Światło w brzuchu giganta, czyli o fosforze na Enceladusie

W dawnych czasach Ziemię zamieszkiwali giganci. Pochodzili od bogów, ale w przeciwieństwie do nich byli śmiertelni. Wyglądali dość diabolicznie, byli kudłaci, a zamiast nóg mieli węże. Jednym z nich był Enkelados. W czasie gigantomachii, wielkiej bitwy gigantów z bogami o władanie kosmosem, Enkelados walczył z wielką Ateną. Zabity w walce został rzucony na Ziemię i pogrzebany. I tu źródła podają różne miejsca – Sycylia albo Etna. Tak czy inaczej pod wulkanem.

Fontanna Enkeladosa (fragment), park w Wersalu (Paryż), źródło: Wikimedia, licencja: GNU FDL 1.2

Nic więc dziwnego, że jeden ze stu kilkudziesięciu naturalnych satelitów planety Saturn (jego greckim odpowiednikiem jest Kronos, z którego krwi zrodził się wspomniany gigant), zyskał nazwę Enceladus. Jeśli weźmiemy pod uwagę rozmiary, nie należy on do gigantów, jest szósty pod względem wielkości spośród księżyców Saturna, ma średnicę ok. 500 km. Enceladus to księżyc lodowy. Jego powierzchnia jest usiana kraterami, występują tam też gejzery. Zjawisko to jest znane pod nazwą kriowulkanizmu. Widać, że duch pogrzebanego pod którymś z wulkanów Enkeladosa ujawnia swoją prawdziwą naturę.

Gejzery na Enceladusie, źródło: Wikimedia, licencja: CC BY-SA 2.0

Na temat Enceladusa wiemy stosunkowo dużo, a to dzięki badaniom sondy Cassini-Huygens. Wystrzelona w 1997 roku miała za zadanie eksplorację Saturna, jego pierścieni oraz satelitów. Wyniki naukowe misji były wprost rewelacyjne. Sonda Cassini odkryła w pobliżu południowego bieguna Enceladusa gejzery, z których uwalniały się duże ilości materii. Uczeni analizujący wyniki badań uznali, że jest to potwierdzenie hipotezy mówiącej o tym, że pod lodową powierzchnią tego księżyca znajduje się duży ocean zawierający spore ilości ciekłej słonej wody. W wyrzucanych przez gejzery strugach odkryto gazowy wodór, który może powstawać tam w wyniku aktywności hydrotermalnej. Metody spektrometryczne pozwoliły także na odkrycie węglowodorów oraz dwutlenku węgla. Uznano, że obecność całego szeregu związków, zarówno nieorganicznych, jak też organicznych, może być oznaką istnienia pod lodową pokrywą jakichś prostych form życia. Jak dotąd wykryto jony sodu i potasu, węglany i wodorowęglany. Odczyn roztworu jest lekko alkaliczny. W czerwcu br. w czasopiśmie Nature wielonarodowy zespół autorów opublikował bardzo ciekawy artykuł dotyczący wyników badań wykonanych przez analizator pyłu kosmicznego (Cosmic Dust Analyzer, CDA). Urządzenie to jest tak naprawdę zaawansowanym spektrometrem mas. Uzyskane rezultaty zaskoczyły naukowców. Widma mas pokazały, że ocean Enceladusa jest naprawdę solidnie zasolony, a wśród obecnych tam związków znaleziono, o dziwo, fosforany (głównie sodu). Nie znaleziono natomiast związków fosforu(III), co nie dziwi, ponieważ nie są one trwałe w roztworach alkalicznych.

Zważywszy na to, że już jakiś czas temu znaleziono tam związki azotu, można powiedzieć, że odkrycie fosforu dopełniło zestaw pierwiastków ważnych dla życia. Mamy tam bowiem węgiel, wodór, tlen, azot i fosfor. Warte podkreślenia jest to, że rozpuszczalne związki fosforu zostały po raz pierwszy wykryte w oceanie pozaziemskim. Przypomnę tylko, że fosfor wchodzi w skład bardzo ważnych związków spotykanych w organizmach żywych. Pisałem o tym jakiś czas temu. ATP, DNA, RNA, fosfolipidy… wszystkie one zawierają atomy fosforu.

Podsumujmy: mamy tam „zupkę” złożoną z wielu soli, a do tego takie związki organiczne jak proste aminy (dwumetylo- lub dwuetyloamina) oraz związki karbonylowe (kwas i aldehyd octowy). Prawdopodobnie występują tam też proste związki aromatyczne typu aniliny czy kwasu benzoesowego. Zestaw znajdowanych tam związków organicznych jest zadziwiająco zbliżony do tego, który można wykryć w znajdujących się na Ziemi kominach hydrotermalnych. Zjawiska na Ziemi są w sumie wynikiem ogrzewania skorupy ziemskiej m.in. przez rozpad pierwiastków promieniotwórczych. W przypadku Enceladusa brak takiego źródła energii. Przypuszcza się, że tam źródłem ciepła są tzw. siły pływowe. Właśnie stąd mamy na powierzchni tego księżyca tzw. tygrysie paski, ale też ciepło utrzymujące podlodowy ocean w stanie płynnym.

Działalność hydrotermalna na Enceladusie (wizja artystyczna), źródło: NASA-JPL,
licencja: domena publiczna

Z wyników tych analiz nie można w żadnym wypadku wyciągać wniosków co do istnienia jakichkolwiek pozaziemskich form życia, nawet prymitywnego, na Enceladusie.

Co dalej? NASA pracuje już nad projektem badań tego księżyca. Został on umieszczony na liście tzw. programu Flagship, który zaczął się jeszcze w latach 70. XX w., od projektu Voyager. Misja nr 9 na tej liście, wstępnie nazwana Enceladus Orbilander, jest planowana na koniec lat 30., przy czym próbnik miałby rozpocząć badania gejzerów na początku lat 50., a po półtorarocznym orbitowaniu planowane jest lądowanie na powierzchni.

