Στοιχειώδης Ζωή

Ετος Χημείας το 2013, και αυτό δεν μπορούσε να περάσει απαρατήρητο στο «ΒΗΜΑScience». Παίρνουμε λοιπόν το Περιοδικό Σύστημα Στοιχείων και το κάνουμε… φύλλο και φτερό. Σε αυτό περιέχονται όλα τα στοιχεία που απαρτίζουν το Σύμπαν συνιστώντας μια επίπεδη απεικόνιση ενός πολυδιάστατου κόσμου. Καταρτίστηκε με απέραντη υπομονή και επιμονή και αξίζει να μάθουμε τα «μυστικά» του. Παρ’ όλη τη φαινομενική ερμητικότητά του και τον επιστημονικό εσωτερισμό του, ήταν ένα αξιοπρόσεκτο επίτευγμα του ανθρώπινου μυαλού όταν ανακάλυπτε ότι το ορατό Σύμπαν οικοδομείται στην πραγματικότητα από όχι περισσότερους από εκατό διαφορετικούς δομικούς λίθους. Για μια καλύτερη εισαγωγή όμως στο θέμα μιλούμε σήμερα με τον κ. Κωνσταντίνο Μεθενίτη, επίκουρο καθηγητή της Ανόργανης Χημείας στο Πανεπιστήμιο Αθηνών, που διδάσκει στους νέους χημικούς τα στοιχεία στο Περιοδικό Σύστημα, ενώ μελετά, στο πλαίσιο της Βιοανόργανης Χημείας, ανόργανα στοιχεία ή ενώσεις που παίζουν σημαντικό ρόλο στα βιολογικά συστήματα. Μάθετε για τα CHNOPS ή αλλιώς «big-six» και για τα άλλα περίεργα αυτού του σημαντικού για την επιστήμη και τη ζωή μας πίνακα.

Πόσοι δάσκαλοι και καθηγητές της Χημείας κατάφεραν το να βρουν οι μαθητές τους κάποιο νόημα στον Περιοδικό Πίνακα των Στοιχείων; Και ακόμη πιο πολύ να ανακαλύψουν μυστικά κρυμμένα μέσα στην ακραία κωδικοποίηση των εκατό και πλέον καταχωρίσεων που περιέχει;

Να αισθανθούν ότι πρόκειται για μια τακτοποίηση που σημαντικοί ερευνητές προσπαθούν ακόμη και σήμερα να την κάνουν όσο γίνεται πιο φιλική απέναντι και στους λιγότερο μυημένους στα μυστικά της Χημείας. Για να διαπιστώσουν κι εκείνοι πως παρ’ όλη τη φαινομενική ερμητικότητά του και τον επιστημονικό εσωτερισμό του, πρόκειται για ένα αξιοπρόσεκτο επίτευγμα του ανθρώπινου μυαλού.

Αποτέλεσμα κοπιαστικών αναζητήσεων κυρίως στη διάρκεια του 19ου και στις αρχές του 20ού αιώνα, όταν ο άνθρωπος ανακάλυπτε πως το ορατό Σύμπαν οικοδομείται στην πραγματικότητα από όχι περισσότερους από εκατό διαφορετικούς δομικούς λίθους.

«Θα θέλατε να μιλήσουμε για τον Περιοδικό Πίνακα και για τα στοιχεία που περιέχει;» τον ρώτησα στο τηλέφωνο. «Εδώ θα είμαι όλη την ημέρα, αν θέλετε ελάτε» μου απάντησε.

Είχε πια νυχτώσει για τα καλά όταν, περνώντας από διάφορους μισοφωτισμένους διαδρόμους και κάποια εργαστήρια που το φως πρόδιδε ότι ακόμη κάποιοι δούλευαν κι εκείνη την προχωρημένη ώρα, έφθασα μέχρι το γραφείο του σε μια σιωπηλή λόγω των εξετάσεων και της ώρας Πανεπιστημιούπολη.

