Jordens naturgitte privilegier Av professor Ingolf Kanestrøm Institutt for geofag, Universitetet i Oslo
Hele universet med alt som er i det, er bygget opp av 92 ulike grunnstoffer. Disse grunnstoffene utgjør et byggesett som kan kombineres i samsvar med de kjemiske lovene for å danne alle materialene og strukturene vi er fortrolig med i dagliglivet, det være bergarter, tre, plastikk, hud, medisiner etc. Ser man på den relative forekomsten av grunnstoffer i naturen, finner man at den samsvarer med den relative forekomst i levende organismer. En kan se at alle de 92 elementene i det periodiske system er nødvendig for å opprettholde livet. For å se hvordan atomene virker i naturen, skal vi først se på deres struktur. Atomets struktur og forekomst i biologisk materiale Hvert atom består av en kjerne som er sammensatt av positivt ladde protoner og nøytrale nøytroner. Om kjernen finnes det sju konsentriske elektronbaner eller skall. Skallene har forskjellig avstand fra kjernen, og til sammen innholder de like mange elektroner som det er protoner i kjernen. Derfor har ikke atomet noen netto elektrisk ladning. Det første skallet kan inneholde maksimalt 2 elektroner, det neste 8 elektroner, det tredje 16, det fjerde 32, det femte 50 og så videre. Karbonatomet (C) som er så viktig for livet, har 6 protoner og 6 nøytroner i kjernen, og 4 elektroner i det andre skallet. Det er således ikke fylt. Uran (U) som er det tyngste atomet som opptrer naturlig, har 92 protoner og elektroner og mer enn 100 nøytroner. Hydrogen (H) og helium (He) er de grunnstoffene som det er mest av i universet. De utgjør størstedelen av stjernemassen. De 24 grunnstoffene som forekommer hyppigst i universet, er av vesentlig betydning for liv. Unntaket er de tre edelgassene argon (Ar), neon (Ne) og helium. De fire grunnstoffene hydrogen, oksygen (O), karbon og nitrogen (N) utgjør hovedmassen av de store molekylene som inngår i levende organismer. Av de 24 grunnstoffene det er mest av i universet, finnes 11 i alle levende ting, og det i tilnærmet samme forhold som i universet. Disse er hydrogen, karbon, oksygen, nitrogen, natrium (Na), magnesium (Mg), fos-
10
for (P), svovel (S), klor (Cl), kalium (K) og kalsium (Ca), se figur 1 og 2. De utgjør 99,9 % av menneskekroppen.
Forekomsten av grunnstoffer i universet De tyngre atomene er produsert i stjernene ved kjernefysiske prosesser. Disse prosessene starter med hydrogen og bygger tyngre atomer til og med jern. Atomer tyngre enn jern produseres i supernovaer. Den kjensgjerning at bare et begrenset antall atomer dannes ved disse prosessene, skyldes et sett av generiske regler. Disse regulerer stabile kombinasjoner av protoner, nøytroner og elektroner til et fåtall unike mønster representert ved de 92 naturlige forekomster av atomer. Atomer opp til vismut (Bi) er stabile. Tyngre grunnstoffer er ustabile og brytes ned til lettere elementer. Uran, atomnummer 92, brytes ned via rekken av atomene thorium (Th), protactinium (Pa), radon (Ra), polonium (Po), astat (At), vismut (Bi) og til slutt bly (Pb). Ved denne nedbrytningsprosessen blir det avgitt høyenergetiske partikler. Men det er en svært langsom prosess. Uran har en halveringstid på 4,47 milliarder år. Dvs. det tar 4,47 milliarder år før en gitt mengde uran er redusert til det halve. Den relative forekomsten av grunnstoffene i naturen er vist i figur 1.
Radioaktivitetens betydning for biosfæren Det er atomene i den første halvdel av det periodiske system som spiller en primær rolle for biologiske individer. Som vi ser fra figur 1, er forekomsten av atomer fra nummer 44 til uran relativt liten. Da kan en stille spørsmålet. Dersom universet er finjustert for karbonbasert liv, hvorfor er det da så mange grunnstoffer som tilsynelatende ikke kan nyttes av dette liv? Har grunnstoffene i den øvre halvdelen av det periodiske system noen relevans for levende organismer? Dersom prinsippet som styrer strukturen av atomene, er kommet i stand for å generere atomer som kan nyttes av karbonbasert liv på jorden, er det rimelig å anta at også de andre atomene på en måte må være av betydning for livet. ORIGO 110
