فردا مدرسه تطیل است!

بنا به اطلاعیه وزارت آموزش و پرورش فردا کلیه مدارس تهران تعطیل می باشد.

صفر مطلق(کلوین)

ما درباره صفر مطلق شنیده‌اید، تقریبا 273 درجه سانتی‌گراد زیر صفر. آیا می‌دانید در این دمای خاص چه اتفاقاتی می‌افتد؟ چرا دست‌یابی به این دما هیچ وقت در عمل امکان‌پذیر نبوده است؟ و چه نقاط یا اجرامی در زمین،‌ یا حتی دنیا وجود دارند که به این دما نزدیکند؟

در واقع به نظر می‌رسد که هنوز هم ما جواب این سوال‌ها را کامل نمی‌دانیم، زیرا اتفاقاتی که در این دما می‌افتند، هم‌چنان شگفت‌انگیز و غافل‌گیرکننده است. برای نمونه،‌ هفته پیش دانشمندان اعلام کرده‌اند که مولکول‌های گاز بسیار سرد شده ‌می‌توانند تا صد بار بیشتر از مولکول‌های گاز در دمای اتاق، واکنش شیمیایی داشته باشند.

به گزارش نیوساینتیست، در آزمایش‌هایی که در دمای نزدیک به دمای اتاق صورت می‌گیرند،‌ واکنش‌های شیمیایی با کاهش دما کندتر می‌شوند. اما اخیرا دانشمندان متوجه شده‌اند که در دمای نزدیک به صفر مطلق (15/273- سانتی‌گراد یا صفر درجه کلوین) تبادل اتم‌ها کماکان انجام می‌گیرد و این امر، باعث ایجاد اتصالات شیمیایی جدید در این فراید می‌شود. به نظر می‌رسد این فرایند مدیون تاثیرات خارق‌العاده کوانتومی است که قابلیت‌های مولکول‌ها را در دمای پایین افزایش می‌دهد.

به گفته دبورا جین از دانشگاه کلرادو‌ که مقاله‌ای در مورد این یافته جدید منتشر کرده،‌ شاید خیلی منطقی به نظر برسد که انتظار نداشته باشیم در صفر مطلق اثری از واکنش‌های شیمیایی باشد، اما در واقع این طور نیست و در این دما واکنش‌های فراوانی صورت می‌گیرد.

اما چرا دست یافتن به دمای صفر مطلق غیرممکن است؟
از نظر عملی، این کار نیاز به این دارد که گرمای گاز را بگیرید؛‌ اما هر چه دما را پایین بیاورید،‌ گرمای بیشتری را باید از گاز بگیرید. در واقع برای رسیدن به صفر مطلق باید این کار را تا بی‌نهایت ادامه داد. در زبان کوانتوم، باید به سراغ اصل عدم قطعیت هایزنبرگ برویم که می‌گوید هر چه دقیق‌تر در مورد سرعت یک ذره بدانیم،‌ کم‌تر در مورد موقعیت آن خواهیم دانست و برعکس. بنابراین اگر می‌دانید که اتم‌هایتان در آزمایش‌تان وجود دارند،‌ باید تاحدی نسبت به سرعت حرکت آن‌ها و این که بالای صفر مطلق هستند یا نه، نامطمئن باشید،‌ مگر این که وسعت آزمایش شما به اندازه کل هستی باشد!

فکر می‌کنید سردترین جای منظومه شمسی ما کجاست؟
سردترین جایی که تا به حال در منظومه شمسی ما پیدا شده، روی کره ماه است. سال گذشته، ماهواره اکتشافی ماه ناسا، دمای گودال همیشه در سایه‌ای را در قطب جنوب ماه اندازه‌گیری کرد: 240- درجه سانتی‌گراد. این دما حتی از دمای اندازه‌گیری شده برای پلوتو که فاصله‌اش از خورشید 40 برابر فاصله زمین از خورشید است نیز 10 درجه سردتر است.

فکر می‌کنید سردترین جرم طبیعی دنیا چه چیزی باشد؟

سردترین جای شناخته شده دنیا، قلب سحابی بومرنگ است که در منظومه قنطورس قرار گرفته و پنج‌هزار سال نوری با ما فاصله دارد. دانشمندان در سال 1997/ 1376 گزارش کردند که گازهای به جا مانده از یک ستاره مرکزی در حال مرگ، با سرعت خبره‌کننده‌ای جارو می‌شوند و آن ناحیه از فضا تا دمای یک درجه کلوین سرد شده است، یعنی تنها یک درجه گرم‌تر از دمای صفر مطلق. معمولا آثار به جا مانده از تشعشعات حاصل از انفجار بزرگ، یا همان تابش ریزموج زمینه کیهانی، ابرهای گازی موجود در فضا را تا 2.7 کلوین گرم می کند. اما انبساط سحابی بومرنگ نوعی یخچال کیهانی پدید آورده که باعث می‌شود گازها سرمای غیرعادی خود را همچنان حفظ کنند و گرم‌تر از این نشوند. - 

این حساب، سردترین جسم موجود در فضا چیست؟
اگر ماهواره‌های مصنوعی را هم به حساب بیاورید، ‌هنوز اجرام سردتری هم پیدا می‌شود. برخی ابزار موجود در تلسکوپ فضایی پلانک متعلق به آژانس فضایی اروپا،‌ که اردیبهشت ماه 1388 به فضا پرتاب شد، تا دمای 0.1 کلوین سرد شده‌اند تا پارازیت‌های ریزموجی را که ممکن است دید ماهواره را مختل نمایند،‌ متوقف کنند. محیط فضا، در ترکیب با سیستم‌های خنک‌کننده مکانیکی و سرمازاهایی که از گازهای هلیوم و هیدروژن استفاده می‌کردند، طی چهار مرحله متوالی توانستند سردترین جرم فضا را در 0.1 کلوین نگه دارند.