Ο κ. Κωνσταντίνος Μεθενίτης, επίκουρος καθηγητής της Ανόργανης Χημείας, ήταν ακόμη εκεί. Διδάσκει στο Πανεπιστήμιο της Αθήνας ένα ολόκληρο μάθημα για τα Χημικά Στοιχεία και στο γραφείο του δεσπόζει όπως είναι αναμενόμενο ένας τεράστιος Πίνακας του Περιοδικού Συστήματος. Κατάφορτος και με πολλά άλλα κατατοπιστικά γραφήματα. Δεν ασχολείται φυσικά μόνο με την «ξενάγηση» των φοιτητών στους λαβυρίνθους του Περιοδικού Πίνακα αλλά και με έρευνα, σε έναν τομέα που το όνομά του είναι «Βιοανόργανη Χημεία».

Τι σημαίνει «Βιοανόργανη»;

Η Βιοανόργανη Χημεία μπορεί να θεωρηθεί ως το κοινό ερευνητικό πεδίο μεταξύ της Ανόργανης Χημείας και της Βιολογίας. Αν και η Βιολογία είναι στενά συνδεδεμένη με την Οργανική Χημεία, δεν μπορεί πλέον να αμφισβητηθεί το γεγονός ότι ανόργανα στοιχεία διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη ζωή.

Αναφορές σχετικά με μέταλλα συνδεδεμένα με πρωτεΐνες ή ένζυμα χρονολογούνται από τον 19ο αιώνα και πιθανώς παλαιότερα αν αντικατασταθούν οι όροι «πρωτεΐνες» και «ένζυμα» με τους όρους «ζωικοί και φυτικοί ιστοί». Το 1970, κατά τη διάρκεια του MIB GRC συμποσίου (Gordon Research Conference on Metals in Biology), διαπιστώθηκε η στενή σύνδεση μεταξύ Βιολογίας, Βιοχημείας και Ανόργανης Χημείας και κατά κάποιον τρόπο άρχισε να δημιουργείται ένα πεδίο που ονομάστηκε Βιοανόργανη Χημεία.

Ανόργανες ενώσεις χρησιμοποιήθηκαν και χρησιμοποιούνται εδώ και πολλούς αιώνες ως θεραπευτικές ουσίες, χωρίς προσπάθεια για σχεδιασμό και χωρίς να έχει γίνει κατανοητή η δράση τους σε μοριακό επίπεδο. Υπάρχει όμως ζωηρό ενδιαφέρον για τον σχεδιασμό και τη σύνθεση νέων ενώσεων των μετάλλων, που ονομάζονται «Σύμπλοκες Ενώσεις», για θεραπευτικούς και διαγνωστικούς σκοπούς. (Σύμπλοκο ή Σύμπλοκη Ενωση είναι ένα σταθερό συγκρότημα ατόμων που αποτελείται από ένα κεντρικό άτομο, συνήθως μεταλλικό ιόν ενωμένο με έναν ορισμένο αριθμό ιόντων ή ουδετέρων μορίων. Αυτά τα ουδέτερα μόρια ονομάζονται Υποκαταστάτες.)

Οπως παρατηρεί ο κ. Μεθενίτης, «η κύρια δραστηριότητα των Βιοανόργανων Χημικών είναι η μελέτη των ανόργανων στοιχείων ή ενώσεων που συναντώνται σε βιολογικά συστήματα με έμφαση στη διερεύνηση της in vivo δράσης τους. Ανόργανα στοιχεία εισάγονται τεχνητά σε βιολογικά συστήματα για τη διερεύνηση της δομής και δράσης τους, τα γνωστά και ως probes. Βαρέα μέταλλα όπως ο υδράργυρος και ο λευκόχρυσος χρησιμοποιούνται στην κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ, για την εύρεση της δομής βιο-μακρομορίων. Σύμπλοκες ενώσεις των μετάλλων χρησιμοποιούνται πλέον ως διαγνωστικά και θεραπευτικά φάρμακα. Η σημασία ορισμένων ανόργανων στοιχείων στη διατροφή, η παρουσία μετάλλων στο περιβάλλον, η τοξικότητά τους και οι τρόποι απαλλαγής από αυτά, τόσο από τα ίδια τα συστήματα όσο και μετά από παρέμβαση καθώς και η μεταφορά και αποθήκευσή τους στους οργανισμούς είναι επίσης ένα μεγάλο κεφάλαιο της Βιοανόργανης Χημείας».

