Χημική σύσταση του ανθρώπινου σώματος

0

Το παρόν κείμενο συμπληρώνει το προηγούμενο, από 24 Ιανουαρίου 2021, περί Συμβιωτικών Οργανισμών στο σώμα του ανθρώπου και άλλων ζώων.

(βλ. https://eleftheriaonline.gr/stiles/apopseis/item/234494-covid-19-symviotikoi-organismoi-kai-o-anthropos και https://messinia24.gr/covid-19-συμβιωτικοί-οργανισμοί-και-ο-άνθρωπ/).

Εκεί αναφερθήκαμε στα ζωντανά κύτταρα – στα γονίδια και στο DNA του ανθρώπινου σώματος, καθώς και στους συμβιωτικούς και μη οργανισμούς (μικρόβια, βακτήρια, ιούς, μύκητες) που “φιλοξενούνται” στο σώμα των ζώων, ευεργετικούς και παθογόνους.
Στο παρόν θα αναφερθούμε συνοπτικά στα (ανόργανα) χημικά στοιχεία που συνθέτουν την οργανική ύλη και τους ζωντανούς οργανισμούς, καθώς και στην προέλευσή τους.

ΜΕΡΟΣ 1ο: Τα χημικά Στοιχεία στο Ανθρώπινο Σώμα

Διάγραμμα #1: Χημική – Ατομική Σύσταση του ανθρώπινου σώματος

Ανά Κατηγορία: 61%  Νερό, 16% Πρωτεΐνες, 16% Λιπαρά, 6% Μεταλλικά στοιχεία και 1% Υδατάνθρακες.

Ανά Ατομικό Στοιχείο: Οξυγόνο 65%, Άνθρακας 18%, Υδρογόνο 9,5%, Άζωτο 3,2%, Ασβέστιο 1,5%, Φώσφορος 1,2% και σε μικρότερες ποσότητες : Κάλιο, Θείο, Νάτριο, Χλώριο, Μαγνήσιο.

Διάγραμμα #2: Περιοδικός Πίνακας των Στοιχείων.

Τα στοιχεία που υπάρχουν στα κύτταρα, στα όργανα κλπ του σώματος των ανθρώπων, των άλλων ζώων και των “φιλοξενούμενων” μικροοργανισμών τους, αλλά και στην τροφή τους (φυτική και ζωική) και τον αέρα που αναπνέουν, ΔΕΝ ΑΠΟΤΕΛΟΎΝ ΜΌΝΙΜΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΆ ΤΟΥΣ, αλλά ΑΝΤΙΚΑΘΊΣΤΑΝΤΑΙ (ΑΝΑΚΥΚΛΏΝΟΝΤΑΙ) διαρκώς, με διαφορετικούς ρυθμούς! Αναλυτικότερα, π.χ.: [3]

  • κάθε πέντε ημέρες αποκτάμε νέα επίστρωση του στομάχου
  • κάθε έξη εβδομάδες αποκτάμε καινούργια επιδερμίδα
  • κάθε δύο μήνες αντικαθίστανται πλήρως τα κύτταρα του συκωτιού
  • κάθε χρόνο αντικαθίστανται 98% των ατόμων του σώματός μας από νέα άτομα

Με άλλα λόγια, όσον αφορά τα άτομα των χημικών στοιχείων που συνθέτουν το σώμα μας, κάθε χρόνο “είμαστε διαφορετικοί”! Όσα άτομα μας συγκροτούσαν πριν ένα χρόνο, τώρα ανήκουν σε άλλα ζώα και ανθρώπους, κοντινούς ή μακρινούς, ανάλογα με τα ταξίδια και τις μετακινήσεις μας.

Κάποια άτομα στο σώμα μας, κάθε στιγμή, μπορεί να “πέρασαν” από το σώμα π.χ. του Σωκράτη, του Αριστοτέλη, του Μότσαρτ, του Πικάσο, του Κολόμβου, της Κλεοπάτρας, της Σαρλίζ Θερόν…

Παρά την διαρκή “ανακύκλωση” των ανόργανων συστατικών του σώματος, η δομή κυττάρων, DNA, οργάνων, μορφής κλπ, γενικότερα η όλη δομή του ζώντος οργανισμού κανονικά δεν μεταβάλλεται!