کم‌ترین دمایی که در آزمایشگاه‌ها به آن دست یافته‌ایم، چه قدر بوده است؟
با همه آن‌چه گفته شد، رکورد کم‌ترین دما متعلق به یک آزمایشگاه روی سیاره زمین است. در سال 2003/ 1382 دانشمندان موسسه فناوری ماساچوست (ام.آی.تی) اعلام کردند که ابری از اتم‌های سدیم را تا 0.45 نانوکلوین سرد کرده‌اند، که این رقم رکورد را شکست. پیش از آن،‌ در سال 1999/ 1378 دانشمندان دانشگاه صنعتی هلسینکی در کشور فنلاند توانسته بودند قطعه‌ای از فلز رودیم را تا 1 نانوکلوین سرد نمایند. با این وجود، این دما تنها برای نوع خاصی از جنبش (که در کوانتوم چرخش هسته‌ای نامیده می‌شود) است و نه دمای کلی همه جنبش‌های ممکن.

فکر می‌کنید گازها در دمای نزدیک به صفر مطلق چه رفتار عجیب و غریبی از خود نشان می‌دهند؟
در گازها، مایعات و جامداتی که روزمره با آن‌ها سر و کار داریم،‌ جنبش اتم‌ها و مولکول‌ها و برخورد آن‌ها با یکدیگر باعث گرما یا انرژی حرارتی می‌شود. اما در دماهای بسیار پایین، چنین نیست. در این دماها، قوانین عجیب مکانیک کوانتوم حاکم است؛ به طوری که مولکول‌ها به روال معمول با یکدیگر برخورد نمی‌کنند، بلکه امواج مکانیکی کوانتوم آن‌ها گسترش می‌یابند و با هم هم‌پوشانی پیدا می‌کنند. وقتی آن‌ها بدین صورت هم‌پوشانی پیدا می‌کنند، حالت چگالش بوز- انیشتین را شکل می‌دهند که در آن، اتم‌ها به نحوی رفتار می‌کنند که انگار یک اَبَراتم واحد هستند. اولین چگالش بوز- انیشتین خالص،‌ در سال 1995/ 1374 در کلرادو با استفاده از ابر اتم‌های روبیدیومی ساخته شد که تا دمای کم‌تر از 170 درجه کلوین سرد شده بودند و پدیدآورندگان آن، توانستند جایزه نوبل فیزیک را از آن خود کنند.

   سردترین نقطه زمین

صدمین مطلب هم گذاشته شد

امروز در وبلاگ صدمین مطلب هم گذاشته شد و ما این رقم را در تنها 35 روز به دست آورده ایم. یعنی تقریبا به طور متوسط 3 پست در روز (گرچه در این اواخر خیلی بیش تر از این ها (به جز آخر هفته که دو تا از نویسندگان در سفر بودند) در سایت پست گذاشته شد مثل امروز که این هشتمین پستی است که بر روی سایت قرار می گیرد)

 شاید برایتان سوال پیش بیاید که در قسمت آمار عمر سایت 75 روز زده شده است اما در پست این رقم چیزی دیگری است چون اولین پست در هفدهم ماه قبل منتشر شده است اما سایت از مهر ماه ساخته شده است.

باتشکر بسیار ویژه از شما!!

گروه نویسندگان

سیاهترین ماده جهان

دانشمندان سال گذشته ماده‌ای به وسیله‌ی فناوری نانو ساخته‌اند که طبق ادعای آن‌ها، سیاه‌ترین ماده‌ی ساخته شده به دست بشر به شمار می‌رود.

 رنگ سیاه یکی از مهم‌ترین رنگ‌ها به شمار می‌رود. با وجود این که بیشتر افراد حتی نمی‌توانند سیاه‌تر شدن رنگ سیاه و وجود رنگی بالاتر از سیاهی را تصور کنند، دانشمندانی از مرکز نانوسیستم Surrey در انگلستان، سال گذشته موفق به ساخت مواد فوق‌العاده سیاهی شده‌اند که وانتابلَک نامیده می‌شود.

دستیابی به چنین موفقیتی در راستای مد و زیبایی نیست؛ این ماده برای استفاده در تصویربرداری‌های اِلِکترو اُپتیکال و سیستم‌های فراگیری هدف به منظور بهبود حساسیت دستگاه‌های یاد شده، کاربردی خواهد بود. به عنوان نمونه می‌توان به استفاده از این ماده در بخشی از تلسکوپ، به منظور افزایش توانایی مشاهده‌ی ستاره‌های کم نور اشاره کرد.

مرکز Surrey ادعا می‌کند که ماده‌ی جدید تحت عنوان وانتابلَک (Vantablack) انقلابی در صنعت رنگ و اشیاءسبک‌وزن و نیز مواد حساس به حرارت مانند آلومینیوم به شمار می‌رود؛ ضمن این که ماده‌ی یاد شده، جاذب ۹۹.۹۶ درصد از تشعشعات است و گفته می‌شود که بالاترین درصد جذب ثبت شده تابه‌حال را از آن خود کرده است.

وانتابلک به وسیله‌ی فرآیند رشد دادن نانوتیوب‌های کربنی در دمای پایین ساخته شده است. فرآیند توسعه‌ی این ماده دو سال به طول انجامیده و هم‌اکنون می‌توان از این ماده به صورت ساختارهایی شبیه به آلومینیوم و سنسورهای پیروالکتریک در سیستم‌های تصویربرداری استفاده کرد.

