्वी की भूपर्पटी की चट्टानों में मुख्य तत्वों के द्रव्यमान-अंश (छोटी पट्टियों पर लेबल नहीं है: कैल्शियम शरीर का 1.5% है; कार्बन भूपर्पटी का 0.02%, हाइड्रोजन 0.14%, नाइट्रोजन 0.002%; सिलिकॉन, ऐलुमिनियम और लोहा शरीर में केवल सूक्ष्म मात्रा में हैं)। कार्बन, हाइड्रोजन और नाइट्रोजन सजीव पदार्थ में प्रचुर और चट्टान में विरल हैं; सिलिकॉन, ऐलुमिनियम और लोहे के साथ ठीक उल्टा है।

उदाहरण 1.3 (सजीव पदार्थ बनाम चट्टान)

पृथ्वी की भूपर्पटी भी 46% ऑक्सीजन है, पर उसके अगले तत्व सिलिकॉन (28%), ऐलुमिनियम (8%) और लोहा (5.6%) हैं। कार्बन भूपर्पटी का 0.02% और नाइट्रोजन 0.002% बनाता है, जबकि शरीर में ये 18.5% और 3.2% हैं। इसलिए कोई सजीव अपने परिवेश का नमूना नहीं है: वह कुछ थोड़े-से तत्वों को हज़ार गुना या उससे भी अधिक सांद्रित कर लेता है। यही चुनाव जीवन का पहला रासायनिक हस्ताक्षर है।

टिप्पणी 1.4 (ये परमाणु आते कहाँ से हैं)

उनमें से हर परमाणु साधारण है: आपकी पेशियों का कार्बन किसी पौधे के उसे बाँधने से पहले हवा की कार्बन डाइऑक्साइड था, और आपके प्रोटीनों की नाइट्रोजन मिट्टी के जीवाणुओं के पकड़ लेने से पहले हवा की नाइट्रोजन थी। जीवन में ख़ास परमाणु नहीं हैं; ख़ास है उनके जुड़ने का ढंग और वे अनुपात जिनमें उन्हें बटोरा जाता है।

1.2 जल और खनिज लवण

परिभाषा 1.5 (खनिज पदार्थ और कार्बनिक पदार्थ)

किसी सजीव के अणु दो वर्गों में आते हैं। खनिज पदार्थ उन अणुओं से बना है जो सजीवों के बाहर भी मौजूद हैं: जल और उसमें घुले खनिज लवण ( $\mathrm{Na^+}$ , $\mathrm{K^+}$ , $\mathrm{Ca^{2+}}$ , $\mathrm{Cl^-}$ , फ़ॉस्फ़ेट और बाइकार्बोनेट जैसे आयन)। कार्बनिक पदार्थ उन अणुओं से बना है जो हाइड्रोजन से, और प्रायः ऑक्सीजन तथा नाइट्रोजन से भी, बँधे कार्बन परमाणुओं के ढाँचे पर खड़े होते हैं — ऐसे अणु जो पृथ्वी पर केवल सजीव बनाते हैं, या जो उनके अवशेषों से बनते हैं।

प्रतिज्ञप्ति 1.6 (जल ही मुख्य घटक है)

जल हर सजीव का सबसे प्रचुर अणु है: किसी वयस्क मनुष्य के द्रव्यमान का लगभग 60% से 65%, नवजात का 75%, सेब का 85%, जेलीफ़िश का 95%, पर सुप्त गेहूँ के दाने का केवल 13%। किसी नमूने की जल-मात्रा उसे तौलकर, फिर लगभग $105\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर तब तक सुखाकर कि उसका द्रव्यमान गिरना बंद हो जाए, और फिर दोबारा तौलकर मापी जाती है: खोया हुआ द्रव्यमान ही जल है।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

उदाहरण 1.7 (सेब की फाँक सुखाना)

$24.0\,\mathrm{g}$ द्रव्यमान की ताज़े सेब की एक फाँक को तब तक सुखाया जाता है जब तक उसका द्रव्यमान $3.6\,\mathrm{g}$ पर ठहर न जाए। खोया हुआ जल: $24.0 - 3.6 = 20.4\,\mathrm{g}$ , यानी $20.4/24.0 = 0.85$ , अर्थात ताज़े द्रव्यमान का 85%। जो $3.6\,\mathrm{g}$ बचता है वही शुष्क पदार्थ है: कार्बनिक अणु और साथ में खनिज लवण। उस शुष्क पदार्थ को जलाइए तो लगभग $0.1\,\mathrm{g}$ हल्के रंग की राख — यानी खनिज लवण — बच रहती है; बाक़ी, यानी कार्बनिक हिस्सा, कार्बन डाइऑक्साइड और जलवाष्प बनकर उड़ चुका है।

ताज़े सेब की एक फाँक, और सुखाने के बाद वही फाँक: जो बचता है वह शुष्क पदार्थ है, यानी मूल द्रव्यमान का छठा हिस्सा। बाक़ी जल था।

प्रतिज्ञप्ति 1.8 (जल करता क्या है)

