Τα επίπεδα οργάνωσης της ύλης

Προσπάθησα να κάνω αυτήν την περίληψη όσο πιο ακριβή, σύντομη και απλή γίνεται, αλλά ταυτόχρονα ενδιαφέρουσα σε όλους, ανεξαρτήτως του υποβάθρου σας στην επιστήμη και σε γενικές γνώσεις. Δεν ήταν καθόλου εύκολη ισορροπία. Καθώς περνάμε, στην ουσία, από όλες τις επιστήμες που υπάρχουν, ήταν τελείως απίθανο να μην γίνουν λάθη, οπότε έπρεπε να καταπολεμήσω την αυστηρή τελειομανή μέσα μου για να επιχειρήσω κάτι τέτοιο. Μπορεί να βρείτε ορισμένα πράγματα δύσκολα ή όχι εντελώς σωστά. Στην πρώτη περίπτωση, μην απογοητευτείτε, το νόημα δεν είναι να καταλάβετε τα πάντα, αλλά να πάρετε μια ιδέα για την δομή του Σύμπαντος και να κινητοποιηθείτε για να μάθετε περισσότερα. Πολλοί σύνδεσμοι θα σας παραπέμψουν σε άρθρα της Βικιπαίδειας, όπου μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για τις διάφορες έννοιες υπό συζήτηση και στο τέλος του άρθρου θα βρείτε εικόνες για κάθε επίπεδο. Στην δεύτερη περίπτωση, συγχωρέστε τα λάθη μου και στείλ’τε μου τις απόψεις σας για το πώς μπορώ να κάνω την συλλογή αυτή ακόμα καλύτερη, έχοντας στο μυαλό σας ότι ο σκοπός αυτού του άρθρου δεν είναι να εκδοθεί σε επιστημονικό περιοδικό.

Η ύλη έχει ικανότητες αυτοοργάνωσης. Εδώ θα αναφερθούμε στα επίπεδα οργάνωσής της από τα υποατομικά σωματίδια μέχρι το σύμπαν, παρ’ όλο που είναι πιθανό να ανακαλυφθούν και άλλα με την ανάπτυξη της επιστήμης. Η ζωή, που εκφράζεται από τα επίπεδα μεταξύ μεγαλομορίων και βιόσφαιρας, αποτελεί παρακλάδι στην οργάνωση της ύλης, αφού δεν είναι απαραίτητη για τον σχηματισμό των επόμενων επιπέδων. Επιπλέον, η ζωή είναι οργανωμένη με αυτόν τον τρόπο μόνο όπως την γνωρίζουμε στην Γη. Δεν γνωρίζουμε αν αυτός είναι ο μόνος τρόπος που μπορεί να σχηματιστεί η «ζωή», καθώς δεν έχουμε συναντήσει άλλο είδος ζωής πάνω στον πλανήτη μας ή έξω από αυτόν. Σε κάθε περίπτωση, στο μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος, όπου δεν υπάρχει ζωή, περνάμε κατευθείαν από τα μόρια στην κοσμική σκόνη.

1. Υποατομικό σωματίδιο

Τα στοιχειώδη υποατομικά σωματίδια δεν έχουν γνωστή εσωτερική δομή, δηλαδή μέχρι στιγμής δεν γνωρίζουμε να αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια. Όλα τα στοιχειώδη σωματίδια είναι, αναλόγως την ιδιοπεριστροφή τους, φερμιόνια ή μποζόνια. Τα φερμιόνια αποτελούν τα σωματίδια που σχηματίζουν την ύλη (κουάρκ και λεπτόνια) και την αντιύλη (αντικουάρκ και αντιλεπτόνια). Το ηλεκτρόνιο είναι ένα λεπτόνιο. Τα μποζόνια είναι τα σωματίδια των δυνάμεων, δηλαδή μεσολαβούν στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φερμιονίων. Επομένως, τα φερμιόνια μπορούν να θεωρηθούν ως η δομική μονάδα της ύλης, ενώ τα μποζόνια ως οι μεσολαβητές των θεμελιωδών δυνάμεων της φύσης (βαρυτική, ηλεκτρομαγνητική, ισχυρή πυρηνική και ασθενής πυρηνική) που επηρεάζουν την ύλη.