Οι πρωταγωνιστές της ζωής

Εχει μεγάλο ενδιαφέρον, με την ευκαιρία αυτή, να μάθουμε ποια είναι τα βασικότερα στοιχεία, από όλα όσα περιλαμβάνονται στον Περιοδικό Πίνακα και τη σχέση τους με τη ζωή μας. Οπως μάθαμε λοιπόν εκείνο το βράδυ που μιλούσαμε μόνο για τα στοιχεία, «έντεκα απαιτούνται για όλες τις μορφές ζωής: H, Na, Mg, K, Ca, C, N, O, P, S, Cl. Εξι από τα παραπάνω στοιχεία, τα C, H, N, O, P, S ή CHNOPS, είναι τα κύρια συστατικά των κυττάρων(πρωτεΐνες, νουκλεϊνικά οξέα, λιπίδια, μεμβράνες, πολυσακχαρίτες, μεταβολίτες κ.ά.) και γι’ αυτό ονομάζονται και «big six». Δεκατέσσερα επιπλέον στοιχεία θεωρούνται βασικά για τα περισσότερα βακτήρια, φυτά και ζώα: Β, F, Si, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Se, Mo, I. Ο κατάλογος αυτός δεν είναι οριστικός. Π.χ. τα Cr και B τείνουν να θεωρηθούν μη βασικά και το Si θεωρείται βασικό μόνο και μόνο διότι εμποδίζει την τοξικότητα του Al. Επτά επιπλέον στοιχεία χρησιμοποιούνται μόνο από ορισμένους οργανισμούς: Sr, Ba, W, Cd, Sn, As, B.

Τουλάχιστον 24 στοιχεία είναι απαραίτητα για τη ζωή των θηλαστικών: H, C, N, O, P, F, Na, Mg, K, Ca, S, Cl,F, Si, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Se, Mo και I. Η λίστα αυτή συνεχώς αναθεωρείται με την προσθήκη ή την αφαίρεση στοιχείων. Για παράδειγμα, τα Β και Cr δεν θεωρούνται πλέον βασικά, ενώ το Si θεωρείται βασικό μόνο και μόνο διότι καθιστά το Al μη τοξικό. Η βιοχημεία ορισμένων από αυτά δεν έχει πλήρως κατανοηθεί (π.χ. V, Ni και Sn). To Co έχει βρεθεί στους οργανισμούς μόνο σε μία ειδική ένωση στο συνένζυμο Β12. Το Se είναι βασικό ακόμα και αν οι ενώσεις του είναι πολύ τοξικές. Σύμπλοκα τόσο των βασικών όσο και των μη βασικών μετάλλων είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν ως θεραπευτικές ή διαγνωστικές ουσίες».

Καθέτως και… διαγωνίως

Ανάμεσα στα πράγματα που πρέπει να προσέξεις κάπως περισσότερο στον Πίνακα των Στοιχείων είναι για παράδειγμα ότι σε κάθετες στήλες, που ονομάζονται στη Χημεία Ομάδες, μπορεί να συναντήσεις στερεά, υγρά, αέρια και ενώ είναι τόσο διαφορετικά, η χημική συμπεριφορά τους να παρουσιάζει μεγάλες ομοιότητες. Οπως για παράδειγμα συμβαίνει με το Φθόριο και το Χλώριο που είναι αέρια, το Βρόμιο (υγρό) και το Ιώδιο και το Αστατο (στερεά). Επίσης υπάρχει η λεγόμενη «Διαγώνιος Συμπεριφορά», όπου ένα στοιχείο στον πίνακα μπορεί να παρουσιάζει περισσότερες ομοιότητες στη συμπεριφορά του με ένα άλλο στοιχείο τοποθετημένο διαγώνια στον Πίνακα από ό,τι με στοιχεία της ίδιας ομάδας. Για παράδειγμα, το Λίθιο με το Μαγνήσιο ή το Βόριο με το Πυρίτιο. Επίσης έχουμε τις ομοιότητες που παρουσιάζουν μερικά στοιχεία με το δέκατο σε απόσταση από αυτά, όπως είναι το Μαγνήσιο με τον Ψευδάργυρο. Ή οι ομοιότητες μεταξύ στοιχείων που ενώνονται στον πίνακα με μια κίνηση όπως αυτή του αλόγου στο σκάκι (!!!), π.χ. ο Ψευδάργυρος με τον Κασσίτερο.