“Η συνεχής αντικατάσταση των συστατικών και η ροή ενέργειας μέσα σε μια μη μεταβαλλόμενη δομή, αποτελούν το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των ζώντων οργανισμών… Μια περίπλοκη, κεντρική για τη ζωή, έννοια είναι η έννοια του μεταβολισμού, από την Ελληνική λέξη “μεταβολή”. Οι ζωντανοί οργανισμοί προσλαμβάνουν ύλη και ενέργεια από το περιβάλλον τους και μετά την αποβάλλουν με τη μορφή περιττωμάτων και θερμότητας. Οι βιοχημικές διαδρομές είναι περίπλοκες – μερικά υλικά διασπώνται και άλλα συντίθενται από μικρότερα συστατικά –, αλλά υπάρχει πάντα η διαδικασία της ροής προς τα μέσα ή προς τα έξω. Σημαντική βοήθεια για την κατανόηση της ζωής μας προσφέρει η φυσική. Ο Erwin Schroedinger, ένας από τους πρωτοπόρους της κβαντομηχανικής, στο βιβλίο του “Τι είναι η Ζωή”, είδε τη ζωή ως θερμοδυναμική διαδικασία. Η θερμοδυναμική είναι η μελέτη της ροής θερμότητας (μακροσκοπικά), ή με άλλη διατύπωση, της δυναμικής στην τυχαία-στατιστική συμπεριφορά μεγάλου αριθμού σωματιδίων (μικροσκοπικά). Η θερμότητα προκαλεί τις τυχαίες μικροσκοπικές κινήσεις των ατόμων και των μορίων και είναι η πιο ανοργάνωτη μορφή ενέργειας. Τα σωματίδια παύουν να κινούνται στη θερμοκρασία απολύτου μηδενός (-273 βαθμοί C), ακριβέστερα, ταλαντώνονται γύρω από μια θέση ισορροπίας.

Από πού προέρχεται, όμως, η ενέργεια της ζωής;
Πολλοί ζωντανοί οργανισμοί όπως τα φυτά, συλλέγουν ενέργεια κατευθείαν από τον ήλιο (με το μηχανισμό της φωτοσύνθεσης).
Άλλοι οργανισμοί, που βρίσκονται ψηλότερα στην τροφική αλυσίδα, αποκτούν την ενέργειά τους από την αποθηκευμένη ενέργεια (της τροφής τους) στους χημικούς δεσμούς απλούστερων όντων…

Ο Δεύτερος Νόμος της Θερμοδυναμικής, σε μια διατύπωση χρήσιμη για την κατανόηση της ζωής, καθορίζει ότι σε όλες τις φυσικές ενεργειακές μεταβολές το ποσοστό της άτακτης ή θερμικής ενέργειας τείνει να αυξηθεί (π.χ. όταν ένα κουρδιστό ρολόι λειτουργεί, η ενέργεια του ελατηρίου του μετατρέπεται σε κίνηση των δεικτών και σε θερμότητα. Όταν ένα αυτοκίνητο καταναλώνει βενζίνη, οι χημικοί δεσμοί του ορυκτού καυσίμου μετατρέπονται σε κίνηση των τροχών και σε θερμότητα καυσαερίων, φρένων και ελαστικών). Οι φυσικοί ονομάζουν το ποσό της αταξίας “εντροπία”… Η εντροπία ορίζεται με όρους μικροσκοπικών καταστάσεων ατόμων και μορίων και σχετίζεται άμεσα με τη θερμότητα. Π.χ. όταν ένα παγάκι λιώνει μέσα σε ένα ποτήρι νερό (ή φραπέ), ή όταν μια οσμή απλώνεται σε ένα δωμάτιο, η εντροπία αυξάνει γιατί χάνεται η δομή των κρυστάλλων του πάγου ή η συγκεντρωμένη κατάσταση του αερίου. Και στις δύο περιπτώσεις η οργανωμένη δομή μετατράπηκε σε ανοργάνωτη ομοιομορφία ή μικροσκοπική αταξία.” [1], [3]

Η μαθηματική έκφραση, βάσει της στατιστικής αντίληψης των Boltzman – Gibbs για την τάξη – αταξία, είναι Εντροπία = k log D, όπου: k η σταθερά Boltzman σε Cal/0C και  D ποσοτικό μέτρο σωματιδιακής αταξίας. [1]

“Το D αντιστοιχεί στο πλήθος των πιθανών διαφορετικών κατανομών των σωματιδίων που περικλείονται σε ένα χώρο, χωρίς να μεταβάλλεται η μακροσκοπική εμφάνιση του χώρου”. [4]

