Velkommen til Spongenberg.dk

Hele universet er opbygget af 92 forskellige grundstoffer. De udgør et sæt byggeklodser som kan danne alle de materialer vi kender: bjergarter, træ, plastik, hud, medicin etc. Alle 92 grundstoffer er nødvendige for livet.

Atomets struktur og forekomst i biologisk materiale

Hvert atom består af en kerne som er sammensat af positivt ladede protoner og neutrale neutroner. Rundt om kernen findes der syv elektronbaner eller skaller. Skallerne indeholder tilsammen lige så mange elektroner som kernens indhold af protoner. Karbon-atomet (C) som er så vigtig for livet, har 6 protoner og 6 neutroner i kernen, og 4 elektroner i den anden skal – som derfor ikke er fyldt op.

Hydrogen (H) og helium (He) er der mest af i universet. Hydrogen (H), oxygen (O), karbon (C) og nitrogen (N) udgør hovedmassen af de store molekyler som indgår i levende organismer.

Forekomsten af grundstoffer i universet

De tungere atomer er produceret i stjernerne ved kernefysiske processer. Disse processer starter med hydrogen og bygger tungere og tungere atomer op til og med jern. Atomer tungere end jern produceres i supernovaer.

Radioaktivitetens betydning for biosfæren

Hvorfor omfatter det periodiske system de radioaktive grundstoffer? Svaret må ligge i den vigtige rolle radioaktiviteten har spillet i den geofysiske udvikling af jorden. Specielt de processer som har dannet det unikke fysiske og kemiske vandholdige miljø (hydrosfæren) som er specielt tilpasset liv der er bygget op over grundstoffet kulstof (karbon).

Differentiering

Det var de radioaktive processer som forårsagede opvarmningen af jordens indre lige efter dannelsen af planeten og dermed satte gang i den proces man kalder differentieringen. Denne proces omskabte jorden til en klode med forskellige lag og med en jernkerne. Jordskorpen består af lettere stoffer med lavere smeltepunkt. Uden radioaktivitet ville der ikke være nogen differentiering, og uden den intet liv.

Pladetektonik

Mellem jordskorpen og jordens kerne har vi kappen. Den er fast, men alligevel flydende. På kappen bevæger nogle store plader sig, og når de gør det, vil de kunne kollidere. Dermed kan den ene plade bevæge sig ind over den anden, løftes op og danne bjergkæder. Den nederste plade vil blive tvunget ned i jordens indre. Denne proces vil bidrage til en cirkulation af det materiale der er i jordskorpen, inklusive de stoffer som er nødvendige for liv. Det er de radioaktive processer som frembringer varmeenergi til de tektoniske processer.

Processen pladetektonik må spille sammen med den hydrologiske cyklus [vandkredsløbet]. Den bidrager til erodering af bjergene og fører vigtige mineraler tilbage til havene.

Ler

Til daglig taler man om ler som dårlig dyrkningsjord. Vand og CO₂ får bjergarterne til at forvitre og danner derved en række forbindelser af jord. Dette er vigtigt for planterne, da de suger vand og andre vigtige stoffer op. Lerpartiklerne spiller en vigtig rolle her da de er gode til at opsuge vand og binde ioner.

Ingen tvivl om at uden jordens lermineraler, ville der ikke findes store landplanter på Jorden. Dermed heller ikke store pattedyr. Med andre ord: vores eksistens afhænger af at de mest almindelige bjergarter forvitrer til det ideelle materiale til plantevækst. Det som absorberer vand og næringsstoffer.

Egenskaber ved mineraler i jordskorpen

Bjergarter udsat for så høj temperatur og stort tryk som det vi finder i kappen, har relativ lav viskositet (sejhed). Dette er vigtig for den tektoniske proces beskrevet ovenfor. I modsætning til hvad mange tror, flyder bjergarter også. De eroderer [nedbrydes af vejr og vind] godt nok hurtigere end de flyder. Hvis nu bjergene havde en meget lavere viskositet, ville de flyde ud i store sletter, og de ville ikke ligne de bjerge vi har i dag. Hvis bjergarternes viskositet havde været betydelig mindre, ville det have givet betydelig stærkere turbulens i kappen. Havde viskositeten været betydelig større, ville det tektoniske system bryde sammen.

