Część twojego ciała powstała w Wielkim Wybuchu. Skąd wzięły się pierwiastki, z których się składamy?

Spójrz na swoje dłonie, tak chociaż przez trzy sekundy i zastanów się, co widzisz. Jeżeli masz naprawdę ponury humor, to zapewne powiesz: skóra, kości, być może pomalowane paznokcie, a czasami złota obrączka. Akurat obrączka nie stanowi części twojego organizmu, ale jeżeli założona jest na tym samym palcu od dwudziestu lat, to dopuśćmy także i ją do poniższych rozważań.

Oczywiście powyższy opis nie jest w stanie wywołać zachwytu u nikogo. Dzieje się tak jednak tylko dlatego, że skupiamy się na mało pasjonującym, powierzchownym wyglądzie naszych dłoni. Gdybyśmy spojrzeli na nie pod mikroskopem, zobaczylibyśmy znacznie więcej. Nasze dłonie, a właściwie cały nasz organizm składa się z przeróżnych związków chemicznych, które z kolei składają się z atomów różnych pierwiastków. Warto zastanowić się skąd się te pierwiastki wzięły, zanim w pewnym momencie ewolucji wszechświata postanowiły się na kilkadziesiąt lat połączyć się ze sobą w jeden bardzo złożony układ - nasz organizm.

Na pierwszy rzut oka jak sobie pomyślimy o tym, z czego składa się ludzkie ciało, to na myśl przyjdą nam przeliczne organy, narządy, płyny, tkanki, krew itd. Kiedy zejdziemy jeszcze niżej, to do głowy wpadną przeróżne związki chemiczne tworzące wszystkie te „komponenty” ludzkiego organizmu. Kiedy jednak zejdziemy jeszcze jeden poziom niżej, na poziom atomów, okaże się, że nie składamy się z całej tablicy Mendelejewa.

Człowiek aż w 99 proc. składa się z sześciu pierwiastków: wodoru, tlenu, węgla, azotu, wapnia i fosforu. Oczywiście można powiedzieć, że w pozostałym jednym procencie chowa się cała paleta pierwiastków, ale i tu można się rozczarować. Ten jeden procent składa się w 85 proc. z siarki, potasu, chloru, magnezu i sodu. Można zatem powiedzieć, że człowiek składa się z zaledwie 11 pierwiastków. Szału nie ma. Najmniej z tych 11 pierwiastków jest w nas magnezu. Warto jednak pamiętać, że wciąż jest go więcej niż wszystkich pozostałych pierwiastków śladowych tworzących brakujące 0,15 proc.

Zdecydowanie największą część masy naszego organizmu, bo aż 65 proc. stanowi tlen. Jakby nie patrzeć jest on jednym z dwóch składników wody, która stanowi ponad 70 proc. masy naszego organizmu. Nie zmienia to jednak faktu, że tlen znajdziemy nie tylko w składzie chemicznym wody, ale także białek, węglowodorów czy tłuszczów.

Skąd wziął się tlen? Cały tlen we wszechświecie, także te atomy, które składają się na twoje dłonie i cały twój organizm, powstał we wnętrzu masywnych gwiazd pod koniec procesu fuzji helu. Oczywiście można tutaj powiedzieć bardziej szczegółowo, że tlen powstawał w procesie spalania wodoru w hel w tzw. cyklu węglowo-azotowo-tlenowym (cykl CNO), w tej warstwie gwiazdy, w której dochodziło do spalania wodoru, ale to już jest zbyt dużo szczegółów. Warto jednak zapamiętać, że po Wielkim Wybuchu żadnego tlenu nie było. Cały tlen we wszechświecie powstał i nadal powstaje we wnętrzach gwiazd.

Drugim pierwiastkiem pod względem masy w ludzkim organizmie jest węgiel, który odpowiada za ok. 18 proc. masy. Węgiel stanowi fundament całej materii organicznej. Poszukiwanie rodowodu węgla także prowadzi nas do gwiezdnych olbrzymów. Węgiel powstaje w ich wnętrzach w procesie zderzenia trzech cząstek alfa, czy jak kto woli trzech jąder helu. Do takich zderzeń dochodzi w niebagatelnej temperaturze 100 milionów stopni Celsjusza, osiągalnej tylko we wnętrzach masywnych gwiazd.

Tutaj warto zauważyć jeszcze jeden aspekt. Jak te wszystkie pierwiastki, które powstały głęboko we wnętrzu gwiazdy po jakimś czasie znalazły się w naszych organizmach? Otóż masywne gwiazdy eksplodują pod koniec swojego życia w potężnych eksplozjach supernowych. W takiej eksplozji gwiazda, w której zakończyły się procesy fuzji zapada się pod wpływem własnej grawitacji, a następnie eksploduje. W takiej eksplozji szczątki gwiazdy rozrzucane są po całej okolicy wzbogacając materię międzygwiezdną, z której następnie powstają już nowe gwiazdy. Z tej samej materii wokół tych gwiazd powstają jednak zwykle dyski protoplanetarne, planety, księżyce, planetoidy i komety. Nic zatem dziwnego, że na tych ciałach znajdziemy potem zarówno tlen, jak i węgiel. Pierwiastki te tworzące życie na Ziemię też kiedyś były szczątkami gwiazdy, która eksplodowała jako supernowa.