بن ینسن، مدیر ارشد فناوری نانوسیستم‌ Surrey، می‌گوید:

ما در حال افزایش تدریجی تولید خود به منظور پاسخ گویی به نیازهای اولیه مشتری‌هایمان در بخش‌های دفاعی و صنایع هوا و فضا هستیم. به علاوه، پیش از این هم اولین سفارشات خود را تحویل داده‌ایم.    

   

کلمات سخت متون از فصل 1 تا 3

فصل 1 :

فصل 2:

فصل 3:

ارشمیدس (مفهوم شناوری)

کشفی در حمام

روزی که او در حمامی عمومی به داخل خزینه پا نهاد و در آن نشست و حین این کار بالا آمدن آب خزینه را مشاهده کرده ، ناگهان فکری به مغزش خطور کرد. او بلافاصله لنگی را به دور خود پیچید و با این شکل و شمایل به سمت خانه روان شد و مرتب فریاد می‌زد یافتم، یافتم. او چه چیزی را یافته بود؟ پادشاه به او مأموریت داده بود راز جواهر ساز خیانتکار دربار را کشف و او را رسوا کند. شاه هیرون بر کار جواهر ساز شک کرده بود و چنین می‌پنداشت که او بخشی از طلایی را که برای ساختن تاج شاهی به وی داده بود برای خود برداشته و باقی آن را با فلز نقره که بسیار ارزانتر بود مخلوط کرده و تاج را ساخته است.

هر چند ارشمیدس می‌دانست که فلزات گوناگون وزن مخصوص متفاوت دارند، ولی او تا آن لحظه اینطور فکر می‌کرد که مجبور است تاج شاهی را ذوب کند، آنرا به صورت شمش طلا قالب ریزی کند تا بتواند وزن آن را با شمش طلای نابی به همان اندازه مقایسه کند. اما در این روش تاج شاهی از بین می‌رفت، پس او مجبور بود راه دیگری برای این کار بیابد. در آن روز که در خزینه حمام نشسته بود دید که آب خزینه بالاتر آمد و بلافاصله تشخیص داد که بدن او میزان معینی از آب را در خزینه حمام پس زده و جابجا کرده است.

حضرت نوح

داستان حضرت نوح(ع)

 

حضرت نوع یکی از پیامبران عظیم الشان الهی است که نام مبارکش 43 بار در قرآن مجید آمده است ونیز سوره ای به نام ایشان می باشد.وی اولین پیامبر اولوالعزم است که دارای شریعت وکتاب مستقل بوده ونیز اولین پیامبر بعد از ادریس می باشد.شغلش نجاری ومردی بلند قامت وتنومند بوده وصورتی گندم گون داشته است.مرکز بعثت ودعوتش در شامات وفلسطین وعراق بوده است.ایشان 2500 سال عمر کرد ومدت پیامبریش 950 سال بود و200 سال به دور از مردم به ساختن کشتی پرداخت ونیز 500 سال بعد از طوفان زندگی کرد.

در اواخر عمر جبرئیل بر او نازل شد وبه او اعلام کرد که مدت نبوت وعمرت به سر آمده وباید اسم اکبر وعلم نبوت را به پسرت سام واگذار نمائی وآن حضرت چنین کرد وپس از وصایای خود دعوت حق را لبیک گفت .قبر او در نجف ودر بالاسر حضرت علی(ع) می باشد. 

 

رسالت حضرت نوح(ع) 

نوح در850 سالگی به پیامبری مبعوث شد.مردم عصرش غرق در بت پرستی،خرافات وفساد بودند وآنقدردرعقاید خود لجوج بودند که حاضر بودند بمیرند اما دست ازعقایدشان بر ندارند.آنها دست فرزندان خود را گرفته وبه نزد نوح می بردند وبه آنها می گفتند که در صورت زنده ماندن پس از ما هرگز از این دیوانه پیروی نکنید.حضرت نوح آنها را نصیحت می کرد تا دست از بت پرستی وفساد بردارند اما آنها به ایشان توجهی نمی کردند وپیامبری او را انکار می کردند واو را دروغگو می خواندند.نوح در پاسخ آنها می گفت: اگر من دلیل روشنی از پروردگارم داشته باشم آیا باز هم انکارم می کنید؟ای قوم؛من برای این دعوت از شما اجر وپاداش نمی خواهم واجرم با خداست.نوح با دلسوزی آنها را نصیحت می کرد وبه چشم فرزند خود به آنها نگاه می کرد اما آنها بر عناد وکینه خود افزودند وگفتند با ما زیادی جر وبحث می کنی .اگر راست می گوئی عذابی بر ما نازل کن.

 

نوح از رفتار آنها به ستوه آمد واز خداوند یاری طلبید وشکایت قومش را به خدا کرد ؛چون در طول این مدت جز اندکی به او ایمان نیاوردند واو را به دیوانگی متهم می نمودند ومانع تبلیغ او می شدند .گاهی آنقدر او را می زدند که بیهوش روی زمین می افتاد و وقتی به هوش می آمد غسل می کرد وکار خود را دوباره شروع می کرد.او تمام تلاش خود را برای هدایت قومش گرفت اما چون کارش را بی نتیجه دید آنها را نفرین کرد وبه خداوند عرضه کرد:

هیچ یک از کافران را باقی نگذار ،زیرا بندگانت را گمراه ساخته وجز فرزندان بدکار وکافر  ازآنها به وجود نخواهد آمد.

 

ساختن کشتی نجات وسرانجام قوم تلخش

 

خداوند دعوت نوح را اجابت کرد واراده کرد قبل از نابودی قومش او وهمراها نش را نجات دهد.برای همین  دستور ساختن کشتی را صادر نمود.