कोशिका का रसायन जल में ही चलता है: वह लवणों, शर्कराओं और अधिकांश छोटे कार्बनिक अणुओं को घोलता है, ताकि वे मिल सकें और अभिक्रिया कर सकें; वह उन्हें एक जगह से दूसरी जगह ढोता है (रक्त प्लाज़्मा 90% जल है, रस उससे भी अधिक); और चूँकि उसे गरम करने में बहुत ऊर्जा लगती है, वह जीव के ताप को अचानक बदलने से बचाता है। शरीर के जल का 10% खो जाना चिकित्सा की आपात स्थिति है; और 13% पर टिका कोई सुप्त बीज बस अपना रसायन तब तक के लिए बंद किए रहता है जब तक जल लौट न आए।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

उदाहरण 1.9 (जिन खनिज लवणों के नाम लिए जा सकते हैं)

कैल्शियम फ़ॉस्फ़ेट हड्डी और दाँतों को कठोर बनाता है (कैल्शियम शरीर के द्रव्यमान का 1.5% है, और लगभग पूरा का पूरा कंकाल में)। सोडियम और क्लोराइड आयन रक्त की लवणता तय करते हैं, जो $9\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ के आसपास है; पोटैशियम आयन कोशिकाओं के भीतर सांद्रित रहते हैं; लोहा हीमोग्लोबिन के केंद्र में बैठता है; और अवटु ग्रंथि का हॉर्मोन बनाने के लिए आयोडीन चाहिए। कोई खनिज लवण कभी ऊर्जा का स्रोत नहीं होता, पर जिस शरीर में उनमें से एक की कमी हो, वह किसी एक तय काम में चूक जाता है।

1.3 कार्बनिक अणु: चार कुल

परिभाषा 1.10 (कार्बोहाइड्रेट, लिपिड, प्रोटीन, न्यूक्लिक अम्ल)

कार्बनिक अणु चार कुलों में आते हैं।

कार्बोहाइड्रेट (शर्कराएँ) में केवल कार्बन, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन होते हैं। सरल शर्कराएँ इकहरी इकाइयाँ हैं, जैसे ग्लूकोज़ $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$ ; और जटिल कार्बोहाइड्रेट सैकड़ों या हज़ारों ग्लूकोज़ इकाइयों की शृंखलाएँ हैं — पौधों में मंड और सेलुलोज़, जंतुओं में ग्लाइकोजन।
लिपिड (वसाएँ और तेल) में भी केवल C, H और O होते हैं, पर ऑक्सीजन कहीं कम, और ये जल में नहीं घुलते। सबसे आम ट्राइग्लिसराइड हैं, जिनमें से हर एक ग्लिसरॉल के एक अणु से जुड़ी तीन लंबी वसा-अम्ल शृंखलाओं से बना है।
प्रोटीन ऐमीनो अम्लों की शृंखलाएँ हैं: बीस तरह के ऐमीनो अम्ल, सभी में नाइट्रोजन, जो पचास से लेकर कई हज़ार इकाइयों तक की शृंखलाओं में ठीक-ठीक क्रम से जुड़ते हैं और एक निश्चित आकार में मुड़ जाते हैं।
न्यूक्लिक अम्ल (DNA और RNA) न्यूक्लियोटाइडों की शृंखलाएँ हैं, जिनमें C, H, O और N के अलावा फ़ॉस्फ़ोरस भी होता है; ये आनुवंशिक जानकारी संचित करती और आगे पहुँचाती हैं, और अध्याय 3 का विषय हैं।

कार्बनिक अणुओं के चार कुल। हर वृहत् अणु छोटे निर्माण खंडों की एक शृंखला है; खंड की पहचान, और शृंखला के सजने का ढंग, यह तय करते हैं कि वह अणु करता क्या है।

उदाहरण 1.11 (खाद्य लेबल पढ़ना)

साबुत गेहूँ की ब्रेड के लेबल पर प्रति $100\,\mathrm{g}$ लिखा है: कार्बोहाइड्रेट $41\,\mathrm{g}$ (जिनमें शर्कराएँ $3\,\mathrm{g}$ ), वसा $3\,\mathrm{g}$ , प्रोटीन $9\,\mathrm{g}$ , रेशा $7\,\mathrm{g}$ , नमक $1.1\,\mathrm{g}$ । बाक़ी — लगभग $39\,\mathrm{g}$ — जल है। यहाँ “कार्बोहाइड्रेट” ज़्यादातर मंड है, “शर्कराएँ” सरल वाली हैं, “रेशा” सेलुलोज़ है (एक ऐसा कार्बोहाइड्रेट जिसे हम पचा नहीं सकते), “वसा” लिपिड हैं और “नमक” एक खनिज लवण। लेबल एक रासायनिक विश्लेषण ही है, गोल किए हुए अंकों में।

प्रतिज्ञप्ति 1.12 (हर कुल किस काम का है)

कुल कोशिका का काम आपस में बाँट लेते हैं, कुछ अतिव्यापन के साथ:

कार्बोहाइड्रेट रोज़मर्रा का ईंधन (ग्लूकोज़) और उसका अल्पकालिक भंडार (मंड, ग्लाइकोजन) हैं, और सेलुलोज़ पादप कोशिका भित्तियों का निर्माण-पदार्थ है;
लिपिड सघन दीर्घकालिक ऊर्जा-भंडार हैं ( $38\,\mathrm{kJ}$ प्रति ग्राम, जबकि कार्बोहाइड्रेट और प्रोटीन के लिए $17\,\mathrm{kJ}$ प्रति ग्राम), और झिल्ली-लिपिड हर कोशिका का लिफ़ाफ़ा बनाते हैं;
प्रोटीन मशीनें हैं: हर अभिक्रिया चलाने वाले एंजाइम, पेशी को सिकोड़ने वाले तंतु, वाहक, प्रतिरक्षी, ग्राही;
न्यूक्लिक अम्ल प्रोटीन बनाने के निर्देश थामे रहते हैं।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

द्रव्यमान के हिसाब से एक वयस्क मानव शरीर का संघटन, प्रतिशत में। ये आँकड़े उम्र और गठन के साथ बदलते हैं (दुबले खिलाड़ी में लिपिड कम होता है, नवजात में जल अधिक), पर जल हमेशा छाया रहता है और खुला कार्बोहाइड्रेट लगभग 1% से कभी ऊपर नहीं जाता।

टिप्पणी 1.13 (वृहत् अणु और जीवन का आकार)

चट्टान के अणु छोटे और दोहराव भरे होते हैं (क्वार्ट्ज़ का एक क्रिस्टल $\mathrm{SiO_2}$ का अंतहीन दोहराव है)। जीवन के अभिलक्षक अणु विशाल होते हैं — अकेले एक प्रोटीन में दस हज़ार परमाणु हो सकते हैं, और DNA के एक अणु में अरबों — और वे सूचनावाही होते हैं: उनके निर्माण खंडों का क्रम एक संदेश ढोता है। खनिज संसार में ऐसा कुछ नहीं जो किसी ऐसे अणु से मिलता-जुलता हो जिसके अनुक्रम का कोई अर्थ हो।

1.4 घटकों की पहचान

विधि 1.14 (कुलों के मानक परीक्षण)

हर कुल का एक सरल परीक्षण है जो आँखों से दिखने वाला परिणाम देता है।

जल: नीले कोबाल्ट क्लोराइड काग़ज़ की पट्टी गुलाबी पड़ जाती है; या नमूने को सुखाकर खोया हुआ द्रव्यमान मापिए।
मंड: आयोडीन विलयन की एक बूँद पीली-भूरी से नीली-काली हो जाती है।
सरल शर्कराएँ (ग्लूकोज़, फ्रुक्टोज़…): फ़ेलिंग या बेनेडिक्ट अभिकर्मक के साथ गरम कीजिए; नीला विलयन ईंट जैसा लाल अवक्षेप देता है।
प्रोटीन: ब्यूरे परीक्षण — क्षारीय विलयन में कॉपर सल्फ़ेट की कुछ बूँदें बैंगनी हो जाती हैं।
लिपिड: नमूना काग़ज़ पर पारभासी और न सूखने वाला धब्बा छोड़ देता है; लाल रंजक सूडान III उसे रँग देता है।
खनिज लवण: शुष्क पदार्थ को पूरा जला दीजिए; जो राख बचती है वह खनिज है। विशिष्ट आयन अवक्षेपण से पहचाने जाते हैं (मसलन क्लोराइड के लिए सिल्वर नाइट्रेट)।

हमेशा शुद्ध जल के साथ एक नियंत्रण चलाइए, और एक ज्ञात धनात्मक नमूने के साथ भी, ताकि यह पक्का हो जाए कि अभिकर्मक काम कर रहा है और रंग का बदलना वही अर्थ रखता है जो आप समझ रहे हैं।

उदाहरण 1.15 (आलू का विश्लेषण)

कच्चे आलू की एक फाँक: कोबाल्ट क्लोराइड काग़ज़ गुलाबी पड़ता है (जल); आयोडीन तुरंत नीला-काला हो जाता है (मंड, प्रचुर); फ़ेलिंग केवल हल्की नारंगी झलक देता है (खुली शर्करा कम); ब्यूरे फीका बैंगनी देता है (कुछ प्रोटीन, ताज़े द्रव्यमान का लगभग 2%); पारभासी धब्बा कोई नहीं (लिपिड लगभग शून्य)। सुखाने पर द्रव्यमान का 22% बचता है; उसे जलाने पर 1% राख। आलू जल में लिपटा एक मंड-भंडार है — ठीक वही जो किसी पौधे को ज़मीन के नीचे जाड़ा काटने के लिए चाहिए।

प्रतिज्ञप्ति 1.16 (संघटन की एकता)