Η ζωή όμως, ως οργανωμένη δομή κυττάρων – γονιδίων – ιστών – μικροοργανισμών στο σώμα μας, παρουσιάζει έναν εκπληκτικό βαθμό τάξης και οργάνωσης, όπου μειώνεται η εντροπία σε σχέση με το περιβάλλον του. Αλλά δεν είναι “κλειστό σύστημα”, αφού προσλαμβάνει ύλη και (χημική) ενέργεια από έξω και αποβάλει ύλη και (θερμική) ενέργεια στο περιβάλλον. [1]

Ο Erwin Schroedinger, στο προαναφερθέν βιβλίο του “Τι είναι η Ζωή” (1944, το οποίο άνοιξε το δρόμο στην επιστήμη της βιολογίας!), διατυπώνει την άποψη ότι “η ζώσα Ύλη διαφεύγει τον εκφυλισμό προς τη θερμοδυναμική ισορροπία ή μέγιστη εντροπία”, καθώς τρέφεται με “Αρνητική Εντροπία”. Θεωρεί ότι “ο τρόπος με τον οποίο ένας οργανισμός διατηρεί τον εαυτό του σε υψηλό σημείο τάξης (οργάνωσης) συνίσταται σε συνεχή άντληση τάξης από το περιβάλλον του (δηλαδή) καλά οργανωμένες καταστάσεις της ύλης χρησιμοποιούν λιγότερο πολύπλοκες οργανικές ενώσεις, που χρησιμεύουν ως “τροφές”. [1]

Στους ζωντανούς ιστούς λοιπόν το συνολικό αποτέλεσμα του μεταβολισμού είναι η αύξηση ανοργάνωτης ενέργειας (εντροπία) “προς τα έξω” και δημιουργία  νέων χημικών δομών (οργάνωση – πληροφορία) “προς τα μέσα”. Όταν πάψουν “να αντλούν τάξη” (να τρέφονται), πεθαίνουν.

Σε ολόκληρο τον πλανήτη η βιόσφαιρα και οι μεταβολικές διεργασίες των ζωντανών οργανισμών είναι ενδιάμεσα στάδια της μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε θερμότητα, πράγμα που αυξάνει συνολικά την εντροπία. Στους ζωντανούς οργανισμούς, μέσω του μεταβολισμού, αντιστρέφεται η διαδικασία: από ανόργανη και οργανική ύλη χαμηλότερα στην τροφική αλυσίδα και στην περιπλοκότητα, περνάμε σε οργανισμούς μεγαλύτερης περιπλοκότητας και συνθετότερης δόμησης στη κορυφή της τροφικής αλυσίδας. Η ζωή κωδικοποιεί και αποθηκεύει πληροφορίες στους ζωντανούς οργανισμούς, π.χ. στη σύνθεση των χημικών συστατικών, στη δομή κυττάρων – γονιδίων – στην αλληλουχία ζευγών των βάσεων στο μόριο του DNA, στο δίκτυο νευρώνων και συνάψεων στον εγκέφαλο.

Πληροφορία όμως κωδικοποιείται και αποθηκεύεται και σε πλέον οικεία μορφή, μέσω της δράσης των ζώντων οργανισμών στην κοινωνία, στο περιβάλλον, στην τεχνολογία, στις επιστήμες, στη λογοτεχνία, στην τέχνη και στον πολιτισμό. Όσον αφορά τον ανθρώπινο τεχνολογικό πολιτισμό, “πληροφορία” για μας εκπέμπεται στο Σύμπαν από την εποχή των πρώτων ραδιοφωνικών, τηλεοπτικών, τηλεπικοινωνιακών εκπομπών, πυρηνικών εκρήξεων κλπ., που φθάνει πλέον σε ακτίνα ~ 100 ετών φωτός (Η εντύπωση σε πιθανούς “εξωγήινους” παραλήπτες δεν θα είναι κολακευτική για το είδος μας, νομίζω)!

ΜΕΡΟΣ 2ο: Η Προέλευση των Ατομικών Στοιχείων στο Σύμπαν

Στο σώμα μας, στον πλανήτη μας και ευρύτερα στο ηλιακό μας σύστημα, υπάρχουν σήμερα, σε διαφορετικές αναλογίες, όλα τα στοιχεία του “περιοδικού Πίνακα” (Διάγραμμα #2). Ένας τυπικός ζωντανός οργανισμός είναι 40% άνθρακας, άζωτο και οξυγόνο.