اما قوم نوح از اینکه نوح آنها را رها کرده  وبه نجاری روآورده بود تعجب کرده واو را مسخره می کردند.اما نوح در جوابشان گفت که به زودی به عذاب الهی گرفتار خواهید شد وآن وقت ما شما را مسخره خواهیم کرد.پس از اتمام کار ساختن کشتی خداوند به او دستور داد به زبان سریانی از همه حیوانات دعوت به عمل آورد .نوح اینکار را کرد واز هر نوع جانوری یک جفت وارد کشتی کرد تا نسل آنان از بین نرود.همچنین او به دستور خداوند کلیه اعضای خانواده خود ونزدیکان ومومنین را به جز همسر وپسرش کنعان که از کافران بودند وارد کشتی نمود. 

 

سرگذشت دردناک فرزند نوح  

 

نوح به سراغ پسر خود آمد واز او خواست که ایمان آورده وبر کشتی سوار شود ولی او دعوت پدر را نپذیرفت و بر کفر خود اصرار نمود وبه پدر گفت :من برای نجات خود به بلندیها خواهم رفت .نصایح نوح در فرزندش اثر نکرد و تلاشش برای نجات او بی نتیجه ماند ودر نتیجه امواج خروشان او را به کام خود برد.

نوح با دیدن این منظره فریاد زد پروردگارا پسرم از خاندان من است ووعده تو در مورد نجات خاندانم حق است.اما خداوند در پاسخ گفت: او از اهل تو نیست وعمل ناصالحی است.پس آنچه را که از آن آگاه نیستی از من نخواه.

بدین ترتیب آب بالا آمد وکشتی به حرکت در آمد.آب از زمین جوشیدن گرفت و با آب آسمان پیوند خورد وهمه کافران را به کام خود فرو برد ونابود کرد.پس از هلاکت تمامی کافران به دستور خداوند زمین آبها را در خود فرو برد وکشتی بر کوه جودی پهلو گرفت.طبق برخی روایات کشتی در سرزمین موصل فرود آمد ونوح وهمراهان که حدود 80 نفر بودند در کنار کوه جودی خانه هایی ساخته و به زندگی خود ادامه دادند.بعدا نسل بشر نیز از همین 80 نفر ونیز سه تن از فرزندان نوح به نام سام-حام و یافث ادامه یافت.

آیروژل

عایق های ایروژل

 

 

ایروژل ماده ای فوق سبک (Ultra-light) متخللی است که از ژل سیلیکا ساخته می شود به طوری که در ساختار آن قسمت مایع ژل از آن خارج شده و گاز جایگزین آن می شود. در نتیجه جامدی متخلل و بسیار سبک بدست می آید که با وزن بسیار کمی که دارد، اما به دلیل ساختار دندانه فرکتالی، مقاومت مکانیکی بسیار بالای از خود نشان می دهد. برای داشتن تصویری بهتر از سبکی ایروژل، به عنوان مثال، اگر ماکتی از انسانی به جرم 84 کیلوگرم کاملا از جنس ایروژل بسازیم، ماکت تنها 17 گرم وزن خواهد داشت! در تصویر زیر، یک آجر دو کیلوگرمی برروی یک بلوک ایروژلی 2 گرمی قرار داده شده است.

 

 

به دلیل ساختار سوپرمتخلخل ایروژل، حالت آن شفاف (Transparent) است به طوری که می توان از یک طرف آن، طرف دیگر را دید. به همین دلیل، به ایروژل، دود منجمد شده (Frozen Smoke) یا هوای جامد (Solid Air) نیز میگویند. رنگ آبی بسیار کم رنگ ایروژل، به دلیل پراکنش فرکانس های پایین نور مرئی است که از بلوک ایروژل میگذرد.

برخلاف اسم ایروژل، ایروژل کاملا جامد است و حالت ژل گونه ندارد. به دلیل ساختار فوق متخلل و گاز محبوس شده درون آن، ایروژل ماده ای ایده آل برای عایق کاری محسوب می شود و عمده کاربری ایروژل های تجاری نیز، در عایق کاری حرارتی است. ضریب انتقال حرارت بسیار کم، سبکی فوق العاده، حالت شفاف و نسبت خواص مکانیکی به چگالی عالی، ایروژل را برای بسیاری از کاربردهای عایقکاری، عایقی بی نظیر معرفی می کند. در تصویر زیر، یک شاخه گل برروی بلوکی از ایروژل قرار داده شده و برروی شعله حرارت می بیند. ضریب انتقال حرارت ایروژل بقدر پایین است که گل هیچ آسیبی نمی بیند.

 

 

تولید ایروژل رولی از سال 2000 آغاز شد. ایروژل رولی، کامپوزیتی است از ایروژل سیلیکا و الیاف تقویت کننده. ایروژل رولی بسته به نوع و مقدار الیاف تقویت کننده، ماتریس ایروژل سیلیکا و مواد افزودنی دیگر، خواص مکانیکی و حرارتی مختلفی دارد.

 

 

 

به دلیل اینکه فاز مایع از درون ایروژل به روش Super-critical Drying خارج شده است، ایروژل ماده ای بسیار خشک است و توانایی جذب رطوبت بالایی دارد. این قابلیت، ایروژل را برای کاربری های دیگر غیر از عایق کاری، مانند صنایع شیمیایی یا گردگیرها، مناسب می سازد.

 

کاربری ایروژل

-          ایروژل شفاف، عایقی ایده آل برای عایق کاری شیشه های پنجره به شمار می آید. اگر ایروژل در شرایط خلاء ساخته شود، ساختار آن به مراتب منظم تر بوده و رنگ آبی آن به میزان قابل توجهی کمتر می شود.

-          عایق های رولی ایروژل که به صورت کامپوزیتی از ایروژل سیلیکا و الیاف تقویت کننده هستند، از سال 2000 به صورت تجاری ساخته شده و در عایقکاری استفاده می شوند.