जीव कोई भी हो — जीवाणु, कुकुरमुत्ता, पौधा, जंतु — वही परीक्षण वही चार कुल पाते हैं, और वे उन्हीं निर्माण खंडों से बने हैं: वही बीस ऐमीनो अम्ल, वही ग्लूकोज़, वही चार न्यूक्लियोटाइड। कोई सजीव ख़ास परमाणु या ख़ास निर्माण खंड रखने से अलग नहीं पड़ता, बल्कि उन अनुपातों से जो वह बनाए रखता है, उन बहुत बड़े अणुओं से जो वह जोड़ता है, और उन अणुओं के ढोए हुए संदेश से। यह रासायनिक एकता इस बात की सबसे मज़बूत दलीलों में से एक है कि सभी सजीवों का उद्गम साझा है — वह दलील जिसे अध्याय 6 आगे बढ़ाएगा।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

भट्ठी पर कुछ ज़्यादा देर छोड़ी गई ब्रेड। काला अवशेष ज़्यादातर कार्बन है: ब्रेड के कार्बनिक अणु अपनी हाइड्रोजन और ऑक्सीजन जलवाष्प तथा कार्बन डाइऑक्साइड के रूप में खो चुके हैं, और पीछे कार्बन का ढाँचा छोड़ गए हैं।

1.5 अभ्यास

अभ्यास 1.1 ★

सजीव शरीर के द्रव्यमान का 96% बनाने वाले चार तत्वों के नाम लिखिए, और मनुष्य में उनके लगभग प्रतिशत भी।

हल

हल — अभ्यास 1.1.

ऑक्सीजन (लगभग 65%), कार्बन (18.5%), हाइड्रोजन (9.5%) और नाइट्रोजन (3.2%): मिलकर शरीर के द्रव्यमान का 96%।

अभ्यास 1.2 ★

खनिज पदार्थ और कार्बनिक पदार्थ में छाँटिए: जल, ग्लूकोज़, सोडियम क्लोराइड, एक ट्राइग्लिसराइड, कैल्शियम फ़ॉस्फ़ेट, एक ऐमीनो अम्ल, कार्बन डाइऑक्साइड।

हल

हल — अभ्यास 1.2.

खनिज: जल, सोडियम क्लोराइड, कैल्शियम फ़ॉस्फ़ेट, कार्बन डाइऑक्साइड (यह कार्बन का यौगिक तो है, पर बनता जीवन के बाहर है और उसमें कार्बन-हाइड्रोजन का ढाँचा नहीं)। कार्बनिक: ग्लूकोज़, ट्राइग्लिसराइड, ऐमीनो अम्ल।

अभ्यास 1.3 ★

$12.0\,\mathrm{g}$ द्रव्यमान का सलाद-पत्ते का एक ताज़ा पत्ता स्थिर द्रव्यमान तक सुखाया जाता है: $0.6\,\mathrm{g}$ । उसकी जल-मात्रा प्रतिशत में क्या है?

हल

हल — अभ्यास 1.3.

खोया हुआ जल $12.0 - 0.6 = 11.4\,\mathrm{g}$ ; $11.4/12.0 = 0.95$ : पत्ता 95% जल है।

अभ्यास 1.4 ★

यह दिखाने के लिए कि सेम के बीज में (क) मंड, (ख) प्रोटीन, (ग) लिपिड हैं, आप कौन-सा परीक्षण करेंगे? हर हाल में अपेक्षित परिणाम भी बताइए।

हल

हल — अभ्यास 1.4.

(क) कुचले हुए बीज पर आयोडीन विलयन: नीला-काला। (ख) ब्यूरे अभिकर्मक: बैंगनी। (ग) बीज को काग़ज़ पर कुचलिए: एक पारभासी धब्बा जो सूखता नहीं; सूडान III उसे लाल रँग देता है।

अभ्यास 1.5 ★

हर कुल का निर्माण खंड बताइए: कार्बोहाइड्रेट, लिपिड, प्रोटीन, न्यूक्लिक अम्ल।

हल

हल — अभ्यास 1.5.

कार्बोहाइड्रेट: ग्लूकोज़ जैसी सरल शर्कराएँ। लिपिड: ग्लिसरॉल और वसा-अम्ल। प्रोटीन: ऐमीनो अम्ल (बीस तरह के)। न्यूक्लिक अम्ल: न्यूक्लियोटाइड (चार तरह के)।

अभ्यास 1.6 ★★

अध्याय के पहले चित्र की मदद से बताइए कि कार्बन मानव शरीर में पृथ्वी की भूपर्पटी के मुक़ाबले कितने गुना अधिक सांद्रित है। और नाइट्रोजन? टिप्पणी कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 1.6.

कार्बन: $18.5/0.02 \approx 900$ गुना अधिक सांद्रित। नाइट्रोजन: $3.2/0.002 = 1600$ गुना। सजीव पदार्थ अपने परिवेश का नमूना नहीं है: वह कुछ विरल तत्वों को हज़ार-हज़ार गुना बटोरता है, और यही जीवन का एक रासायनिक हस्ताक्षर है।

अभ्यास 1.7 ★★

$70\,\mathrm{kg}$ द्रव्यमान का एक वयस्क 62% जल है। शरीर में जल का द्रव्यमान निकालिए, फिर शुष्क पदार्थ का द्रव्यमान। यदि प्रोटीन शरीर के द्रव्यमान का 17% हों, तो प्रोटीन का द्रव्यमान कितना है?