Συνδυασμοί των στοιχειωδών υποατομικών σωματιδίων σχηματίζουν τα σύνθετα σωματίδια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια καθένα από τα οποία σχηματίζονται από τρια κουάρκ το καθένα και μαζί συνθέτουν τον πυρήνα του ατόμου.

2. Άτομο

Το άτομο αποτελείται από τον πυρήνα και τα ηλεκτρόνια που κατανέμονται γύρω από αυτόν. Ανάλογα με τον αριθμό νετρονίων και πρωτονίων του πυρήνα, το άτομο ανήκει σε διαφορετικό χημικό στοιχείο. Κάθε χημικό στοιχείο έχει τις δικές του χημικές ιδιότητες, οι οποίες καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρά με τα άλλα χημικά στοιχεία.

3. Μόριο

Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ατόμων οδηγούν στο σχηματισμό χημικών δεσμών μεταξύ τους και στη δημιουργία ενός μορίου. Κάθε μόριο έχει κι αυτό τις δικές του χημικές ιδιότητες, που προκύπτουν από τα άτομα που το αποτελούν και τον τύπο του δεσμού που τα συνδέει. Ο συνδυασμός αυτός οδηγεί σε «αναδυόμενες» ιδιότητες τις οποίες δεν έχουν απαραίτητα τα επιμέρους άτομα όταν είναι αδέσμευτα.
Μόρια που σχηματίζονται από δύο ή περισσότερα διαφορετικά στοιχεία ονομάζονται χημικές ενώσεις. Χημικές ενώσεις που αποτελούνται από οποιαδήποτε άλλα στοιχεία εκτός του άνθρακα ονομάζονται ανόργανες, ενώ αυτές που περιέχουν άνθρακα ονομάζονται οργανικές.

3.1 Μεγαλομόριο

Σε ορισμένες περιπτώσεις, πολλές παρόμοιες ή ίδιες ενώσεις, που ονομάζονται μονομερή, σχηματίζουν μεγάλες αλυσίδες, τα πολυμερή. Τα οργανικά πολυμερή είναι πολύ μεγάλα μόρια που εμφανίζουν με τη σειρά τους ορισμένες νέες (βιο)χημικές ιδιότητες, όπως είναι η αποθήκευση πληροφορίας και η περίπλοκη και ειδική καταλυτική λειτουργία (ένζυμα). Τα μόρια αυτά, επειδή είναι πολύ μεγάλα, είναι και πολύ ευαίσθητα και δύσκολα επιβιώνουν ελεύθερα στο περιβάλλον. Διασπώνται γρήγορα στα επιμέρους συστατικά τους. Ωστόσο, όταν είναι προστατευμένα, όπως, ας πούμε, με μία διπλή στιβάδα λιπιδίων, την κυτταρική μεμβράνη, διατηρούνται και τους δίνεται η δυνατότητα να αλληλεπιδράσουν και να σχηματίσουν ζωή, όπως την γνωρίζουμε στον πλανήτη μας. Τα μακρομόρια στα οποία βασίζεται η ζωή είναι οι υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες, τα νουκλεϊκά οξέα και τα λιπίδια (τα λιπίδια δεν είναι αληθινά πολυμερή, αλλά είναι βασικά για την ζωή και συχνά αναφέρονται μαζί με τα υπόλοιπα).

3.2 Οργανίδιο

Το οργανίδιο είναι μία οργανωμένη συλλογή μακρομορίων αλλά και ανόργανων ενώσεων μέσα στο κύτταρο που εκτελεί κάποιες ειδικές λειτουργίες. Για παράδειγμα, το μιτοχόνδριο είναι ένα οργανίδιο που περιέχει διάφορα μακρομόρια όλων των κατηγοριών και η βασική του λειτουργία είναι η παραγωγή ενέργειας.

3.3 Κύτταρο

Το κύτταρο είναι μία συλλογή οργανιδίων και ανόργανων μορίων (νερό, νάτριο, κάλιο κλπ) και είναι η δομική μονάδα της ζωής. Είναι, δηλαδή, η μικρότερη δυνατή οντότητα που παρουσιάζει τους χαρακτήρες της ζωής και άρα που μπορεί να θεωρηθεί «ζωντανή». Ορισμένα κύτταρα αποτελούν από μόνα τους έναν οργανισμό (μονοκύτταροι οργανισμοί), ενώ άλλα συνθέτουν συναφείς ομάδες (πολυκύτταροι οργανισμοί).