-          قابلیت جذب رطوبت ایروژل، باعث می شود از ایروژل به عنوان کاتالیزور یا ناقل کاتالیزور در فرآیندهای شیمیایی استفاده شود.

-          از ایروژل دانه ای به عنوان عایق فله ای استفاده می شود و معمولا در عایق کاری نورگیرها و شیشه های سقفی از آن استفاده می گردد.

-          استفاده در عایق کاری فضاپیماها توسط NASA

-          به دلیل وزن بسیار کم، از ایروژل در عایقکاری لباس غواصی استفاده می شود.

-          کاربری های متنوع در فیزیک ذرات، اخترشناسی و فضانوردی

-          استفاده به عنوان ناقل دارو در طب چراکه ایروژل از لحاظ بیولوژیکی هیچ خطری ندارد. دارو جذب ساختار سوپرمتخلل ایروژل شده و به مرور در بدن آزاد می شود. با کنترل ساختار ایروژل می توان نرخ آزادشدن دارو را کنترل نمود.

-          از ایروژل به عنوان جذب کننده آلودگی های فلزات سنگین چون جیوه، قلع و کادمیوم، از آب استفاده می شود.

 

ایمنی

ایمنی در ایروژل بیشتر تابعی از ترکیب جامدی است که از آن ایروژل ساخته می شود. تریبات کربن و آلومینیوم می تواند برای سلامتی خطرناک باشد. اما ایروژل ساخته شده از سیلیکا، خطر شیمیایی برای بدن ندارد. همچنین، ساختار ایروژل، باعث می شود که ایروژل جاذب قوی رطوبت شود و در صورت تماس مستقیم با پوست، می تواند باعث خشکی پوشت شود. بنابراین، توصیه اکید می شود که در جابه جایی ایروژل با دست، از دستکش ایمین استفاده شود. تماس ایروژل برای چشن نیز خطرناک است و باعث خشکی چشم می شود. 

منبع:http://www.irima.ir

ویدیو معرفی ایروژل (انگلیسی) : 

مدت زمان: 2 دقیقه 14 ثانیه 

ویدیو تولید ایروژل در ایران :

مدت زمان: 1 دقیقه 34 ثانیه 

چگونه ماده وراثتی کشف شد!!

فردریک میشر (۱۸۹۵-۱۸۴۴) به سفارش پدرش وارد دانشکده‌ی پزشکی شد، اما به علت دشواری در شنیدن، نمی‌توانست با بیماران به خوبی ارتباط برقرار کند. از این رو تصمیم گرفت، وارد عرصه‌ی پژوهش‌های پزشکی شود. وی در سال ۱۸۶۸ پژوهش‌های خود را زیر نظر فلیکس هوپ سیلر۶ در دانشکده‌ی علوم طبیعی دانشگاه  توبینگن آلمان آغاز کرد. در آن آزمایشگاه، هنگامی که هنوز بسیاری از دانشمندان در مفهوم «سلول» شک داشتند، برخی از مولکول‌‌‌های سازنده‌ی سلول‌ها استخراج شده بودند و پژوهش در زمینه‌ی شیمی بافت‌ها ادامه داشت.

 بررسی شیمیایی سلول‌های سفید خون، به عنوان موضوع پژوهش‌های مایشر برگزیده شد. استخراج این سلول‌ها از گره‌های لنفاوی بسیار دشوار بود، اما در زخم‌های چرک مقدار زیادی از آن‌ها یافت می‌شود. از این رو، مایشر باندهای آلوده را از بیمارستان محلی جمع‌آوری و با کمک محلولی از نمک، گلبول‌های سفید را از آن‌ها جدا می کرد. مایشر در جریان یکی از آزمایش‌هایش، گلبول‌های سفید را تحت تأثیر عصاره‌ی معده‌ی خوک قرار داد. در آن زمان، دانشمندان می‌دانستند این عصاره ، آنزیمی دارد که باعث هضم پروتئین‌ها می‌شود. امروزه آن‌ آنزیم را با نام پپسین می‌شناسیم. وی چگونگی اثر عصاره را بر این سلول‌ها، به دقت زیر میکروسکوپ پی‌ گیری کرد. وقتی عصاره‌ی معده ، پروتئین‌های سفید خون را تخریب کرد، او مشاهده کرد که ساختار این سلول‌‌ها از هم پاشید، اما هسته‌ی آن‌ها تا حدود زیادی سالم باقی ماند. به این ترتیب، او هسته‌ی سلول‌ها را از سیتوپلاسم جدا کرد.

در گام بعدی، هسته‌ها را تحت تأثیر هیدروکسید سدیم قرار داد. افزودن این محلول قلیایی به ظرف حاوی هسته‌ها، باعث تشکیل رسوب سفید رنگی شد که تجزیه‌ی شیمیایی آن نشان داد، کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و درصد زیادی فسفر، عنصر های سازنده‌ی آن هستند. پایداری در برابر عمل پپسین، چگونگی واکنش آن به حلال‌های متفاوت و درصد فسفر بالا باعث شد که مایشر پیشنهاد کند، ماده غیر پروتئینی جدیدی را کشف کرده است. وی این ماده را نوکلئین به معنای «در هسته» نامید.