हल

हल — अभ्यास 1.7.

जल: $0.62 \times 70 = 43.4\,\mathrm{kg}$ । शुष्क पदार्थ: $70 - 43.4 = 26.6\,\mathrm{kg}$ । प्रोटीन: $0.17 \times 70 = 11.9\,\mathrm{kg}$ ।

अभ्यास 1.8 ★★

एक अनाज-बार में प्रति $100\,\mathrm{g}$ , $60\,\mathrm{g}$ कार्बोहाइड्रेट, $12\,\mathrm{g}$ लिपिड और $8\,\mathrm{g}$ प्रोटीन हैं। प्रतिज्ञप्ति 1.12 के ऊर्जा-मानों की मदद से $100\,\mathrm{g}$ बार से मिलने वाली ऊर्जा निकालिए, और उसमें लिपिड से आने वाला अंश भी।

हल

हल — अभ्यास 1.8.

कार्बोहाइड्रेट $60 \times 17 = 1020\,\mathrm{kJ}$ ; लिपिड $12 \times 38 = 456\,\mathrm{kJ}$ ; प्रोटीन $8 \times 17 = 136\,\mathrm{kJ}$ ; कुल $1612\,\mathrm{kJ}$ , यानी लगभग $1600\,\mathrm{kJ}$ । लिपिड ऊर्जा का $456/1612 \approx 28\%$ देते हैं, जबकि द्रव्यमान का केवल 12% हैं।

अभ्यास 1.9 ★★

ब्रेड की एक फाँक, पनीर की एक फाँक और चीनी के एक टुकड़े पर आयोडीन विलयन डाला जाता है। हर हाल में परिणाम का अनुमान लगाइए और उसे समझाइए।

हल

हल — अभ्यास 1.9.

ब्रेड: नीला-काला — आटा ज़्यादातर मंड है। पनीर: आयोडीन की अपनी रंगत के अलावा कोई रंग-परिवर्तन नहीं — प्रोटीन और लिपिड, मंड नहीं। चीनी: कोई बदलाव नहीं — सुक्रोज़ एक सरल शर्करा है, मंड नहीं; आयोडीन केवल मंड की लंबी शृंखला को पकड़ता है।

अभ्यास 1.10 ★★

किसी पौधे का शुष्क पदार्थ जलता है, पर उसकी छोड़ी हुई राख क्यों नहीं जलती? इनमें से हर एक पदार्थ के किस कुल का है?

हल

हल — अभ्यास 1.10.

शुष्क पदार्थ ज़्यादातर कार्बनिक है: कार्बन-हाइड्रोजन वाले अणु, जो ऑक्सीजन से जुड़कर ऊर्जा, कार्बन डाइऑक्साइड और जल छोड़ते हैं। राख खनिज लवण है, जो पहले ही ऑक्सीजन से पूरी तरह जुड़ चुके हैं; उनमें जलने लायक़ कुछ बचा ही नहीं।

अभ्यास 1.11 ★★

दो विलयन दिए गए हैं: एक ग्लूकोज़ का, एक मंड का। फ़ेलिंग परीक्षण केवल पहले के लिए धनात्मक है, आयोडीन केवल दूसरे के लिए। फिर भी मंड ग्लूकोज़ से ही बना है। इसका एक स्पष्टीकरण दीजिए।

हल

हल — अभ्यास 1.11.

फ़ेलिंग अभिकर्मक इकहरे ग्लूकोज़ अणुओं के एक खुले रासायनिक समूह से अभिक्रिया करता है; मंड में ग्लूकोज़ इकाइयाँ एक-दूसरे से जुड़ी हैं और वे समूह शृंखला के भीतर बंद हैं, इसलिए अभिकर्मक को कुछ मिलता ही नहीं। इसके उलट, आयोडीन मंड की लंबी कुंडलित शृंखला में जा बैठता है, जो इकहरे ग्लूकोज़ अणु बनाते ही नहीं। हर परीक्षण किसी संरचना को पकड़ता है, किसी तत्व को नहीं।

अभ्यास 1.12 ★★★

गेहूँ के एक दाने में 13% जल है; अंकुरण के तीन दिन बाद गेहूँ के अंकुर में 88%। इस बदलाव को समझाइए, और यह भी कि दाने के रसायन में जल की भूमिका के बारे में वह आपको क्या बताता है।

हल

हल — अभ्यास 1.12.

दाने ने भारी मात्रा में जल सोख लिया है। 13% पर भंडार ठोस रहते हैं और एंजाइम काम नहीं कर सकते: दाने का रसायन बंद रहता है और वह सुप्त पड़ा जीवित रहता है। जल भंडारों को घोलता है, एंजाइमों को काम करने देता है और उत्पादों को बढ़ते भ्रूण तक पहुँचाता है: रसायन तभी दोबारा चलता है जब जल प्रचुर हो।

अभ्यास 1.13 ★★★

रक्त प्लाज़्मा में लगभग $9\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ सोडियम क्लोराइड और लगभग $1\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ ग्लूकोज़ होता है। किसी रोगी को अंतःशिरा विलयन का $500\,\mathrm{mL}$ दिया जाता है। प्लाज़्मा से मेल खाने के लिए उसमें नमक और ग्लूकोज़ के कितने द्रव्यमान होने चाहिए? शुद्ध जल ख़तरनाक क्यों होता?