Skal vigtige mineraler recirkuleres [“genbruges”], må de være opløselige i vand. Og denne opløselighed må være nogenlunde som det vi i dag kan observerede at den er. Hvis karbonater [kulstofforbindelser] havde været mindre opløselige, ville alt karbon på jorden været bundet i kalksten. Altså ville der ikke været karbon nok i hydrosfæren til at opretholde liv. Men hvis silikaternes opløselighed havde været som karbonaternes, havde hydrosfæren været overlæsset med kalium, aluminium, siliciumdioxid, kalcium og klorid. Og så havde havet været én stor mudderpøl.

Karbonforbindelser

Alt levende, fra mikro- til makroniveau, er i vidt omfang bygget op af karbonforbindelser: DNA-molekylet, cellemembraner, kohorn osv. osv. Når karbon sættes sammen med andre atomer til karbonforbindelser, er det bundet sammen i kovalente bindinger. Disse bindinger dannes når atomer deler deres elektroner i den yderste elektronskal. De “forsøger dermed at fylde skallen”.

Karbon kombineret med hydrogen, oxygen og nitrogen danner bl.a. aminosyrer som er byggesten for proteiner. Det mulige antal kemiske forbindelser som kan dannes på basis af disse fire grundstoffer, er nærmest ubegrænset. Vi kender i dag mindst 100 000 forskellige forbindelser.

Ud over deres mængde er karbonforbindelserne endvidere meget lidt reaktionsvillige: De er metastabile. Med det menes at molekylet kan aflevere fri energi når det bliver lavet om, men det er stabilt nok til at kunne bevares i lang tid hvis det ikke udsættes for varme, stråling eller lignende. Metastabilitet er en vigtig egenskab ved organiske forbindelser, men den kommer kun til udtryk inden for et snævert temperaturinterval. Dersom temperaturen øger til over 100^oC, vil karbonforbindelser blive mere reaktionsvillige og kemisk ustabile. Vitamin C, B1 og B6 bliver hurtigt nedbrudt ved en temperatur over 100^oC.

Vi har her vist at de livsvigtige karbonforbindelser med hydrogen, oxygen og nitrogen er karakteriseret ved at de optræder i mange forskellige former, med høj kompleksitet og metastabilitet. Disse egenskaber optræder i samme temperaturområde som det der er nødvendigt for at vand kan bruges til noget. Vand er støbeskeen for liv baseret på karbonkemi. Under disse forhold kan svage bindinger opretholde de tredimensionale molekylstrukturer der er nødvendige for at det molekylære maskineri i cellerne kan fungere. Det er blevet sagt at hvis der ikke fandtes karbon, måtte man opfinde det!

Vandets unikke egenskaber

Vand er det stof mennesket er mest fortroligt med. Det indgår i vort daglige liv på mange måder, i mad, rengøring osv. Hverken planter, dyr eller mennesker kan eksistere uden vand.

At livet er baseret på et stof som normalt er flydende, er ikke nogen tilfældighed. Det er vanskeligt at forestille sig et kompliceret kemisk system som er i stand til at fungere i et andet medium end i en væske. Livet kan defineres som et komplekst kemisk system der er i stand til at samle og kopiere sig selv, at manipulere sine komponenter og trække næringsstoffer og nødvendige bestanddele ud fra dets omgivelser. Og det ville helt sikkert ikke eksistere hvis de fysiske love kun havde fungeret i faste stoffer eller i gasser [luftarter]. Med andre ord: det er kun i en væske man kan have et selvkopierende liv.

Vandets specielle termiske egenskaber

Vand udvider sig ved opvarmning og trækker sig sammen ved afkøling. Hvis vand ved afkøling blev ved med at trække sig sammen (som andre stoffer) helt ned til frysepunktet, ville is være tungere end vand. I frostvejr ville den nederste del af vandet i en sø begynde at fryse først. Når bundvandet først blev frosset til is, ville der så ikke slippe varme ned fra overfladen til at smelte den. Hvis naturen var sådan indrettet, ville indsøer være bundfrosne, og det ville ødelægge dyrelivet i vandet.

Men vandets egenskaber er mere kompliceret end blot dette:

1) Vand trækker sig under afkøling sammen lige som alle andre stoffer, men kun indtil fire grader over frysepunktet. Derefter udvider det sig indtil det fryser til is. Is har mindre tæthed end vand. Vand er det eneste stof i universet der opfører sig sådan.

2) Når is smelter eller vand fordamper, absorberes varme fra omgivelserne. Fordampningsvarmen for vand er den højeste som er kendt for nogen væske.

3) Den specifikke varmekapacitet for vand (den temperatur som må tilføres 1 kg vand for at temperaturen skal øges med 1^oC) er højere end for de fleste væsker.