 میشر آزمایش‌های مشابهی را روی اسپرم ماهی آزاد انجام داد. به طور کلی، هسته در همه‌ی اسپرم‌ها حجم زیادی از سلول‌ را به خود اختصاص می‌دهد. در اسپرم ماهی آزاد نیز بیش از ۹۰ درصد حجم سلول، از هسته است. تلاش شبانه‌روزی این پژوهشگر پرکار به استخراج نوکلئین از اسپرم ماهی آزاد و اسپرم گونه‌های دیگر منجر شد. بررسی شیمیایی نوکلئین استخراج شده از آن منابع، نتیجه‌ی پیشین را تأئید کرد. مایشر به‌راستی ماده‌ی جدیدی کشف کرده بود که به نظر می‌رسید، در هسته‌ی همه‌ی سلول‌ها وجود دارد. آیا این ماده نمی‌توانست ماده‌ی ژنتیک باشد؟

 اگر نوکلئین ماده‌ی ژنتیک باشد، باید مقدار آن در همه‌ی سلول‌های پیکری یکسان و در سلول‌های جنسی نصف سلول‌های پیکری باشد. مایشر برای بررسی این فرضیه چند سال تلاش کرد و توانست مقدار نوکلئین را در هسته‌ی سلول‌های پیکری و جنسی تعیین کرد. اما یک روی‌داد ناشی از بدشانسی باعث شد، او به اشتباه نوعی پروتئین را به عنوان ماده‌ی ژنتیک معرفی کند.

 میشر درصد فسفر بالا را معیار شناسایی نوکلئین قرار داده بود. در سیتوپلاسم سلول تخمک، پروتئینی به نام فسویتین۷ وجود دارد که بر خلاف دیگر پروتئین‌ها، مقدار زیادی فسفر دارد. این پروتئین که در آن زمان کشف نشده بود، باعث شد مایشر مقدار نوکلئین موجود در تخمک را به درستی محاسبه نکند. از این رو، نتیجه گرفته که مقدار نوکلئین سلول تخمک و سلول اسپرم با هم برابر نیستند و بنابراین چنین مولکولی نمی‌تواند نقش ماد ه‌ی ژنتیک را بازی کند.

 میشر پس از سال‌ها تلاش، در اثر سل جان باخت. دو عامل را دلیل ابتلای او به این بیماری می‌دانند: تماس با چرک باندهای بیماران و فعالیت شبانه‌روزی در اتاق سردی که برای استخراج نوکلئین لازم بود. در هر صورت، وی جان خویش را بر سر شناخت نوکلئین گذاشت.(نامش زنده و یادش گرامی باد)

فوبوس لون (۱۹۴۰-۱۸۶۹) فراگیری پزشکی را در روسیه آغاز کرد، اما به سبب کار در آزمایشگاه شیمی آلی، به زیست‌شیمی ( بیوشیمی ) علاقه‌ مند شد. در سال ۱۸۲۹ آموزش پزشکی را در نیویورک به پایان رساند و با بزرگان شیمی از جمله آلبرت کوسل۸ و امیل فیشر۹ آشنا شد که در زمینه‌ی اسید نوکلئیک و پروتئین کار می‌ ‌کردند. او در نتیجه‌ی پژوهش‌های فراوان ، بیش از ۷۰۰ مقاله درباره‌ی ساختمان شیمیایی مولکول‌های زنده منتشر کرد، اما شهرت او بیش‌تر به سبب طرح تترانوکلئوتیدی است.

 لون براساس پژوهش‌های خود و پژوهش‌ گران پیشین به این نتیجه رسید که نوکلئوتیدها واحد ساختمانی اسیدهای نوکلئیک هستند و اسید نوکلئیکی که مایشر کشف کرده بود، از نوع داکسی ریبونوکلئیک (DNA) است. هر نوکلئوتید از یک نوع باز آلی، یک قند پنج‌ کربنه و یک گروه فسفات تشکیل شده که در شرایط طبیعی به صورت یونیزه و دارای بار منفی است. به علاوه او دریافت، نوکلئو تیدها از راه اتصال فسفودی استری به هم پیوند می‌شوند.

 لون براساس آزمایش‌های خود به این نتیجه‌ی نادرست دست یافت که اندازه‌ی چهار باز A ، T ، C و G ، در DNA برابر است. از این رو، طرح تترانوکلئوتیدی را به عنوان ساختمان شیمیایی DNA پیشنهاد کرد. براساس این طرح، DNA مولکول درازی است که از تکرار یک واحد تترانوکلئوتیدی (چهار نوکلئوتیدی) تشکیل شده است؛ یعنی، به صورت زیر:

  AGTC-AGTC-AGTC-AGTC … )_n …)

 روشن است که چنین مولکول یکنواختی نمی‌توند اطلاعات وراثتی گوناگون جاندارن را در خود اندوخته کند. به این ترتیب، طرح تترانوکلئوتیدی لون از این باور پشتیبانی کرد که با وجود حضور DNA در کروموزوم‌ها، این مولکول نمی‌تواند ماده‌ی وراثتی باشد. البته، این اشتباه نباید نقشی را که لون در شناخت ساختمان شیمیایی DNA داشته است، از یاد ببرد.

اروین چارگاف

اروین چارگاف (۱۹۹۲-۱۹۲۹) در زمینه‌ی شیمی، پژوهش‌های گسترده‌ای انجام داده، اما بیش تر به خاطر به دست آوردن نسبت بازهای آلی در DNA مشهور است. وی و همکارانش به مدت هفت سال با روش کروماتوگرافی کاغذی، نسبت بازهای آلی DNA را در جاندارن گوناگون و سلول‌های پیکری یک جاندار تعیین کردند و نتیجه گرفتند، مقدار بازها در DNA گونه‌های مختلف جانداران متفاوت است و با تغییر رژیم غذایی، تغییر شرایط محیطی یا افزایش سن جاندار، تغییر نمی‌کند. اما در تمام نمونه‌ها، مقدار A با مقدار T و مقدار C با مقدار G برابر است.