हल

हल — अभ्यास 1.13.

नमक: $9 \times 0.5 = 4.5\,\mathrm{g}$ ; ग्लूकोज़: $1 \times 0.5 = 0.5\,\mathrm{g}$ । शुद्ध जल प्लाज़्मा को पतला कर देता; तब जल लाल रक्त कोशिकाओं में घुस जाता, जो फूलकर फट जातीं।

अभ्यास 1.14 ★★★

लिपिड $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ संचित करते हैं, ग्लाइकोजन $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ ; और इसके अलावा शरीर में ग्लाइकोजन का हर ग्राम लगभग $3\,\mathrm{g}$ जल के साथ संचित रहता है। कोई व्यक्ति $0.5\,\mathrm{kg}$ ग्लाइकोजन और $10\,\mathrm{kg}$ लिपिड ढोता है। हर भंडार की ऊर्जा निकालिए, और वह द्रव्यमान भी जो शरीर को लिपिड-भंडार की ऊर्जा जलयुक्त ग्लाइकोजन के रूप में रखने के लिए ढोना पड़ता। इस पर निष्कर्ष निकालिए कि जंतु वसा ही क्यों संचित करते हैं।

हल

हल — अभ्यास 1.14.

ग्लाइकोजन: $500 \times 17 = 8500\,\mathrm{kJ}$ । लिपिड: $10000 \times 38 = 3.8 \times 10^{5}\,\mathrm{kJ}$ । $3.8 \times 10^{5}\,\mathrm{kJ}$ को ग्लाइकोजन के रूप में रखने के लिए चाहिए $380000/17 \approx 22.4\,\mathrm{kg}$ ग्लाइकोजन, और उसके साथ उससे तिगुना द्रव्यमान जल, यानी कुल मिलाकर लगभग $90\,\mathrm{kg}$ — व्यक्ति से भी अधिक। ढोए गए प्रति किलोग्राम वसा लगभग नौ गुना अधिक ऊर्जा संचित करती है, और इसीलिए जिन जंतुओं को चलना-फिरना है वे अपना भंडार लिपिड के रूप में रखते हैं।

अभ्यास 1.15 ★★★

“सजीव उन्हीं परमाणुओं से बने हैं जिनसे चट्टानें, इसलिए जीवन में रासायनिक रूप से कुछ ख़ास नहीं है।” अध्याय की तीन सटीक दलीलों की मदद से इस कथन पर एक छोटे अनुच्छेद में चर्चा कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 1.15.

परमाणु सचमुच साधारण हैं, पर (1) अनुपात साधारण नहीं: सजीव पदार्थ कार्बन को हज़ार गुना और नाइट्रोजन को उससे कहीं अधिक सांद्रित करता है, जबकि भूपर्पटी ऑक्सीजन-सिलिकॉन वाली है; (2) अणु साधारण नहीं: केवल सजीव ही कार्बन को विशाल शृंखलाओं में जोड़ते हैं — प्रोटीन, मंड, DNA — और उनके आकार का कोई खनिज समकक्ष नहीं; (3) वे अणु अपनी इकाइयों के क्रम में सूचना ढोते हैं, और कोई क्रिस्टल ऐसा नहीं करता। जीवन रासायनिक रूप से अपने संगठन में ख़ास है, अपने परमाणुओं में नहीं।

1.6 समस्या: एक मनुष्य में मौजूद कार्बन

समस्या 1.1

सप्ताहांत समस्या — गेहूँ के खेत से एक शरीर तक: पदार्थ का लेखा-जोखा, दाने के जल से लेकर इस सवाल तक कि कोई व्यक्ति कितने किलोग्राम कार्बन ढोता है

एक कक्षा पदार्थ का पीछा गेहूँ के खेत से लेकर अपने ही एक विद्यार्थी के शरीर तक करती है। आँकड़े: गेहूँ का एक दाना 13% जल है, और उसका शुष्क पदार्थ लगभग 70% मंड, 12% प्रोटीन, 2% लिपिड, 2% खनिज है, और बाक़ी सेलुलोज़। ब्रेड का आटा मोटे तौर पर दाने के भीतरी हिस्से का संघटन बनाए रखता है। विद्यार्थिनी लिया का द्रव्यमान $60\,\mathrm{kg}$ है; दूसरे चित्र वाला वयस्क संघटन लीजिए (जल 60%, प्रोटीन 17%, लिपिड 16%, खनिज 6%, कार्बोहाइड्रेट 1%)। हर कुल के भीतर तत्वों के द्रव्यमान-अंश: कार्बोहाइड्रेट को 40% कार्बन, लिपिड को 77% कार्बन, और प्रोटीन को 53% कार्बन तथा 16% नाइट्रोजन मानिए।

भाग I — दाना।

$45\,\mathrm{mg}$ द्रव्यमान का एक दाना सुखाया जाता है। वह जल का कितना द्रव्यमान खोता है, और उसका शुष्क द्रव्यमान क्या है?
एक दाने के शुष्क पदार्थ में मंड, प्रोटीन और लिपिड के द्रव्यमान निकालिए।
विधि 1.14 के कौन-से परीक्षण कुचले हुए दाने पर इन तीनों घटकों की पुष्टि करेंगे?
दाना बोया और सींचा जाता है; तीन दिन बाद अंकुर 88% जल है। समझाइए कि 13% पर अंकुरण शुरू क्यों नहीं हो सकता।
एक हेक्टेयर से $8\,\mathrm{t}$ दाना मिलता है। उसके साथ जल का कितना द्रव्यमान काटा जाता है, और शुष्क पदार्थ का कितना?