3.4 Ιστός

Στους πολυκύτταρους οργανισμούς, τα κύτταρα μπορεί να διαφέρουν μεταξύ τους. Μία ομάδα όμοιων κυττάρων που εκτελεί συγκεκριμένες λειτουργίες αποτελεί ένα ιστό. Για παράδειγμα, ο μυϊκός ιστός αποτελείται από πολλά όμοια κύτταρα, τα μυϊκά κύτταρα (ή μυϊκές ίνες), τα οποία έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά, συμπεριλαμβανομένης της ικανότητας να συστέλλονται. Άλλοι ιστοί είναι ο νευρικός, ο επιθηλιακός και ο στηρικτικός ιστός.

3.5 Όργανο

Ένα όργανο αποτελείται από κύτταρα διαφορετικών ιστών, οργανωμένα έτσι ώστε να εκτελούν μία σύνθετη, ανώτερη βιολογική λειτουργία. Η καρδιά, για παράδειγμα, αποτελείται από έναν «σκελετό» στηρικτικού ιστού σε σχήμα τεσσάρων δακτυλίων, στους οποίους προσφύονται οι καρδιακές μυϊκές ίνες. Αυτές σχηματίζουν τέσσερις κοιλότητες που εσωτερικά καλύπτονται από ειδικό επιθηλιακό ιστό, το ενδοκάρδιο. Εξωτερικά, όλος ο μυς της καρδιάς καλύπτεται από ένα διπέταλο επιθηλιακό σάκο, το περικάρδιο. Μέσα στα τοιχώματα της καρδιάς βρίσκεται ένα σύστημα ηλεκτρικής αγωγιμότητας που συνίσταται από εξειδικευμένα κύτταρα με χαρακτηριστικά τόσο μυϊκού όσο και νευρικού ιστού, το οποίο ρυθμίζει τη συστολή των μυϊκών ινών. Η καρδιά, έτσι, λειτουργεί ως αντλία προωθώντας το αίμα που εισέρχεται σε αυτή.

3.6 Οργανικό σύστημα

Είναι μια ομάδα οργάνων που εκτελεί μία ακόμη πιο σύνθετη βιολογική λειτουργία. Η καρδιά, ένα δίκτυο αρτηριών, φλεβών και τριχοειδών αγγείων, και το αίμα συνθέτουν το καρδιαγγειακό σύστημα, το οποίο έχει σκοπό την ανταλλαγή ουσιών μεταξύ κάθε σημείου του σώματος και του περιβάλλοντος.  

3.7 Οργανισμός

Ο οργανισμός είναι μία ξεχωριστή, συναφής μορφή ζωής. Μπορεί να είναι είτε μονοκύτταρος είτε πολυκύτταρος. Στην περίπτωση σύνθετων μορφών ζωής, ο οργανισμός είναι ένα σύνολο οργανικών συστημάτων που συνεργάζονται προς  το σχηματισμό μιας αυτόνομης μορφής ζωής.

3.8 Πληθυσμός

Πληθυσμός είναι μία ομάδα οργανισμών που ανήκουν στο ίδιο είδος.

3.9 Κοινότητα

Κοινότητα είναι μια ομάδα αλληλεπιδρώντων οργανισμών που ανήκουν σε διαφορετικά είδη και μοιράζονται την ίδια περιοχή.

3.10 Οικοσύστημα

Οικοσύστημα είναι μία κοινότητα μαζί με την άβια ύλη (γη, νερό, αέρας κλπ) εντός της περιοχής.

3.11 Βιόσφαιρα

Είναι το σύνολο όλων των οικοσυστημάτων της Γης (ή άλλου κατοικημένου πλανήτη). Επομένως, αντιπροσωπεύει επίσης την ζώνη της Γης που φιλοξενεί τη ζωή.

4. Αστρική σκόνη

Είναι μικρές συλλογές μορίων που αιωρούνται στο διάστημα.

5. Συσσωμάτωση

Σωματίδια σκόνης κάτω από την επίδραση της βαρύτητας έλκονται και συσσωρεύονται σχηματίζοντας συσσωματώσεις ύλης.

