Ingolf Kanestrøm: Jordens naturgitte privilegier

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), fosfor (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.

Vi har seks edelgasser, helium, neon, argon, krypton, xenon og radon. Disse gassene har et ytre elektronskall som er fullt av elektroner. De vil derfor vanskelig kunne reagere med andre grunnstoffer. Derfor kalles de edelgasser. De er et resultat av prinsippet som styrer oppbyggingen av atomene. En kan derfor si at lovene som genererer byggematerialer for biologisk liv, må nødvendigvis generere noen grunnstoffer som er “overflødig”.

La oss se på karbon. Det kan anta krystallinsk form – diamant – dersom det utsettes for høyt trykk, trykk som ikke noen levende organisme kunne tåle. Diamant har ingen relevans for levende liv, men det er en egenskap ved karbon som gir diamant som resultat når det utsettes for de naturlige forhold som er i jordens indre. Slike fenomen kan bli resultatet når generelle naturlover virker på materie med trykk og temperatur som ligger langt utenfor det som er forenlig med liv. Vi kan derfor si at dersom det finnes fysiske og kjemiske lover, må det ubønnhørlig oppstå en rekke fysiske og kjemiske fenomen som ikke direkte er nyttig for karbonbasert liv.

Hvorfor omfatter det periodiske system de radioaktive elementene? Svaret må ligge i den viktige rolle radioaktiviteten har spilt i den geofysiske utvikling av jorden. Spesielt de prosesser som har dannet det unike fysiske og kjemiske vannholdige miljøet (hydrosfæren) som er spesielt tilpasset karbonbasert liv.

Vi vet nå at uran og andre radioaktive stoffer har spilt en vesentlig rolle i utviklingen av jorden. Mengden av disse stoffene er relativt beskjedne. Forekomsten er bestemt til noen få deler per én million. Likevel er varmen som ble dannet ved radioaktiv nedbryting svært viktig. Varmen som dannes per år ved radioaktive prosesser i granitt, er 1 000 ganger større enn den energi-mengden som årlig frigjøres ved jordskjelv. Den er 250 000 ganger større enn den energimengde som blir frigjort ved en 1megatonn kjerneeksplosjon. I denne sammenhengen er det viktig å påpeke at bergartene er dårlige varmeledere.

F F F F Figur 1. R igur 1. R igur 1. R igur 1. R igur 1. Relativ kosmisk forekomst av de forskjellige grunnstoffene elativ kosmisk forekomst av de forskjellige grunnstoffene elativ kosmisk forekomst av de forskjellige grunnstoffene elativ kosmisk forekomst av de forskjellige grunnstoffene elativ kosmisk forekomst av de forskjellige grunnstoffene (C. P (C. P (C. P (C. P (C. Ponnamperuma). onnamperuma). onnamperuma). onnamperuma). onnamperuma).

F F F F Figur 2. R igur 2. R igur 2. R igur 2. R igur 2. Relativ forekomst av de 31 første grunnstoffene. K elativ forekomst av de 31 første grunnstoffene. K elativ forekomst av de 31 første grunnstoffene. K elativ forekomst av de 31 første grunnstoffene. K elativ forekomst av de 31 første grunnstoffene. Kurve A urve A urve A urve A urve A for kosmos. K for kosmos. K for kosmos. K for kosmos. K for kosmos. Kurve B for levende materie på jorden (J urve B for levende materie på jorden (J urve B for levende materie på jorden (J urve B for levende materie på jorden (J urve B for levende materie på jorden (J.T .T .T .T .T. Edsall and . Edsall and . Edsall and . Edsall and . Edsall and J J J J J. W . W . W . W . Wyman). yman). yman). yman). yman).

Dersom bergartene ikke hadde hatt en slik varmeisolerende effekt, ville ikke jorden kunne varmes opp.

Differensiering Det var de radioaktive prosessene som forårsaket oppvarmingen av jordens indre like etter dannelsen av planeten. Etter som oppvarmingen holdt fram, ble smeltepunktet for jern nådd, og dråper av jern begynte å falle inn mot jordens sentrum. Dette ga starten til det man kaller differensieringen. Denne prosessen omskapte jorden fra en homogen klode med tilnærmet lik sammensetning i alle dyp, til en klode med lagstrukturer med en tett jernkjerne. Jordskorpa består av stoffer med lavere tetthet og lavere smeltepunkt. Mellom disse strukturene har vi mantelen (da.: kappen). Forskeren sier at uten radioaktivitet ville det ikke være noen differensiering, og uten differensiering ikke noe liv.