भाग II — ब्रेड।

एक रोटी $500\,\mathrm{g}$ आटे, $320\,\mathrm{g}$ जल और $10\,\mathrm{g}$ नमक से सेंकी जाती है; भट्ठी में उससे $130\,\mathrm{g}$ जल उड़ जाता है। सिंकी हुई रोटी का द्रव्यमान क्या है, और उसकी जल-मात्रा प्रतिशत में?
आटे के लिए दाने का शुष्क संघटन लेते हुए रोटी में मंड और प्रोटीन के द्रव्यमान का अनुमान लगाइए।
कार्बोहाइड्रेट और प्रोटीन के लिए $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ तथा लिपिड के लिए $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ लेते हुए रोटी की ऊर्जा-मात्रा का अनुमान लगाइए।
लिया इस ब्रेड में से $120\,\mathrm{g}$ खाती है। लगभग $10\,000\,\mathrm{kJ}$ की दैनिक ज़रूरत का वह कितना अंश पूरा करती है?
रोटी का नमक ऊर्जा का स्रोत क्यों नहीं है, और शरीर में वह किस काम आता है?

भाग III — शरीर: जल और कुल।

लिया के शरीर में जल का द्रव्यमान निकालिए।
प्रोटीन, लिपिड, खनिज और कार्बोहाइड्रेट के द्रव्यमान निकालिए।
लंबी दौड़ के दौरान लिया पसीने से $1.2\,\mathrm{kg}$ खो देती है। यह उसके शरीर के जल का कितना अंश है? उसे जल्दी लौटाना क्यों ज़रूरी है?
उसका रक्त, लगभग $4.5\,\mathrm{L}$ , 55% प्लाज़्मा है, और प्लाज़्मा 90% जल। उसके रक्त में जल के द्रव्यमान का अनुमान लगाइए (प्रति लीटर $1\,\mathrm{kg}$ लीजिए)। यह उसके शरीर के जल का कितना अंश है? बाक़ी कहाँ है?
एक नवजात 75% जल है। एक वाक्य में समझाइए कि शिशु निर्जलीकरण के प्रति वयस्क से अधिक असुरक्षित क्यों है।

भाग IV — शरीर: तत्व।

हर कुल के कार्बन-अंशों की मदद से लिया के कार्बोहाइड्रेट, लिपिड और प्रोटीन में कार्बन का द्रव्यमान निकालिए, फिर कार्बन का कुल द्रव्यमान।
उसके शरीर के द्रव्यमान का कितना अंश कार्बन है? प्रतिज्ञप्ति 1.2 के 18.5% से तुलना कीजिए और मेल पर टिप्पणी कीजिए।
उसके प्रोटीनों में नाइट्रोजन का द्रव्यमान निकालिए। वह नाइट्रोजन अंततः आई कहाँ से?
जल द्रव्यमान के हिसाब से 89% ऑक्सीजन है। अकेले उसके शरीर के जल से ढोई जाने वाली ऑक्सीजन का द्रव्यमान निकालिए, और प्रतिज्ञप्ति 1.2 के 65% से तुलना कीजिए। शरीर की अधिकांश ऑक्सीजन किस अणु से समझाई जाती है?
परिणाम एक वाक्य में लिखिए: $60\,\mathrm{kg}$ का व्यक्ति कितने किलोग्राम कार्बन ढोता है, और किन दो जैविक प्रक्रियाओं से वह कार्बन हवा से निकलकर शरीर में पहुँचा?

हल

हल — समस्या 1.1.

1. जल $0.13 \times 45 = 5.9\,\mathrm{mg}$ ; शुष्क द्रव्यमान $39.2\,\mathrm{mg}$ ।

2. मंड $0.70 \times 39.2 \approx 27.4\,\mathrm{mg}$ ; प्रोटीन $0.12 \times 39.2 \approx 4.7\,\mathrm{mg}$ ; लिपिड $0.02 \times 39.2 \approx 0.8\,\mathrm{mg}$ ।

3. मंड के लिए आयोडीन (नीला-काला); प्रोटीन के लिए ब्यूरे (बैंगनी); लिपिड के लिए काग़ज़ पर पारभासी धब्बा या सूडान III।