6. Ουράνιο σώμα

Μία συσσωμάτωση της ύλης μπορεί να οργανωθεί σε ένα καλά σχηματισμένο ουράνιο σώμα. Τα άστρα είναι μεγάλα σφαιρικά ουράνια σώματα που είναι αυτόφωτα, δηλαδή παράγουν δικό τους φως και δική τους θερμότητα. Οι πλανήτες είναι σώματα που περιφέρονται γύρω από ένα άστρο και έχουν αρκετή μάζα ώστε να αποκτήσουν σφαιρικό σχήμα. Είναι ετερόφωτοι, δηλαδή δεν παράγουν φως και θερμότητα, παρά μόνο τα δέχονται από το άστρο τους. Ο πλανήτης που κατοικούμε είναι η Γη και το άστρο γύρω από το οποίο περιφέρεται είναι ο Ήλιος. Υπάρχουν και άλλα ουράνια σώματα, όπως οι αστεροειδείς και οι δορυφόροι.

7. Αστρικό/Ηλιακό σύστημα

Αποτελείται από ένα άστρο μαζί με τους πλανήτες και τα λοιπά ουράνια σώματα που βρίσκονται υπό την επίδραση του βαρυτικού του πεδίου. Το αστρικό σύστημα του Ήλιου μας ονομάζεται Ηλιακό σύστημα.

8. Αστρικό σμήνος

Είναι μία ομάδα άστρων, από δεκάδες μέχρι μερικά εκατομμύρια, που συγκρατώνται μεταξύ τους λόγω των αμοιβαίων βαρυτικών έλξεων. Όλα τα άστρα ενός αστρικού σμήνους γεννήθηκαν την ίδια περίοδο από την ίδια αστρική σκόνη και το καθένα έχει το δικό του αστρικό σύστημα, με τους πλανήτες, τους αστεροειδείς του κλπ

9. Γαλαξίας

Ένα σύστημα εκατομμυρίων ή δισεκατομμυρίων αστρικών συστημάτων και σμηνών που συγκρατούνται μεταξύ τους μέσω βαρυτικών δυνάμεων καλείται γαλαξίας. Ο Γαλαξίας στον οποίο ανήκει το ηλιακό μας σύστημα γράφεται με κεφαλαίο, καθώς θεωρείται κύριο όνομα.

10. Σύμπλεγμα γαλαξιών

Μία ομάδα γαλαξιών (από μερικούς μέχρι χιλιάδες στον αριθμό) που συγκρατούνται μεταξύ τους μέσω της βαρύτητας αποτελούν ένα σύμπλεγμα γαλαξιών.

11. Σύμπαν

Όλος ο υπάρχων χωροχρόνος, μαζί με όλη την ύλη και ενέργεια που περιλαμβάνει, αποτελεί το Σύμπαν.

Περιηγηθείτε στα διάφορα επίπεδα με αυτήν την υπέροχη διαδραστική απεικόνιση: Η κλίμακα του σύμπαντος

1α. Τα στοιχειώδη υποατομικά σωματίδια που περιλαμβάνονται
στο Καθιερωμένο Πρότυπο.
Πηγή: Wikipedia, Elementary particle

1β. Το πρωτόνιο είναι σύνθετο σωματίδιο που αποτελείται
από δύο «πάνω» και ένα «κάτω» κουάρκ
Πηγή: Wikipedia, Proton

2. Αναπαράσταση του ατόμου του Ηλίου, όπου απεικονίζεται
ο πυρήνας (ροζ) και το ηλεκτρονιακό νέφος (μαύρο-γκρι)
Πηγή: Wikipedia, Atom

3. Ένα μόριο νερού αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου και ένα οξυγόνου.

Πηγή: Wikipedia, Water

3.1. Το DNA (δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ) είναι ένα είδος νουκλεϊκού οξέος που κωδικοποιεί την γενετικές πληροφορίες για την ανάπτυξη και λειτουργία όλων των γνωστών ζωντανών οργανισμών και πολλών ιών. Εδώ απεικονίζεται η δομή της διπλής έλικας του DNA. Δεξιά, μπορείτε να δείτε τα τέσσερα μονομερή του DNA, T, A, C, G.
Πηγή: Wikipedia, DNA

3.2 Ηλεκτρονική μικροσκόπηση δύο μιτοχονδρίων από πνευμονικό ιστό θηλαστικού.
Πηγή: Wikipedia, Mitochondrion