En betydelig konsekvens av differensieringen er at de kjemiske elementene varierer fra kjernen ut mot jordskorpa. Denne fordelingen er ikke bare bestemt av elementenes relative vekt. Årsaken er at elementene reagerer og danner en rekke forbindelser. Det er de fysisk/ kjemiske egenskapene ved disse forbindelsene som bestemte fordelingen. Det er egenskapene til silikatene mer enn egenskapene til de enkelte atomene som inngår – silisium, oksygen, kalsium, magnesium og aluminium – som gjør at disse fem atomene utgjør hovedmengden av fjellgrunnen. Silikatene smelter ved en relativt lav temperatur, og når stoffet er smeltet, er egenvekten relativt liten. Derfor steg stoffet gjennom differensieringsprosessen og ble lagret i overflata.

Platetektonikk Det kan kanskje synes underlig at dette fenomenet trekkes inn her. Mantelen består av et fast, men likevel et flytende regime (red.: en serie fysiske betingelser). Mantelen leder varme fra jordens indre gjennom et tynt, sterkt skall som er brukket opp i noen få store plater som beveger seg horisontalt på og med mantelen. Når disse platene beveger seg mot hverandre, vil de kunne kollidere. I denne kollisjonen vil den ene platen bevege seg over den andre, løftes opp og danne fjellkjeder. Den nederste platen vil bli tvunget ned i jordens indre. Denne prosessen vil bidra til en sirkulasjon av materialet i jordskorpa, inkludert stoffer som er nødvendig for liv. Det er de radioaktive prosessene som frambringer varmeenergi til de tektoniske prosessene.

Prosessen platetektonikk må samspille med den hydrologiske syklus. Den bidrar til erodering av fjellene og fører viktige mineraler tilbake til havene. Det er en ganske tilpasset sammenheng mellom disse prosessene, de er som to tannhjul som griper i hverandre. Den kjemiske og fysiske stabilitet av jordens miljø er et resultat av disse to globale systemene. Silikater og leire I daglig tale blir det ofte sagt at leire (da.: ler) er dårlig dyrkningsjord, men er det sant? Vi har tidligere nevnt at de radioaktive prosessene medfører at bergarter ved jordoverflata inneholder mye silikater. Bergartene forvitrer på grunn av vann og karbondioksid, prosesser som danner en rekke forbindelser av jord. Dette er viktige forbindelser for plantene, da de absorberer og holder på vann og andre viktige elementer. Her spiller leirpartikler en viktig rolle da de har stor evne til å absorbere vann og binde ioner. Den totale indre overflate til leirpartikler er mye større enn den ytre overflate. Fra slike overflater skjer det en utveksling av kationer og anioner med planterøttene.

Det synes liten tvil om at uten den nesten universale forekomsten av leirmineraler i jorden, ville det ikke finnes store terrestriske planter på jorden. Derfor ville det heller ikke forekomme store pattedyr. Med andre ord kan det sies at vår eksistens er avhengig av at de mest vanlige bergartene forvitrer til det som synes å være et ideelt materiale for plantevekst. Det er materialer som absorberer vann og de næringsstoffene som er viktig for vekst.

Egenskaper ved mineraler i jordskorpen Bergarter utsatt for så høy temperatur og stort trykk som det vi finner i mantelen, har relativ lav viskositet (seighet). Dette er viktig for den tektoniske prosess beskrevet ovenfor. Viskositeten til kjente elementer varierer med mer enn 28 størrelsesordener. Viskositeten til bergarter i jordskorpa er så stor at fjellene flyter svært langsomt. Men i motsetning til det mange tror, så flyter også fjell. Det eroderer riktignok raskere enn de flyter. Dersom fjell hadde mye lavere viskositet, ville fjellene flyte ut til store sletter, og de ville ikke ligne de fjellene vi har i dag. Dersom viskositeten av bergarter i mantelen hadde vært betydelig mindre, ville det ha gitt betydelig sterkere turbulente strømninger i mantelen. Det ville påvirke platetektonikken og vulkanaktiviteten. Hadde viskositeten vært betydelig større, ville det tektoniske system bryte sammen.