Στο Σύμπαν όμως, κατά την πρώτη φάση μετά το Big Bang κυριαρχούσαν ελάχιστα ελαφρά στοιχεία, κυρίως Υδρογόνο και Ήλιο. Αρχικά στο Σύμπαν υπήρχαν πρωτόνια (πυρήνες υδρογόνου), που όσο κυριαρχούσαν πολύ υψηλές θερμοκρασίες, το ένα τέταρτο της μάζας τους μετατράπηκε σε ήλιο, σε μια διαδικασία σύντηξης παρόμοια με αυτή που κάνει τον Ήλιο να λάμπει. Σήμερα το Σύμπαν αποτελείται κατά 99,9% από άτομα Υδρογόνου και Ηλίου. Τα άτομα Υδρογόνου (H) είναι δέκα φορές περισσότερα από τα άτομα Ηλίου (He). Το Υδρογόνο (H) είναι χιλιάδες φορές πιο κοινό από τα άλλα στοιχεία της ζωής Άνθρακα (C), Άζωτο (N), Οξυγόνο (O). Εκατομμύρια φορές πιο κοινό από το Αργίλιο (Al) ή τον Χαλκό (Cu) και δισεκατομμύρια φορές πιο κοινό από το Χρυσό (Au) ή τον Άργυρο (Ag). [3]

Πώς προέκυψαν όλα τα υπόλοιπα στοιχεία;

Όπως γράφει στο ενδιαφέρον βιβλίο του “Hyperspace” ο Michio Kaku: Ένα αστέρι γεννιέται, όταν ένα μεγάλο νέφος αερίου υδρογόνου, με μάζα πολλαπλάσια του ηλιακού μας συστήματος, αρχίζει να συμπιέζεται υπό την επίδραση της βαρύτητας. Καθώς η βαρυτική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια των ατόμων υδρογόνου, αυξάνεται σταδιακά η θερμοκρασία σε δεκάδες εκατομμύρια βαθμούς, έως ότου η κινητική ενέργεια των πρωτονίων (πυρήνες υδρογόνου) υπερνικά την ηλεκτροστατική τους άπωση και συγκρούονται μεταξύ τους. Τότε η ισχυρή πυρηνική δύναμη υπερνικά την ηλεκτρομαγνητική και αρχίζει η σύντηξη των πυρήνων υδρογόνου σχηματίζοντας ήλιο, με ταυτόχρονη εκπομπή τεράστιων ποσοτήτων ενέργειας. Τότε “ανάβει” ένα νέο αστέρι, κάτω από την επίδραση: βαρύτητας που τείνει να το συνθλίψει και ακτινοβολούμενης ενέργειας λόγω πυρηνικής σύντηξης που τείνει να το “ανατινάξει”. Αυτή η “ισορροπία” διαρκεί πολλά εκατομμύρια έως αρκετά δισεκατομμύρια χρόνια (αντιστρόφως ανάλογα με το μέγεθος του άστρου), όσο υπάρχει “καύσιμο” υδρογόνο προς σύντηξη. [5]

Όταν “καεί” το διαθέσιμο υδρογόνο, τότε υπερτερεί πάλι η βαρύτητα που συμπιέζει και πάλι το αστέρι ανεβάζοντας σταδιακά τη θερμοκρασία, έως ότου το διαθέσιμο ήλιο αρχίζει νέα διαδικασία σύντηξης σε βαρύτερους πυρήνες, όπως το λίθιο και ο άνθρακας, αποκαθιστώντας νέα “ισορροπία” έως ότου εξαντληθεί το διαθέσιμο “καύσιμο” ήλιο. Τότε ακολουθεί νέα φάση σύνθλιψης του άστρου υπό την επίδραση της βαρύτητας. Αν το μέγεθος του άστρου είναι μικρό (π.χ. όπως ο Ήλιος), τότε το άστρο σταδιακά συμπιέζεται στο μέγεθος π.χ. ενός πλανήτη με αμυδρό φως, ως “Λευκός Νάνος”.

Αν το άστρο είναι αρκετά μεγαλύτερο, τότε αρχίζει νέα φάση σύντηξης σε ακόμη βαρύτερους πυρήνες. Αυτό ισχύει έως ότου η σύντηξη οδηγήσει στη δημιουργία πυρήνων Σιδήρου (Fe-56). [5]