Trzecim pod względem masy pierwiastkiem występującym w naszym organizmie jest wodór. W przeciwieństwie do dwóch poprzednich pierwiastków ma on zupełnie inny rodowód. Choć w ludzkim organizmie wodór odpowiada za jakieś 10 proc. masy, to we wszechświecie ogólnie wodór stanowi zawrotne 75 proc. jego masy. Nic dziwnego jednak, jeżeli wodór był podstawowym składnikiem Wielkiego Wybuchu. Można zatem powiedzieć, że te atomy wodoru, które znajdują się w twoim organizmie, istnieją od 13,7 mld lat, od samego początku wszechświata.

No dobrze. Podium już mamy z głowy. Tuż za podium z wynikiem ok. 3 proc. masy ciała uplasował się azot. To jednak, że jest go mało nic nie znaczy. Jakby nie patrzeć, bez azotu nie byłoby ani aminokwasów, ani cząsteczek DNA i RNA, ani nawet adenozynotrifosforanów (!), czyli podstawowych cząsteczek przenoszących energię w organizmie.

Z azotem natomiast znowu wracamy do wnętrza gwiazd. Także i ten pierwiastek powstaje we wspomnianym wcześniej cyklu CNO. Czyli kolejny kawałek naszego organizmu pochodzi z wnętrza gwiazdy.

Najwyższa pora, aby w składzie chemicznym ludzkiego organizmu pojawił się jakiś metal. Wszak kto w swoim życiu nie słuchał metalu, ten prawdziwie nie żył. Nie, przesada, to nawet nie jest dobry dowcip. Weźcie łyk wody, aby przełknąć tego suchara i lecimy dalej.

Wapń stanowi niecałe 1,5 proc. masy ludzkiego organizmu. Najwięcej znajdziemy go oczywiście w kościach i w zębach. Nie zmienia to jednak faktu, że ma on swój udział także w syntezowaniu białek czy przesyłaniu informacji między komórkami.

Skąd się zatem bierze wapń? Określenie pochodzenia tego pierwiastka od samego początku nastręczało sporo problemów. Obserwacje supernowej SN2019ehk wskazują silnie na to, że pierwiastek ten może powstawać w momencie eksplozji supernowej. Dopiero w momencie eksplozji pojawiają się bowiem temperatury i ciśnienie niezbędne do powstania w ciągu zaledwie kilku sekund dużych ilości tego pierwiastka. Naukowcy mają nadzieję, że powstające Obserwatorium Very Rubin będzie w stanie odkryć więcej takich eksplozji, a tym samym opowiedzieć nam więcej o tym skąd we wszechświecie wzięło się tyle wapnia, ile dzisiaj się obserwuje, bowiem liczby wciąż do końca się nie zgadzają.

Tak samo jak w przypadku wapnia, wszystko wskazuje na to, że fosfor w twoim organizmie powstał w momencie eksplozji supernowej. Warunki panujące w tych największych eksplozjach we wszechświecie pozwalają na syntezę wielu pierwiastków, które natychmiast chwilę później rozsiewane są po przestrzeni międzygwiezdnej, wzbogacając sobą materię, z której powstają kolejne generacje gwiazd. Pochodzenie fosforu astronomowie potwierdzili chociażby dekadę temu podczas obserwacji Cas A, pozostałości po supernowej. W szczątkach rozszarpanej eksplozją gwiazdy odkryto spore ilości tego pierwiastka.

Co to wszystko powyżej oznacza? Powyżej przeanalizowaliśmy pochodzenie 99 proc. masy ludzkiego ciała. Jak się okazuje, człowiek jest dużo bardziej fascynujący niż nam się może wydawać.

Kolejna została wyprodukowana we wnętrzach gwiazd, a jeszcze inna dopiero w momencie, gdy te gwiazdy umierały. Spokojnie zatem możecie spojrzeć na swoje dłonie z zachwytem. Jesteście wspaniałymi maszynami, które są szczytowym osiągnięciem ewolucji wszechświata. Lepiej? No, to do roboty!

Aha, ta nieszczęsna obrączka na waszym palcu wcale nie jest od was gorsza. Złoto powstaje w eksplozjach supernowych oraz w zderzeniach gwiazd neutronowych, czyli niezwykle fascynujących pozostałościach po supernowych. Rozsiane w eksplozjach tego typu pierwiastki dotarły także na powierzchnię Ziemi. Warto jednak tutaj zauważyć, że w całej historii ludzkości wydobyto z Ziemi około 190 000 ton złota. Niby dużo, ale warto pamiętać, że Empire State Building, jeden z najbardziej rozpoznawalnych budynków na Manhattanie ma masę 365 000 ton. Macie zatem na palcu coś niezwykle wartościowego, zarówno w sferze symbolicznej, jak i w skali wszechświata.