Skal viktige mineraler resirkuleres, må de være løselige i vann. Løseligheten må være nær den observerte verdi. Løseligheten til silikat er tusen ganger lavere enn for karbonat-mineraler som kalsitt og dolomitt. Dersom karbonater hadde vært mindre løselig, ville alt karbon på jorden vært bundet opp i kalksteinsedimenter. Følgelig ville det ikke vært nok karbon i hydrosfæren til å opprettholde liv. Men dersom løseligheten til silikater hadde vært lik løseligheten til karbonater, ville hydrosfæren vært overlesset med store mengder av kalium, aluminium, silisiumdioksid, kalsium og klorid. Dette ville gjøre havet til en overmettet viskøs gjørme (da.: mudderpøl).

Alle mineralsyklene som er viktig for livet, omfatter

en mengde forskjellige kjemiske forbindelser og prosesser som transporterer viktige elementer fra fjell til hav. Der blir de lagret i sedimentene for så etter lang tid å bli inkorporert i berggrunnen i jordskorpa. Ved tektoniske prosesser og vulkanaktivitet blir elementene igjen ført opp til overflata for på nytt delta i forvitringsprosessen. At et tilnærmet konstant nivå av 24 viktige elementer er oppretthold i milliarder av år ved sykliske prosesser, vitner om et finjustert system. Hver resirkuleringsprosess er justert slik at hvert av elementene forekommer i en mengde som er nødvendig for livet i hydrosfæren.

Karbonforbindelser All levende materie fra molekylært til morfologisk nivå er i stor grad dannet av karbonforbindelser. Det gjelder DNA-molekylet, strukturer av cellemembraner til elghorn osv. Når karbon kombineres med andre atomer til karbonforbindelser, er de bundet sammen med kovalente band. Slike band dannes når atom deler sine elektroner i det ytterste elektronskallet i et “forsøk” på å fylle skallet. Karbon bundet til hydrogen danner den store gruppen hydrokarboner, som kan deles i undergrupper. Selv i en slik undergruppe er det stor variasjon i fysisk/kjemiske egenskaper. Innen denne gruppen finner vi diverse olje- og gassprodukter. Kombinasjon av karbon, hydrogen og oksygen utgjør en annen stor gruppe som inneholder etanol, propan, sukker osv.

Karbon kombinert med hydrogen, oksygen og nitrogen danner bl.a. aminosyrer som er byggesteiner for proteiner. Antall mulige kjemiske strukturer som kan dannes på basis av disse fire grunnstoffene er nærmest ubegrenset. Minst 100 000 forskjellige forbindelser er nå kjente. Foruten deres mangfold er karbonforbindelsene lite reaktive, og de er metastabile. Med det menes det at molekylet kan frigjøre fri energi ved omforming, men det er stabilt nok til å vare i lang tid dersom det ikke utsettes for varme, stråling og lignende. Metastabilitet er en viktig egenskap ved organiske forbindelser, men den kommer til syne bare innen et trangt temperaturintervall. Dersom temperaturen øker til over 100oC, vil karbonforbindelser bli mer reaktive og kjemisk ustabile. Vitamin C, B1 og B6 blir raskt brutt ned ved en temperatur over 100oC. At instabiliteten til organiske stoffer øker med temperaturen kan illustreres ved at aminosyren alanin, har en halveringstid på 20 milliarder år ved 0oC, 3 milliarder år ved 25oC, men bare 10 år ved 150oC.

Den korte oversikten her illustrerer at de livsviktige karbonforbindelsene med hydrogen, oksygen og nitrogen har karakteristikker som mangfold, kompleksitet og metastabilitet. Disse egenskapene opptrer i samme temperaturområde som er nødvendig for at vi skal ha vann. Vann er støpeskjeen for liv basert på karbonkjemi. Under slike forhold kan svake bindinger opprettholde tredimensjonale molekylstrukturer som er nødvendig for at det molekylære maskineriet i cellene skal fungere. Det er blitt sagt at dersom det ikke fantes karbon, måtte det bli oppfunnet.

Vannets unike egenskaper Vann er det stoffet mennesket er mest fortrolig med. Det inngår i vårt daglige liv på mange måter, i mat, renhold og sanitære forhold. Verken planter, dyr eller mennesker kan eksitere uten vann. Direkte eller gjennom maten må et menneske ha minst 1,5 liter vann daglig for å overleve. I tillegg trenger vi vann til vasking, personlig hygiene og matlaging. 5 liter om dagen blir regnet som et minimum.