Και αν ακόμη θεωρήσουμε πως όλα αυτά είναι εσωτερικές υποθέσεις των ειδικών, μελετώντας τα στοιχεία, υπάρχουν και πολύ ενδιαφέροντα πράγματα για τον καθένα, που όμως δεν μπορεί ίσως να φανταστεί αν δεν του τα πουν. Οπως, σύμφωνα με τον κ. Μεθενίτη, το ότι «τοξικές ενώσεις σε μικρές δόσεις επιδεικνύουν θεραπευτικές ιδιότητες, ενώ βασικά στοιχεία για τη ζωή μετατρέπονται σε τοξικά σε μεγάλες δόσεις. Οπως είναι γνωστό, ο καρκίνος κατατάσσεται στις πρώτες τρεις αιτίες θανάτου παγκοσμίως και δεν θεραπεύεται εύκολα. Επιπλέον είναι δύσκολο, αν όχι αδύνατο, να βρεθούν φάρμακα τα οποία συγχρόνως να είναι δραστικά έναντι της ασθένειας και να εμφανίζουν χαμηλή τοξικότητα. Σύμπλοκες ενώσεις διαφόρων μετάλλων χρησιμοποιούνται ή δοκιμάζονται ως θεραπευτικοί αντικαρκινικοί παράγοντες». Είναι ένα μόνο από τα παραδείγματα που έχει ο ερευνητής πρόχειρα όταν κάποιος τον ρωτήσει πώς πάει σήμερα η Χημεία. Κατά τη γνώμη του ο ορίζοντας έχει ανοίξει πολύ. Βιομηχανία, Ιατρική, Καταλύτες, Νανοτεχνολογία, Βιοϋλικά, παρουσιάζουν τεράστιο ερευνητικό ενδιαφέρον.

Ο Περιοδικός Πίνακας των στοιχείων είναι συνεπώς η επίπεδη απεικόνιση ενός πολυδιάστατου κόσμου και ένα αξιοπρόσεκτο επίτευγμα της ανθρώπινης υπομονής και επιμονής, που αξίζει να μάθουμε περισσότερα για τα «μυστικά του».

Τα στοιχεία στο Από την επόμενη Κυριακή με τίτλο «Στοιχειώδης Ζωή» αρχίζει η νέα σειρά που προσφέρει το ένθετο της εφημερίδας για την Επιστήμη. Σε μια ολόκληρη συλλεκτική σελίδα θα παρουσιάζεται κάθε φορά και ένα από τα στοιχεία που ανήκουν στους δομικούς λίθους του ορατού Σύμπαντος και βρίσκονται κωδικοποιημένοι στον Περιοδικό Πίνακα. Ο ρόλος του στοιχείου αυτού στη Φύση, στη ζωή των ανθρώπων, οι ιδιορρυθμίες του και οι πιο περίεργες απορίες γύρω από τη συμπεριφορά του.

Μια συνοπτική ανατομία
Α. Οι πρώτες δύο στήλες αριστερά περιλαμβάνουν μερικά γνωστά από την καθημερινή μας ζωή στοιχεία. Οι Χημικοί προβληματίστηκαν αρκετά με την τοποθέτηση του Υδρογόνου στη συγκεκριμένη θέση. Είναι το μόνο αέριο στις στήλες αυτές και τοποθετήθηκε εκεί επειδή στις ενώσεις που συμμετέχει χάνει ένα ηλεκτρόνιο και άρα εμφανίζεται σαν ένα, όπως το λέμε, θετικό ιόν ακριβώς όπως και τα άλλα στην ίδια στήλη. Π.χ. το γνωστό μας Νάτριο που όταν ενώνεται με το Χλώριο για να δώσει το απλό μαγειρικό αλάτι χάνει και εκείνο ένα ηλεκτρόνιο. Τα υπόλοιπα στοιχεία της πρώτης στήλης, πλην Υδρογόνου, ονομάζονται Αλκάλια και είναι ουσίες μαλακές, με αργυρόλευκο χρώμα, οξειδώνονται και είναι τόσο δραστικά που δεν βρίσκονται ελεύθερα στη Φύση. Πετώντας ένα κομμάτι καθαρού Νατρίου στη θάλασσα μπορείς να έχεις μια μικρή έκρηξη μπροστά στα μάτια σου και το Υδρογόνο που παράγεται να καεί επί τόπου με μια γαλάζια φλογίτσα. Η επόμενη στήλη περιλαμβάνει τις Αλκαλικές Γαίες, λίγο πιο σκληρές ουσίες με δύο ηλεκτρόνια στον εξωτερικό φλοιό, που δεν αντιδρούν τόσο βίαια όπως τα Αλκάλια.