 آزمایش‌های چارگاف نشان داد، نظریه‌ی تترانوکلئوتیدی لون درست نیست. نتیجه‌ی این آزمایش‌‌ها، در روش ساختن ساختمان مولکولی DNA و چگونگی اندوخته شدن اطلاعات در آن، نقش مهمی داشتند. به هر حال، خود او نتوانست از آن‌ها در این زمینه بهره گیرد.

لینوس پاولینگ

روش پراش پرتوی ایکس نخستین بار برای مطالعه‌ی بلور نمک طعام استفاده شد. شیمی‌دان بزرگ لینوس پاولینگ، یکی از نخستین کسانی بود که با بهره‌گیری از این روش تلاش کرد، ساختمان سه بعدی پروتئین‌ها را روشن کند. وی در مجموعه مقاله‌هایی که در سال‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۵۱ انتشار داد، مارپیچ آلفا را مهم‌ ترین رکن ساختمان سه بعدی پروتئین‌ها معرفی کرد.

 پاولینگ برای DNA نیز طرحی پیشنهاد کرد. در طرح او، DNA از سه رشته‌ی مارپیچ تشکیل شده بود که بازهای آلی آن در بیرون و ستون‌های قند فسفات در درون مولکول قرار داشتند. به علاوه، در طرح او گروه‌های فسفات به حالت یونیزه و دارای بار منفی نبودند و رشته‌ها از راه پیوندهای هیدروژنی با هم ارتباط داشتند که بین گروه‌های فسفات برقرار شده بودند.

 براساس آن‌چه که از شیمی DNA می‌دانیم، گروه‌های فسفات همیشه به حالت یونیزه و دارای بار منفی‌‌ هستند و این معما همچنان باقی است که پاولینگ (برند ه‌ی نوبل شیمی) چگونه چنین اشتباهی مرتکب شده است؟ باوجود این، همان طور که در ادامه می‌آید، شیوه‌ی پژوهشی او تأثیر مهمی بر فعالیت های واستون و کریک داشت.

روزالین فرانکلین

روزالین فرانکلین (۱۹۵۸-۱۹۲۰) در سال ۱۹۵۱ به همراه یکی از دانشجویان به نام رایموند گوسلینگ۱۰، مجموعه‌ای از تصویرهای پراش پرتوی ایکس با کیفیت بالا، از بلور DNA تهیه کرد. او با استفاده از این تصویرها تو انست، ابعاد DNA را محاسبه کند و به درستی نتیجه گرفت که گروه‌های فسفات در بیرون مولکول DNA قرار دارند. به علاوه تشخیص داد، DNA به دو شکل A و B وجود دارد و شکل راستین DNA ، همان شکل B است. تصویری که او از بلور شکل B تهیه کرد، در روشن شدن ساختمان سه بعدی DNA نقش به سزایی داشت. آن تصویر را موریس ویکلینز (با اجازه یا بدون اجازه‌ی فرانکلین) در اختیار واستون و کریک قرار داده بود.(واتسون در کتاب خود، که با نام مارپیچ مضاعف در ایران منتشر شده است، به این حقیقت اشاره کرده است.)

فرانکلین در سال ۱۹۵۸ در اثر سرطان درگذشت. به نظر می‌رسد، کار بیش از اندازه با پرتو ایکس در ابتلای او به سرطان مؤثر بوده است.

واستون و کریک

در روزهای پایانی سال ۱۹۵۱، جیمز واتسون (زیست‌شناس) و فرانسیس کریک (فیزیکدان) با هدف تعیین ساختمان مولکولی DNA ، همکاری خویش را آغاز کردند. آنان می‌دانستند، مولکول DNA از تعداد زیادی نوکلئوتید تشکیل شده است که به صورت خطی و با کمک اتصال‌های فسفودی استری کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. از سوی دیگر، در همین سال، پاولینگ مارپیچ آلفا را به عنوان مهم‌ترین رکن ساختمان سه بعدی پروتئین‌ها معرف کرده بود. از این رو، نخستین طرح فرضی برای DNA ، در ذهن این زوج علمی شکل گرفت:

 ۱٫ DNA رشته‌ای دراز و مارپیچی شکل از واحدهایی به نام نوکلئوتید است. در این رشته، ستون قند فسفات بسیار منظم و ترتیب بازها بسیار نامنظم است.

 وقتی آنان طرح فرضی خود را با ویلکینز در میان گذاشتند، با این پاسخ روبه‌رو شدند که برای اساس تصویرهای پراش پرتوی ایکس، قطر مولکول DNA بیش از آن است که وجود تنها یک رشته پلی‌نوکلئوتیدی آن را توجیه کند. از این رو، کریک پیشنهاد تازه‌ای را مطرح کرد:

۲٫ مولکول DNA از چند رشته‌ی پلی نوکلئوتیدی تشکیل شده است که به دور یکدیگر پیچ خورده‌اند.

 آیا DNA مولکولی دو رشته‌ای، سه رشته‌ای یا چهار رشته‌ای است؟ ارتباط این رشته‌ها با یکدیگر چگونه است؟ آیا به راستی مولکول DNA ساختمان مارپیچی دارد؟ پاسخ این پرسش‌ها با اطلاعات کمی که در اختیار واتسون و کریک بود، به دست نمی‌آمد. از این رو، از ویلکینز خواستند با آنان همکاری کند و تصویر پراش پرتوی ایکس بلور DNA را در اختیارشان قرار دهد. آنان با در دست داشتن تصویر پراش پرتوی ایکس DNA ، تصمیم گرفتند همانند دیگر دانشمندانی که به مطالعه‌ی بلور مولکول‌ها می‌پرداختند، با استفاده از سیم و تکه‌های حلب، طرح فرضی DNA را بسازند.