At livet er basert på en et medium i væskefase er ikke noen tilfeldighet. Det er vanskelig å tenke seg et komplisert kjemisk system som er i stand til å samle seg og formere seg, manipulere sine atomer og molekyler og trekke næring fra omgivelsene, kunne fungere i et annet medium enn i en væske. Oxford-zoologen A.E. Needham mener at tilstandene fast stoff og gassfasen kan utelates som mulighet av fundamentale grunner. I krystallinsk form bindes atomene i krystallgitter. I andre faste stoffer er atomene pakket sammen mer usystematisk. I begge tilfelle er atomene så sterkt bundet, at det er lite spillerom for molekylære dynamiske prosesser assosiert med liv. I gasser på den andre siden er atomene så fri til å bevege seg, at gassen er for flyktig og labil til at den kan betraktes som en aktuell kandidat til å omgi kjemiske livsprosesser. Dersom livet defineres som et komplekst kjemisk system som er i stand til å samle og kopiere seg selv, å manipulere sine komponenter og trekke næ-ringsstoffer og nødvendige bestanddeler fra dets omgivelser, ville det definitivt ikke eksitere om de fysiske lovene i universet bare virket i faste stoffer eller i gasser. Med andre ord er det bare i en væske man kan ha et selvkopierende liv.

Vannets spesielle termiske egenskaper Bestyreren (eng.: Master) av Trinity College, Cambridge, William Whewell oppdaget rundt 1830 at vann utvider seg ved oppvarming og trekker seg sammen med avkjøling. Dersom sammentrekningen av vannet ved avkjøling hadde skjedd helt til frysepunktet, ville is være tyngre enn vann. Ved frost ville den nedre del av vannet i en dam begynne å fryse først. Når bunnvannet først ble frosset til is, ville knapt noe varme slippe ned fra overflaten til å smelte den. Dette kan illustreres ved et enkelt forsøk. En kan ta en beholder med vann hvor det er is på bunnen. Da kan man få det øverste laget til å koke uten at isen smelter. Dersom naturen var slik, ville innsjøer bunnfryse og ødelegge dyrelivet i vannet.

Senere har vi lært at vannets egenskaper er mer komplisert enn dette. Vannet trekker seg sammen ved

Guldsmed interesseret i skøjteløbere. (F Guldsmed interesseret i skøjteløbere. (F Guldsmed interesseret i skøjteløbere. (F Guldsmed interesseret i skøjteløbere. (F Guldsmed interesseret i skøjteløbere. (Foto: K oto: K oto: K oto: K oto: K. Back) . Back) . Back) . Back) . Back)

avkjøling, men det skjer bare inntil temperaturen når en grense på 4oC. Reduseres temperaturen ytterligere, begynner vannet å utvide seg. Dette betyr at vannet har størst tetthet ved 4oC. Det gjør at vannet i en innsjø ikke begynner å fryse ved bunnen, men ved overflaten. Whewell ble slått av undring da han innså dette. Han mente at noen av vannets egenskaper, som at dets tetthet avtar når temperaturen faller under 4oC, og det faktum at tettheten av is er mindre enn for vann, synes å bryte med det en ville kalle naturlover. Selv om denne egenskapen er avgjørende nødvendig for livet på jorden, har den også noen kjedelige konsekvenser. Mange av oss har nok erfart at vannrør, vannflasker eller bilradiatoren sprenges i stykker når vannet fryser.

I 1913 skrev biokjemikeren Lawrence Henderson boka The Fitness of the environment. Henderson viste at vannet hadde stor betydning som støpeform for levende materie. I tråd med Henderson kan vi sette opp følgende punkter for vannets termiske egenskaper:

1) Vann trekker seg sammen hvor det avkjøles inntil fire grader over frysepunktet. Etter dette vil det utvide seg inntil det fryser til is. Is har mindre tetthet enn vann. Disse egenskapene er unike. 2) Når is smelter eller vann fordamper, absorberes varme fra omgivelsene. Dette fenomenet kalles latent varme (kondensasjonsvarme). Den latente varmen ved frysing av vann er en av de høyeste for alle kjente væsker. Ved temperaturforhold på jorden er det bare ammoniakk som har høyere latent varme.