Β. Τα Στοιχεία Μεταπτώσεως καταλαμβάνουν 10 στήλες και εκτείνονται από το Σκάνδιο, με Ατονικό Αριθμό 21, έως το στοιχείο με Ατομικό Αριθμό 112. Εκεί βρίσκουμε τα σκληρά, σταθερά, στερεά (πλην του Υδραργύρου) με πολύ χρήσιμες «διασυνδέσεις» στοιχεία. Μέταλλα με την κυριολεκτική σημασία της λέξης. Οι ενώσεις τους είναι και η χαρά του ζωγράφου αφού συνήθως πρόκειται για ουσίες με ζωηρά χρώματα. Διότι απορροφούν από το λευκό φως ορισμένα τμήματά του και η ενέργεια αυτή χρησιμοποιείται για μετάπτωση, δηλαδή για μετάβαση σε άλλη τροχιά, των ηλεκτρονίων τους.

Γ. Η επόμενη μεγάλη ομάδα που θα πρέπει να γνωρίζει ένας μυημένος στον Πίνακα των Στοιχείων είναι από τον Ατομικό Αριθμό 5 μέχρι τον Ατομικό Αριθμό 116. Και θα πρέπει ακόμη να γνωρίζει πως είναι χωρισμένη σε τρεις περιοχές. Μια τριγωνική προς την πλευρά των Στοιχείων Μεταπτώσεως, και εκεί διατηρείται ακόμη κάπως ο μεταλλικός χαρακτήρας των γειτόνων. Μια επίσης τριγωνική στην αντίθετη πλευρά με παντελή απουσία του μεταλλικού χαρακτήρα, και διαγώνια η σπουδαία ομάδα των ημιαγωγών.

Δ. Η προτελευταία στήλη περιλαμβάνει τα Αλογόνα, ουσίες πολύ δραστικές που όμως κυρίως τις δύο από αυτές, στο Φθόριο και στο Χλώριο, τις βρίσκουμε συνήθως και μέσα στο σπίτι μας, στην οδοντόκρεμα ή στο αλάτι της θάλασσας.

Ε. Στην τελευταία στήλη έχουν τοποθετηθεί τα Ευγενή Αέρια. Ουσίες που δεν δημιουργούν εύκολα ενώσεις με άλλα στοιχεία. Για παράδειγμα, το Νάτριο, που όπως αναφέρθηκε είναι πολύ δραστικό, μεταφέρεται σε δοχεία που περιέχουν το Ευγενές Αέριο Αργόν.

ΣΤ. Το «νησί» με δύο ενότητες στοιχείων που διακρίνεται στο κάτω μέρος του Πίνακα είναι μια ιδιορρυθμία του Συστήματος. Η μία ενότητα στοιχείων, που μοιάζουν υπερβολικά μεταξύ τους, είναι τα 14 στοιχεία με το γενικό όνομα Λανθανίδες και ένα βασικό χαρακτηριστικό το ότι ελαττώνεται το μέγεθος των ατόμων όσο αυξάνεται ο Ατομικός τους Αριθμός, δηλαδή τα πρωτόνια στον πυρήνα (λανθανιδική συστολή). Υπάρχουν πάνω από 100 ορυκτά που περιέχουν Λανθανίδες.

Η άλλη ομάδα, των Ακτινιδών, περιλαμβάνει ραδιενεργά στοιχεία με πιο διάσημο βέβαια το Ουράνιο.

* Τα ονόματα των στοιχείων που εμφανίζονται τα σύμβολά τους στο κείμενο είναι:

As: Αρσενικό

B: Βόριο

Ba: Βάριο

C: Ανθρακας

Ca: Ασβέστιο

Cd: Κάδμιο

Cl: Χλώριο

Co: Κοβάλτιο

Cr: Χρώμιο

Cu: Χαλκός