4) Den termiske varmeledning i vand er fire gange større end for nogen anden almindelig væske

5) Is’ og snes termiske ledningsevne er lille.

Hvilke konsekvenser har dette?

Hvis ikke 1) havde været gældende, ville store dele af Jordens vandmasser være bundet fast i store ismasser på bunden af havene.
Uden 3) ville forskellen på sommer og vinter være mange større, med mere ustabilt vejr til følge. Store havstrømme som Golfstrømmen ville have mindre kapacitet til at transportere varme fra tropiske områder til polerne.
Uden 2) ville varmblodige dyr have større problemer med at slippe af med kropsvarmen. Det kan ske ved varmeledning, stråling og fordampning.
Uden 4) ville det blive vanskelig for cellerne at fordele varmen.
Uden 5) ville isolationseffekten af sne og is være tabt.

Alle vandets fem termiske egenskaberne medvirker til at beskytte mennesker og dyr mod hurtige temperaturforandringer.

Skøjteløbere på vandoverfladen, med en guldsmed i luftrummet over

Overfladespændingen

En anden vigtig egenskab vand er dets store overfladespænding. Vi kan se virkningen når insekter går på vandet. Men overfladespændingen fører flere ting med sig i biologien. Det er overfladespændingen som trækker vand op fra jorden til rødderne i træer og planter. Den bidrager til at vandet kan gå videre fra rødder op i grenene. Det ville dårligt kunne eksistere store træer hvis overfladespændingen ikke havde været større end for de fleste andre væsker vi kender.

En anden effekt ser vi i bjerggrunden. Overfladespændingen trækker vand ind i smalle sprækker i bjerget. Dermed bidrager vandet til erosion og udvaskning af mineraler som er vigtig for plantelivet. Også når vandet fryser og udvider sig, bidrager det til opbrydning og udvaskning af mineraler og dannelse af jordsmon.

Vand som opløsningsmiddel

Vandets kemiske egenskaber er af vital betydning. Det viser sig at vand er et bedre opløsningsmiddel end de fleste andre kendte væsker.

Vand er et meget reaktivt stof. Det katalyserer næsten alle kendte reaktioner. Alligevel er vand meget mindre reaktivt end andre væsker, fx syrer og baser. Men vand ville ikke kunne spille sin biologiske rolle hvis det havde været så reaktivt som fx svovlsyre, eller hvis det var så lidt reaktivt som flydende argon. Det synes som om vandets reaktionsevne, på samme måde som dets andre egenskaber, er maksimalt tilpasset såvel dets geologiske som dets biologiske funktion.

Vandets sejhed og diffusion

Væskers sejhed (evne til at flyde) varierer betydelig. Tjæres, olivenolies og svovlsyres sejhed er henholdsvis 10 milliarder, 100 og 25 gange større end vands. Selv om vands sejhed er noget af den laveste vi kender for nogen væske, er flydende hydrogens sejhed ca. 100 gange mindre. Men ellers er det kun luftarter som er mer letflydende. Tilpasningen til det biologiske system ville helt sikker have været mindre hvis sejheden havde været mindre.

På den anden side ville meget højere sejhed have alvorlige konsekvenser. Fisk ville ikke kunne eksistere. Mikroorganismer ville have problemer med at bevæge sig, og kontrolleret bevægelse af store makromolekyler eller af små organismer ville være umulig. Alle vitale aktiviteter i cellerne ville blive frosset. Dermed kunne højere organismer ikke udvikle sig.

Sejheden har stor indflydelse på diffusionen (transport ved spredning). I vand er transporten ved diffusion over korte afstande meget hurtig. Det kan forklare hvorfor små organismer som bakterier kan opnå næringsstof og blive sine affaldsstoffer kvit ved diffusion uden andet cirkulationssystem.

Sejhed og cirkulationssystemet

Effektiviteten af diffusion som transportsystem aftager hurtigt med afstande over en brøkdel af en millimeter. Store organismer må derfor have et vandtransportsystem oven i diffusionen, altså et cirkulationssystem. I alt pattedyrvæv findes der milliarder af tynde hårkar (kapillærer) som transporterer næringsstof rundt, og som ved diffusion når videre til alle levende celler. Da diffusionen kun er lidt effektiv over store afstande, kan ingen celler leve hvis den er længere væk end 50 mikrometer fra en åre/et hårkar. I en grisemuskel finder man derfor mere end 3 000 hårrør per cm².