Fordampningsvarme for vann er den høyeste som er kjent for noen væske. 3) Den spesifikke varmekapasitet for vann (den temperaturen som må tilføres 1 kg vann for at temperaturen skal økes med 1oC) er høyere enn for de fleste væskene. 4) Den termiske varmeledning i vann er fire ganger større enn for noen annen vanlig væske 5) Den termiske ledningsevnen for is og snø er liten.

Hvilke konsekvenser har dette? Vi skal kort se på noen. Uten egenskapene nevnt i punkt 1, ville store deler av vannmassene på jorden være permanent lagret i store ismasser på bunnen av havene. Ved høye breddegrader ville innsjøer fryse helt fra bunnen og opp hver vinter. Uten punkt 3 ville forskjellen mellom sommer og vinter være mye større, og vi ville få mer ustabilt vær. Store havstrømmer som Golfstrømmen ville ha mindre kapasitet til å transportere varme fra tropiske områder til polene. Golfstrømmens vannføring er beregnet til 400 km3 per time – omtrent 25 ganger så stor som den samlede vannføring i alle større elver på kontinentet. Golfstrømmen fører til at temperaturen i Norge er 1015oC høyere enn den ellers ville ha vært ved samme breddegrad. Uten punkt 2 ville varmblodige dyr ha større problemer med å bli kvitt kroppsvarmen. For mennesket er varme et avfallsprodukt som må fjernes. Det kan skje ved varmeledning, stråling og fordampning. Ved vanlig kroppstemperatur er varmeledning og stråling lite effektive. Derfor er fordampning den viktigste prosessen. Vann synes å være maksimalt tilpasset til disse prosessene. Det bør og nevnes at når temperaturen øker, øker også fordampningen og dermed avkjølingseffekten av fordampningen. Det viser at avkjølingseffekten av fordampningen øker når behovet for dens egenskaper er mest påkrevende (se avsnittet vann som kjølemiddel). Uten punkt 4 ville det bli vanskelig for cellene som ikke kan benytte konveksjonsstrømmer, til å fordele varmen. Uten punkt 5 ville isolasjonseffekten av snø og is ved høye bredder være tapt. Alle de fem termiske egenskapene til vann tjener til å beskytte individuelle makroskopiske livsformer mot raske temperaturforandringer.

Overflatespenningen Den termiske egenskapen til vannet er ikke den eneste fysiske egenskapen som gjør at vannet er så ekstremt viktig for biologisk liv. En annen viktig egenskap er vannets store overflatespenning. Vi kan se virkningen av overflatespenningen ved at insekter kan gå på vannet. Overflatespenningen har flere biologiske implikasjoner. Det er overflatespenningen som trekker opp

vann i jordsmonnet fra grunnvannet til røttene til trær og planter. Den bidrar til at vannet kan gå videre fra røtter til grenene i trær. Det kunne knapt eksistere store trær dersom ikke overflatespenningen til vann hadde vært større enn for de fleste andre væskene vi kjenner.

En annen effekt finner vi i fjellgrunnen. Overflatespenningen trekker vann inn i smale sprekker i fjellet. Dermed bidrar vannet til erosjon og utvasking av mineraler som er viktig for plantelivet. Også når vannet fryser og utvider seg, bidrar det til oppbrytning og utvasking av mineraler og dannelse av jordsmonn.

Vann som løsemiddel Vannets kjemiske egenskap er av vital betydning. Vann kunne ikke spille noen vesentlig rolle dersom det ikke var et godt løsemiddel. Evnen til å løse opp et stort antall kjemikalier må være til stede om en væske skal fungere som støpeform for “kjemisk liv”. Det viser seg at vann er et bedre løsemiddel enn de aller fleste andre kjente væsker. Vannets evne til å løse opp kjemiske stoff og transportere dem kan illustreres ved eksempler fra naturen. Oppløst materialer som transporteres ved jordens elver til havene er anslått til 5 milliarder tonn per år. Det er registrert 35 forskjellige elementer i havet, men det finnes trolig enda flere som sporstoffer. For å sammenligne dette med biologiske systemer, kan vi nevne at det finnes over 50 ulike stoffer i urinen fra mennesker.