Όπως φαίνεται στο Διάγραμμα #3, Η διαδικασία της Σύντηξης αποδίδει ενέργεια στη “μετάβαση” από Υδρογόνο σε Σίδηρο, ενώ για τη “μετάβαση” από Ουράνιο προς Σίδηρο αποδίδεται ενέργεια μέσω Σχάσης. Αυτό συμβαίνει γιατί η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο στον πυρήνα του σιδήρου είναι μικρότερη από τα ελαφρότερα και από τα βαρύτερα άτομα, οπότε ο σίδηρος είναι πιο ευσταθής από τα υπόλοιπα άτομα. Η ενέργεια ανά νουκλεόνιο στους πυρήνες των ατόμων μειώνεται και από τις δύο κατευθύνσεις προς τον πυρήνα του σιδήρου. Σε κάθε “βήμα” προς τον σίδηρο, είτε με σύντηξη ελαφρότερων πυρήνων, είτε με σχάση βαρύτερων πυρήνων, δημιουργείται μια “απώλεια μάζας” (mass defect) που μετατρέπεται σε ενέργεια (E = m * c2). Αυτό αντιστοιχεί στη διαφορά μάζας ανάμεσα στον πυρήνα ενός ατόμου και στα ελεύθερα νουκλεόνια (πρωτόνια και νετρόνια) που τον συνθέτουν.[σ.σ.]

Όταν λοιπόν η σύντηξη σε ένα άστρο οδηγήσει σε δημιουργία σιδήρου, τότε πλέον δεν υπάρχει αντίρροπη δύναμη να εμποδίσει τη σύνθλιψη του άστρου υπό την επίδραση της βαρύτητας. Ο σιδερένιος πυρήνας του άστρου επομένως καταρρέει αστραπιαία, η θερμοκρασία αυξάνεται σε τρισεκατομμύρια βαθμούς και το άστρο εκρήγνυται ως Supernova (Υπερκαινοφανής), εκτινάσσοντας τεράστιες ποσότητες ενέργειας και σωματιδίων στο διάστημα, με λάμψη που ξεπερνά το φως π.χ. ενός Γαλαξία 100 δισεκατομμυρίων άστρων! [5]

Αυτό που ενδιαφέρει τη δική μας συζήτηση, είναι το γεγονός ότι – στη διάρκεια αυτής της έκρηξης – είναι πλέον διαθέσιμη η απαιτούμενη “εξωτερική” ενέργεια, ώστε να γίνει σύντηξη πυρήνων έως τα βαρύτερα άτομα του Περιοδικού Πίνακα Στοιχείων (βλ διάγραμμα #2).

Για λόγους πληρότητας σημειώνεται ότι, ανάλογα με το μέγεθος του άστρου, μετά την έκρηξη απομένει π.χ. ένα “νεκρό” αστέρι Νετρονίων (Neutron Star – Pulsar), ή μια “Μαύρη Τρύπα” (Black Hole). Τα υλικά που εκτινάσσονται από μια παρόμοια έκρηξη υπερκαινοφανούς, αναμιγνύονται με υπάρχοντα στο διαστρικό χώρο νέφη αερίων (βασικά Υδρογόνου) και σκόνης, αποτελώντας το υλικό για δημιουργία νέας γενιάς άστρων και πλανητών, που θα περιέχουν πλέον όλα τα χημικά στοιχεία.

Δεδομένου ότι στο ηλιακό μας σύστημα, στον πλανήτη μας και στο σώμα μας υπάρχουν πλήθος χημικών στοιχείων, όπως αναφέρθηκε στο 1ο Μέρος, είναι φανερό ότι αυτά τα χημικά στοιχεία προήλθαν από έκρηξη (τουλάχιστον μίας) Supernova, δεδομένου ότι το ηλιακό μας σύστημα έχει ηλικία 4,5 δισεκατομμυρίων χρόνων, ενώ το Σύμπαν εμφανίστηκε πριν 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια. Στην αρχική φάση υπήρχαν πολύ μεγάλα άστρα με μικρή διάρκεια ζωής έως ότου εκραγούν ως Supernova, οπότε πιθανόν να διαθέτουμε στο σώμα μας στοιχεία προερχόμενα από αρκετούς υπερκαινοφανείς της ευρύτερης περιοχής μας (Ομάδα Γαλαξιών).[σ.σ.]
Εδώ βρίσκει εφαρμογή η έκφραση: “Είμαστε Αστρόσκονη Δισεκατομμυρίων Χρόνων”!!

Βριλήσσια, 5 Φεβρουαρίου 2021

Κωνσταντίνος Ανδρέα Μαρκάκης
Ηλεκ/γος – Μηχ/γος  Μηχανικός
ΕΜΠ Αθήνα –
TU Hannover

Πηγές:
[1] Erwin Schroedinger, 1944,  “Τι είναι η Ζωή”
[2] Erwin Schroedinger, 1958, “Πνεύμα και Ύλη”
[3] Chris Impey, 2007, “The living Cosmos”
[4] Kip S. Thorne, 1994, “Black Holes and Time Warps”
[5] Michio Kaku, 1994, “Hyperspace”

μοιραστειτε το:

Comments are closed.