 تفسیر تصویرهای پراش بلورها، به محاسبه‌ی پیچیده‌ای نیاز دارد. در آن زمان، هنوز رایانه وارد آزمایشگاه‌های بلورشناسی نشده بود. از این رو، بلورشناسان با توجه به اطلاعات اندکی که از تصویرهای پراش پرتو ایکس به دست می‌آوردند، طرح‌های فرضی مولکول‌‌ها را می‌ساختند. سپس با انجام محاسبه‌هایی ، الگوی پراش فرضی این طرح‌های ساختگی را تعیین می‌کردند. سرانجام، پراش فرضی با پراش بلور مقایسه و ساختمان سه بعدی مولکول مورد نظر پیش‌بینی می‌شد. برای مثال، وجود تقارن و نظم در تصویر پراش بلور، نشان دهنده‌ی نظم و تکرار واحدهای سازنده‌ی مولکول‌های بلور است. بنابراین، طرح ساخته شده باید دارای نظم و واحدهای تکرار شونده باشد.

 واتسون و کریک با فرض این که ستون قند فسفات در مرکز و بازهای حلقوی در بیرون مولکول DNA قرار دارند، به ساختن نخستین طرح برای DNA مشغول شوند. براساس این طرح :

 ۳٫ DNA از دو رشته‌ی پلی نوکلئوتیدی تشکیل شده است. این رشته‌ها با پل‌های نمکی به هم مربوط می‌شوند که در آن‌ها کاتیون‌های دو ظرفیتی مانند +Mg2 و گروه‌های فسفات دارای بار منفی، شرکت دارند.

 پس از پایان کار، آنان از ویلکینز و فرانکلین دعوت کردند، طرحشان را بررسی کنند. وقتی آنان مسأله‌ی یون‌های +Mg2 را مطرح کردند که دو رشته را کنار یکدیگر نگه می‌دارند، با اعتراض شدید فرانکلین روبه‌رو شدند. فرانکلین پافشاری کرد که یون‌های +Mg2 را پوسته‌هایی از مولکول‌های آب دربرمی‌گیرند و بسیار دور است میخ محکمی برای نگه‌داشتن ساختمان DNA باشند. نظر او این بود که ستون قند و فسفات در بیرون قرار دارد. به این ترتیب، مولکول‌های آب، طرح دو رشته‌ای واتسون و کریک را فروریختند.

 مدت‌ها از این ماجرا گذشت ، بدون آن که واتسون و کریک به موفقیت چشمگیری دست پیدا کنند. تا این که با خبر شدند، پاولینگ برای ساختمان سه بعدی DNA ، طرحی پیشنهاد کرده است. اما همان طور که گفته شد، طرح مارپیچ سه رشته‌ای پاولینگ از نظر شیمیایی نادرست بود.

 مدتی بعد، در دیداری که این زوج علمی با ویکلینز داشتند، با تصویر تازه‌ای از بلور DNA روبه‌رو شدند که از تصویرهای پیشین ساده‌تر بود. آن تصویر را که مربوط به شکل B بود، فرانکلین تهیه کرده بود. ویلکینز به آنان گفت، آن تصویر از بلوری تهیه شد ه که مقدار زیادی آب داشته است و تصویر پیشین که آن دو روی آن کار می‌کرده‌اند، از مولکولی بوده که آب خود را از دست داده بوده است. کریک به کمک ویلکینز آن تصویر را با معادله‌های ریاضی بررسی کرد تا اطلاعات زیر به دست آمد:

 ۱) تصویر پراش بسیار منظم است. بنابراین، ساختمان مولکولی DNA باید بسیار منظم و قطر آن در همه‌ی مولکول ثابت باشد.

۲) نقش ضربدری که در تصویر مشا هده می‌شود، از مارپیچ بودن مولکول DNA حکایت می‌کند و زاویه‌ی بین بازوی ضربدر و خط افق، با زاویه‌ی پیچش DNA برابر است.

۳) در تصویر پراش، نقطه‌هایی که فاصله‌ی زیادی از هم دارند، در واقع فاصله‌ی اندکی از یکدیگر دارند و برعکس. با در نظر گرفتن این قاعده که معادله‌های پیچیده‌ی ریاضی آن را تأ یید می‌کنند، فاصله‌ی بین مرکز و محیط تصویر پراش، حدود ۳۴ انگستروم و فاصله‌ی بین هر ردیف از نقطه‌های سیاه با ردیف بعدی، حدود ۳۴ انگستروم محاسبه می‌شود. بنابراین، فاصله‌ی هر جفت باز با جفت باز دیگر، حدود ۴/۳ انگستروم و فاصله‌ی عمودی یک دور کامل مارپیچ DNA ، حدود ۳۴ انگستروم خواهد بود. در این صورت، در هر دور مارپیچ DNA ، حدود ۱۰ جفت باز آلی جای می‌گیرد.

سرانجام، واتسون و کریک با درنظر گرفتن این اطلاعات و نتیجه‌ی آزمایش‌های چارگاف، توانستند به بزرگ‌ترین کشف زیست‌شناسی مولکولی دست یابند و به همراه ویلکینز، جایز ه‌ی نوبل ۱۹۶۲ را از آن خود کنند.

در این میان جای روزالین فرانکلین بسیار خالی بود.

سخن پایانی

 کشف مارپیچ دوتایی، نمونه‌ی خوبی از نقش و تأثیر دانشمندان رشته‌های گوناگون علوم، در حل یک مسأله است. بدون شناختن ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی DNA ، زیست‌شناسان هرگز نمی‌توانستند به این کشف مهم دست پیدا کنند. جالب این که، در این کشف نقش شیمیدانان و فیزیکدانان، از زیست‌شناسان پررنگ‌تر بود.

فردریک میشر

تخته ی فیزیک کلاس 1/3 (94/9/18)