Vann er et svært reaktivt kjemikalie. Det katalyserer nesten alle kjente reaksjoner. Likevel er vann mye mindre reaktivt enn andre væsker. Syrer og baser er mye mer reaktive. De vil i løpet av svært kort tid løse stoffer som er nesten uløselig i vann. Men vann kunne ikke utspille sin biologiske rolle dersom det hadde vært så reaktivt som svovelsyre, eller om det var så lite reaktivt som flytende argon. Det synes som om vannets reaksjonsevne, på samme måte som dets andre egenskaper, er maksimalt tilpasset både dets geologiske som dets biologiske funksjon.

Vannets seighet og diffusjon Seigheten (evnen til å flyte) til væsker varierer betydelig. Seigheten til tjære, olivenolje og svovelsyre er henholdsvis 10 milliarder, 100 og 25 ganger seigheten til vann. Selv om seigheten til vann er noe av den laveste vi kjenner for noen væske, er seigheten for flytende hydrogen om lag 100 ganger mindre. Men i hovedsak er det bare gasser som er mer lettflytende. Tilpassingen til det biologiske system ville trolig vært mindre om seigheten hadde vært mindre. Strukturen til levende organismer ville ha blitt utsatt for voldsomme bevegelser da skjærspenningen (indre krefter, skjærkraften pr flateenhet) ville ha vært store ved mindre seighet i vann. Skjærspenninger opptrer i strukturer når krefter som virker på dem, forandrer deres form. Strukturer sammensatt av harpiks som har stor seighet, vil motstå skjærspenninger langt bedre enn strukturer som er sammensatt av sirup.

Dersom vannets seighet hadde vært mye mindre, så ville fine strukturer bli ødelagt av skjærspenninger. Vannet ville dermed ikke være i stand til å opprettholde noen permanente intrikate mikroorganismer. De fine molekylære strukturene i celler ville neppe overleve.

På den andre siden ville mye høyere seighet ha alvorlige konsekvenser. Fisk ville ikke kunne eksistere. Vi kan neppe tenke oss fisk svømme i sirup. Mikroorganismer ville ha problemer med bevege seg. Hadde seigheten til vann vært mye høyere, ville kontrollert bevegelse av store makromolekyler eller av små organismer være umulig. Alle vitale aktiviteter til cellene ville bli frosset. Dermed kunne ikke høyere organismer utvikle seg.

Seigheten har stor innflytelse på diffusjonen (transport ved spredning). Det er vanskelig å forestille seg hvordan en nødvendig strøm av stoffer inn og ut av et kjemisk selvkopierende system basert på et flytende medium skulle opprettholdes uten diffusjon. I vann er transporten ved diffusjon over korte avstander svært rask. Oksygen vill diffundere gjennom en midlere (da.: gennemsnitlig) kroppscelle på et hundredels sekund. Den svært raske diffusjonen av små molekyler i vann kan forklare hvorfor små organismer som bakterier kan oppnå næringsstoff og bli kvitt avfallsstoffene ved diffusjon uten annet sirkulasjonssystem.

Diffusjonshastigheten for et molekyl er omvendt proporsjonal med væskens seighet. Dersom seigheten økte med en faktor 10, ville diffusjonshastigheten reduseres med samme faktor. Dermed ville det bli problematisk for en organisme å få tilført nok næringsstoffer og opprettholde den metabolske aktivitet (stoffskifte). Bare de minste cellene kunne få tilført nok næringsstoffer.

Seighet og sirkulasjonssystemet Effektiviteten av diffusjon som transportsystem avtar raskt med avstander lengre enn deler av en millimeter. Store organismer må derfor ha transportmuligheter i tillegg til diffusjonen. I praksis betyr det at en må ha et slag sirkulasjonssystem. I all vev til pattedyr finnes det milliarder av tynne hårrør (da.: hårkar, kapillærer) som transporterer næringsstoff, og som ved diffusjon når videre til alle celler med metabolisk aktivitet. Da diffusjonen er lite effektiv over store avstander, kan ikke noen celle leve uten at den er nærmere enn 50 mikrometer fra en åre. I en muskel av en gris finner en derfor mer enn 3 000 hårrør per cm2 av musklene. Dette tilsvarer ca. 15 % av muskelens volum.

Slike trange hårrør har en funksjon bare så lenge væsken som skal pumpes gjennom det, har liten seighet. Dette er viktig da strømmen gjennom røret er omvendt proporsjonal med seigheten. Fordobles seigheten

halveres strømmen gjennom røret. Men det finnes ytterligere begrensninger. Det er en sammenheng mellom rørets diameter og motstanden mot strømmen. Denne motstanden varierer med fjerde potens av rørdiameteren. Det vil si at dersom vi halverer rørdiameteren, øker motstanden med en faktor 16.