Så snævre hårrør har en funktion så længe væsken som skal pumpes gennem dem, har lille sejhed. Strømmen gennem røret er nemlig omvendt proportional med sejheden. Fordobles sejheden halveres gennemstrømningen i røret. Men der er yderligere begrænsninger. Der er sammenhæng mellem rørets diameter og strømmodstanden. Den varierer med fjerde potens af rørdiameteren. Det vil sige at hvis vi halverer rørdiameteren, øger vi modstanden med en faktor 16.

En halvering af hårrørenes størrelse ville kræve at sejheden måtte reduceres med en faktor 16, eller at blodtrykket steg tilsvarende. Vi kender ingen væske som ved 37˚ har så lav sejhed.

De mindste hårrør har en diameter på 3-5 mikrometer. Det er livsvigtigt at hårrørene kan fungere med så lille en diameter. Eftersom diffusionen kun er effektiv over korte distancer, kan højere organismer kun eksistere hvis en myriade af hårrør gennemtrænger vævet. Hvis vands sejhed blot havde været lidt større, og det mindste fungerende hårrør havde en diameter på 10 mikrometer i stedet for 3, skulle hårrørene udgøre hele muskelvævet for at forsyne cellerne med oxygen og glukose. Og så ville design af makroskopisk liv være temmelig begrænset.

Vand som kølemiddel

Vandets store varmekapacitet, dets store fordampnings- og kondensationsvarme, varmeledningsevnen og sejheden spiller sammen og fungerer som en god varmeregulator for store organismer.

Al aktivitet forudsætter brug af energi som igen producerer varme. Hvis et menneske løber en tur, vil det resultere i en betydelig varmeproduktion. Alligevel er legemstemperaturen bagefter ikke meget højere end ved start. Det véd vi godt og tænker knapt over det. Men i virkeligheden er det et mærkeligt fænomen. For hvis løberen vejede 100 kg, ville han producere næsten 1.000 kilokalorier varme. Hvis ikke noget af denne varme gik tabt under løbet, ville legemstemperaturen være forøget med ca. 10^oC, med fatale følger. 40^oC i feber er kritisk. Hvis kroppen hovedsageligt havde været sammensat af jern, salt, bly eller sprit, ville temperaturstigningen have været på henholdsvis 100, 50, 300 og 20^oC. Den relativt lave stigning på 10^oC skyldes vandets store varmekapacitet.

Men eftersom legemstemperaturen næsten holder sig konstant, må vandet have andre vigtige temperaturregulerende egenskaber. Den ene af dem er fordampningsvarmen. Når løberen sveder under løbet, fordamper sveden og fjerner en stor energimængde fra kroppen. Fordampning af en liter vand fra et menneske på 100 kg kræver 600 kilokalorier, og det reducerer temperaturstigningen med 6^oC.

Men fortællingen stopper ikke her. Den varme som skabes inde i kroppen, må transporteres ud til overfladen. Det kan ske ved varmeledning og konvektion (varmeudveksling). Metaller er gode varmeledere, for eksempel kobber og sølv. Sammenlignet med metaller er væsker dårlige ledere. Men blandt væsker står vand også her i en særstilling med høj varmeledningsevne. Men den er for lav til at kunne transportere varmen fra kroppens indre til overfladen. Kun hvis den bliver hjulpet af en form for konvektion kan den blive tilstrækkelig. Vi har faktisk en sådan konvektionsmekanisme: blodsystemet. Det transporterer varmen fra kroppens indre ud mod overfladen. Men som vi har set, afhænger denne cirkulation af en anden af vandets kritiske parametre, nemlig sejheden.

Så hvis vands varmeledningsevne nu havde været betydeligt mindre, ville cirkulationssystemet ikke være tilstrækkeligt. Kroppen ville brænde sammen som en overophedet bilmotor. Derimod, hvis varmeledningsevnen havde været så stor som for kobber, ville legemstemperaturen hurtigt indstille sig efter temperaturen i omgivelserne, og det ville være endnu vanskeligere at opnå temperaturregulering. I dette tilfældet ville der knapt findes varmblodige smådyr. Ja, selv store dyr ville få store problemer.

Litteratur:.

N.C. Brandy and R.R. Weill (1996) The Nature and Properties of Soils. Englewood Cliffs: Prentic Hall

J.T. Edsall and J. Wyman (1958) Biophysical Chemistry. New York: Academic Press

John Leslie, Ed. (1998) Modern Cosmology & Philosophy, Prometheus Books, New York

A.E. Needham (1961) The Uniqueness of Biological Materials. London: Pergamon Press

C. Ponnamperuma (1983) Cosmochemistry and the Origin of Life, Ed. C. Ponnamperuma. Dordreecht, Holland:Reidel