3.3. Τα βασικά συστατικά ενός ζωϊκού κυττάρου.
Πηγή: Wikipedia, Cell (biology)

3.4. Τα διαφορετικά είδη μυϊκού ιστού.
Πηγή: Wikipedia, Muscle tissue

3.5. Η ανθρώπινη καρδιά.
Πηγή: Wikipedia, Heart

3.6. Το ανθρώπινο κυκλοφορικό σύστημα.
Πηγή: Wikipedia, Circulatory system

3.7. Όλοι οι οργανισμοί ταξινομούνται σε ομάδες (από επικράτειες μέχρι σε είδη) με βάση την εξελικτική τους σχέση. Αυτό είναι ένα υποθετικό φυλογενετικό δέντρο της ζωής όλων των υπάρχοντων οργανισμών βάσει γενετικής ανάλυσης. Τα βακτήρια και τα αρχαία είναι όλα μονοκύττρα, ενώ οι ευκαρυωτικοί κυμαίνονται από μονοκύτταροι (όπως είναι τα πρωτόζωα αμοιβάδες) ως πολυκύτταροι (όπως είναι όλα τα φυτά και τα ζώα, συμπεριλαμβανομένου και του ανθρώπου).
Πηγή: Wikipedia, Organism

3.8. Χάρτης της τάσης του πληθυσμού των  τσουχτρών. Κόκκινο: αύξηση (υψηλή βεβαιότητα),
κίτρινο: αύξηση (χαμηλή βεβαιότητα), πράσινο: σταθερός/κυμαινόμενος, μπλε: ελάττωση, γκρι: έλλειψη δεδομένων.
Πηγή: Wikipedia, Population dynamics

3.9. Η θήρευση είναι μία βασική διαειδική αλληλεπίδραση στην οικολογία μιας κοινότητας.
Πηγή: Wikipedia, Community (ecology)

3.10. Ο κύκλος του αζώτου σε ένα οικοσύστημα που περιλαμβάνει βακτήρια, μήκυτες, φυτά, φυτοφάγα ζώα μαζί με ανόργανα υλικά όπως αέρα και χώμα.
Πηγή: Wikipedia, Ecosystem

3.11. Αυτή η εικόνα δείχνει το μέγεθος και την κατανομή της παγκόσμιας πρωτογενούς παραγωγής (της παραγωγής οργανικής ύλης από ανόργανες πηγές άνθρακα), τόσο στους ωκεανούς όσο και στη στεριά.
Πηγή: Wikipedia, Biosphere

4. Ένα σωματίδιο διαπλανητικής σκόνης.
Πηγή: Wikipedia, Cosmic dust

5. Καλλιτεχνική σύλληψη μιας μαύρης τρύπας που έλκει ύλη από ένα κοντινό άστρο,
με αποτέλεσμα τον σχηματισμό ενός δίσκου επαύξησης.
Πηγή: Wikipedia, Accretion disk

6. Τα ουράνια σώματα του Ηλιακού μας Συστήματος, συμπεριλαμβανομένου
του Ήλιου, των πλανητών, των αστεροειδών κλπ.
Πηγή: Wikipedia, Solar System model

7. Οι τροχιές των σωμάτων του Ηλιακού Συστήματος σε κλίμακα
(με την κατεύθυνση του ρολογιού από πάνω αριστερά)
Πηγή: Wikipedia, Solarsystem

8. Το αστρικό σμήνος των Πλειάδων.
Πηγή: Wikipedia, Star cluster

9. Μωσαϊκό με την φωτογραφική τεχνική «μάτι του ψαριου» του Γαλαξία
να σχηματίζει αψίδα στον νυχτερινό ουρανό. Λήψη από σκοτεινό μέρος στην Χιλή.
Πηγή: Wikipedia, Milky Way

10. Το σμήνος γαλαξιών Abell S740.
Πηγή: Wikipedia, Abell_S740

11. Απεικόνιση της Θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης, που είναι το επικρατούν κοσμολογικό μοντέλο. Στο διάγραμμα αυτό ο χρόνος αυξάνεται από αριστερά προς τα δεξιά και μία διάσταση του χώρου έχει συμπιεστεί, έτσι ώστε σε κάθε δεδομένη χρονική στιγμή το Σύμπαν να αντιπροσωπεύεται από μία τομή σε σχήμα δίσκου.
Πηγή: Wikipedia, Universe