Bare en liten reduksjon i størrelsen på hårrørene kunne oppnås selv om seigheten til vann var en størrelsesorden mindre. En kan tenke seg at en må opprettholde blodstømmen. En halvering av størrelsen til hårrørene ville kreve at seigheten måtte reduseres med en faktor 16, eller at blodtrykket økte med samme faktor. Vi kjenner ingen væske som ved kroppstemperatur har så lav seighet som dette.

De minste hårrørene har en diameter på 3-5 mikrometer. Det er essensielt at hårrørene kan fungere med så liten diameter. Siden diffusjonen bare er effektiv over korte distanser, kan høyere organismer eksistere fordi det finnes en myriade at hårrør som gjennomtrenger vevet. Dersom seigheten til vann bare hadde vært litt større, og det miste fungerende hårrør hadde en diameter på 10 mikrometer i stedet for 3, måtte hårrørene utgjøre så å si all muskelvev for å forsyne cellene med oksygen og glukose. Derfor ville design av makroskopisk liv være enormt begrenset.

Vann som kjølemiddel Vi skal se hvordan vannets store varmekapasitet, dets store fordampnings- og kondensasjonsvarme (latent varme), varmeledningsevne og seighet spiller sammen og fungerer som en god varmeregulator for store organismer.

All aktivitet forutsetter bruk av energi som igjen produserer varme. Dersom et menneske løper 16 km i løpet av en time, vil det produsere en betydelig mengde varme. Likevel vil kroppstemperaturen etter løpet være ubetydelig høyere enn ved start. Vi er fortrolig med dette, og tenker knapt over det. Men i virkeligheten er det et merkelig fenomen. For dersom dette var en person på 100 kg, ville han produsere tilnærmet 1000 kilokalorier varme. Dersom ikke noe av denne varmen gikk tapt under løpet, ville kroppstemperaturen ha økt med ca. 10oC. Men en slik temperaturøkning ville ha vært fatal. Vi vet at en tempertur på ca. 40oC ved feber er kritisk. Dersom kroppen i hovedsak hadde vært sammensatt av jern, salt, bly eller sprit, ville temperaturøkningen vært på henholdsvis, 100, 50, 300 og 20oC. Den relativt lave økningen på 10oC skyldes vannets store varmekapasitet.

Men siden kroppstemperaturen vil være tilnærmet konstant, må vannet ha andre viktige temperaturregulerende effekter. Den ene av disse er den store fordampningsvarmen. Når løperen svetter under løpet, fordamper svetten og tar en stor energimengde fra kroppen. Fordampning av en liter vann fra et menneske på 100 kg krever 600 kilokalorier, og det reduserer temperaturøkningen med 6oC.

Men fortellingen stopper ikke med dette. Varmen som genereres inne i kroppen, må transporteres ut til overflaten. Det kan skje ved varmeledning og konveksjon. Metaller er gode varmeledere, for eksempel kopper og sølv. Sammenlignet med metaller er væsker dårlige ledere. Blant væsker står vann også her i en særstilling med høy varmeledningsevne. Men den er for lav til å kunne transportere varmen fra kroppens indre til overflaten. Bare dersom den er hjulpet av en form for konveksjon (materiell transport av varme) kan den bli tilstrekkelig. Det finnes virkelig en slik konveksjonsmekanisme, blodsystemet. I et voksent menneske sirkulerer det om lag (da.: ca.) seks liter blod. Blodet transporterer varmen fra kroppens indre ut mod de ytre delene. Men som vi har sett, avhenger denne sirkulasjonen av vannets andre kritiske parametere, nemlig seigheten.

Men dersom varmeledningsevnen til vann hadde vært betydelig mindre, ville ikke sirkulasjonssystemet vært tilstrekkelig. Kroppen ville “skjære” seg (da.: brænde sammen) som en overopphetet bilmotor. Derimot, dersom varmeledningsevnen hadde vært så stor som for kopper, ville kroppstemperaturen fort innstille seg etter temperaturen til omgivelsene, og det ville være enda vanskeligere å oppnå temperaturregulering. I dette tilfellet ville det knapt finnes 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