4. 13% पर भंडार ठोस और एंजाइम निष्क्रिय रहते हैं; भ्रूण के बढ़ने से पहले जल को भंडारों को घोलना और अभिक्रियाओं को चलने देना पड़ता है। अंकुरण जल सोखने से ही शुरू होता है, और अंकुर का 88% इसी बात का निशान है कि उसका रसायन चालू है।

5. जल $0.13 \times 8 = 1.04\,\mathrm{t}$ ; शुष्क पदार्थ $6.96\,\mathrm{t}$ , यानी लगभग $7\,\mathrm{t}$ ।

6. द्रव्यमान $500 + 320 + 10 - 130 = 700\,\mathrm{g}$ । रोटी में जल: आटे से $0.13 \times 500 = 65\,\mathrm{g}$ , और $320\,\mathrm{g}$ जोड़कर, $130\,\mathrm{g}$ घटाकर: $255\,\mathrm{g}$ , यानी $255/700 \approx 36\%$ ।

7. आटे का शुष्क पदार्थ $0.87 \times 500 = 435\,\mathrm{g}$ ; मंड $0.70 \times 435 \approx 305\,\mathrm{g}$ ; प्रोटीन $0.12 \times 435 \approx 52\,\mathrm{g}$ (लिपिड लगभग $9\,\mathrm{g}$ )।

8. $305 \times 17 + 52 \times 17 + 9 \times 38 \approx 5185 + 884 + 342 \approx 6400\,\mathrm{kJ}$ ।

9. रोटी का $120/700 \approx 0.17$ : लगभग $1100\,\mathrm{kJ}$ , यानी $10\,000\,\mathrm{kJ}$ का 11%।

10. नमक खनिज है: वह पहले ही पूरी तरह ऑक्सीकृत है और उसमें जलने लायक़ कार्बन-हाइड्रोजन बंध नहीं हैं। शरीर में उसके आयन रक्त की लवणता तय करते हैं और तंत्रिका तथा पेशी के संकेतों के लिए ज़रूरी हैं।

11. $0.60 \times 60 = 36\,\mathrm{kg}$ जल।

12. प्रोटीन $0.17 \times 60 = 10.2\,\mathrm{kg}$ ; लिपिड $0.16 \times 60 = 9.6\,\mathrm{kg}$ ; खनिज $3.6\,\mathrm{kg}$ ; कार्बोहाइड्रेट $0.6\,\mathrm{kg}$ ।

13. उसके जल का $1.2/36 \approx 3.3\%$ । रक्त का आयतन और ताप का नियंत्रण, दोनों उस पर टिके हैं; 10% की हानि ख़तरनाक है, इसलिए पीकर उसे कुछ ही घंटों में लौटाना चाहिए।

14. प्लाज़्मा $0.55 \times 4.5 \approx 2.5\,\mathrm{L}$ ; जल $0.9 \times 2.5 \approx 2.2\,\mathrm{kg}$ , यानी शरीर के जल का लगभग 6%। बाक़ी कोशिकाओं के भीतर (शरीर के कुल जल का लगभग दो-तिहाई) और कोशिकाओं के बीच के तरल में है।

15. शिशु अपने जल का कहीं बड़ा अंश हर दिन बदलता है (पीना, मूत्र, त्वचा) — वयस्क से कहीं बड़ा; इसलिए बिना कुछ पिए कुछ ही घंटों की हानि उसके कुल का ख़तरनाक अंश निकाल ले जाती है।

16. कार्बोहाइड्रेट $0.40 \times 0.6 = 0.24\,\mathrm{kg}$ ; लिपिड $0.77 \times 9.6 \approx 7.4\,\mathrm{kg}$ ; प्रोटीन $0.53 \times 10.2 \approx 5.4\,\mathrm{kg}$ । कुल लगभग $13\,\mathrm{kg}$ कार्बन।

17. $13/60 \approx 22\%$ , जबकि 18.5% अपेक्षित था। कुलों के गोल किए हुए अंशों और व्यक्तियों के बीच लिपिड-मात्रा के फेर को देखते हुए मेल अच्छा है; दुबले शरीर पर आँकड़ा कम आता है।

18. $0.16 \times 10.2 \approx 1.6\,\mathrm{kg}$ नाइट्रोजन। वह हवा की नाइट्रोजन से आई, जिसे मिट्टी के जीवाणुओं ने पकड़ा, पौधों ने ग्रहण किया और आहार शृंखला के साथ खाया गया।

19. $0.89 \times 36 \approx 32\,\mathrm{kg}$ ऑक्सीजन, यानी शरीर के द्रव्यमान का $32/60 \approx 53\%$ । अकेला जल ही उन 65% का अधिकांश समझा देता है; बाक़ी कार्बनिक अणुओं के भीतर की ऑक्सीजन है।

20. $60\,\mathrm{kg}$ का व्यक्ति लगभग $13\,\mathrm{kg}$ कार्बन ढोता है। वह कार्बन पौधों में प्रकाशसंश्लेषण से कार्बन डाइऑक्साइड के रूप में हवा से निकला, और आहार शृंखला के साथ खाने तथा पाचन से शरीर में पहुँचा।

इस अध्याय में परिभाषित शब्द

शब्दावली के सभी 479 शब्द देखें