Jednak od tego dzieli nas co najmniej 20 lat. Może do tego czasu Marcin Czerwiński napisze coś o krwi Enkeladosa (w końcu zrodził się z krwi Kronosa), a Piotr Gąsiorowski umieści gigantów w jakimś drzewie filogenetycznym. A tytułowe światło nawiązuje oczywiście do etymologii słowa “fosfor”, o którym pisałem tutaj.

Literatura dodatkowa

Cosmic Dust Analyzer

Związki organiczne na Enceladusie

Przegląd związków odkrytych na Enceladusie

Jak grawitacja ogrzewa wnętrze tego księżyca

Czy na Enceladusie jest życie?

Fosfor – ciekawy, ważny, niebezpieczny

Wszystkie barwy fosforu

Fosfor, który w swojej pracowni uzyskał Hennig Brand, był najmniej trwałą odmianą białą (tak naprawdę jest on lekko żółtawy). Jest to jedna z odmian alotropowych tego pierwiastka. Cóż to takiego ta alotropia? Pisałem o tym w tekście o guzikach żołnierzy Napoleona. W skrócie: alotropia to zjawisko występowania w danym stanie skupienia jakiegoś pierwiastka w różnych odmianach różniących się właściwościami fizycznymi i częściowo chemicznymi. Klasycznym przykładem alotropii jest diament i grafit – dwie odmiany węgla. W przypadku fosforu tych odmian jest znacznie więcej. Jeśli fosfor biały będzie się prażyć bez dostępu tlenu, ale w obecności niewielkiej ilości jodu, przejdzie w fosfor czerwony, znacznie trwalszy. W przeciwieństwie do fosforu białego nie jest toksyczny. Gdy z kolei fosfor czerwony będzie się ogrzewać w wysokiej temperaturze w próżni, otrzymamy odmianę fioletową. Ostatnią odmianą jest fosfor czarny, który można otrzymać z białego, ogrzewając go pod ciśnieniem 12 tys. atm. Jest to jedyna odmiana wykazująca pod wysokim ciśnieniem właściwości metaliczne, pozostałe są niemetalami. Poza fosforem białym, który jest bardziej toksyczny niż cyjanek, pozostałe odmiany nie są trujące.

Alotropowe odmiany fosforu: biały, czerwony (granulki), czerwony (kawałek), fioletowy

Źródło: Wikipedia, licencja: CC BY-SA 3.0

Pierwiastek życia

Fosfor jest jednym z pięciu najważniejszych pierwiastków, które uznaje się za niezbędne do życia ziemskiego. Pozostałe to oczywiście węgiel, wodór, tlen i azot. W organizmie człowieka jest go 700-750 g. Większość (ok. 80%) wchodzi w skład związków nieorganicznych tworzących kości oraz zęby (hydroksyapatyt). Pozostałe sto kilkadziesiąt gramów fosforu jest rozmieszczone praktycznie we wszystkich komórkach ciała. Grupa fosforanowa jest elementem spinającym nukleozydy w łańcuch nukleotydowy – w ten sposób powstają cząsteczki DNA i RNA. Z kolei w cząsteczkach ATP (adenozynotrójfosforanu) jest gromadzona energia zużywana potem w procesach metabolicznych w komórce. Jako ciekawostkę można dodać, że ATP nie gromadzi się w komórkach – jest syntetyzowany i zużywany na bieżąco. W ciągu doby organizm człowieka tworzy (i rozkłada) mniej więcej tyle ATP, ile on sam waży. A skoro już mowa o komórce, to jest ona otoczona błoną komórkową, której bardzo istotnym elementem są fosfolipidy. Są one strukturalnie zbliżone do tłuszczów, a w swojej strukturze mają grupę ortofosforanową(V), taką samą, jaka występuje w DNA, RNA i ATP. Z kolei w komórkach nerwowych mamy też fosfolipid – lecytynę, która stanowi ochronę mechaniczną, ale jest też izolatorem elektrycznym, dzięki czemu impulsy nerwowe mogą być przewodzone bez problemu.

Struktura przestrzenna ATP. Czarny – C, niebieski – N, żółty – P, czerwony – O, biały – H

Źródło: Wikipedia, licencja: domena publiczna

Dwie twarze fosforu

Jak widać, wszystkie organizmy żywe potrzebują związków fosforu. Zauważył to m.in. niemiecki chemik, Justus Liebig. Podsypując roślinom źródła tego pierwiastka, którymi w tamtym czasie były mączka kostna oraz ptasie guano, stwierdził, że rośliny zdecydowanie szybciej się rozwijają. Dziś najczęściej stosuje się nawozy, które zawierają trzy ważne składniki – azot, fosfor i potas (znany nawóz: azofoska). Ale fosfor spotykamy niemal wszędzie – od proszków do prania przez mięso i wędliny aż do serów topionych i coli. To jedna, pożyteczna twarz tego pierwiastka.

Niestety, jest też druga, znacznie bardziej ponura. Pociski zapalające zawierające biały fosfor były stosowane już w czasie II wojny światowej, potem w czasie wojny wietnamskiej oraz w Czeczenii, a ostatnio wojska rosyjskie używały go w trakcie wojny w Ukrainie. Ale to niestety nie wszystko. Już ponad 100 lat temu koncerny chemiczne zaczęły syntetyzować niesamowicie toksyczne związki fosforoorganiczne. Działają one bardzo silnie na układ nerwowy człowieka, dlatego zalicza się je do broni masowego rażenia o działaniu paralityczno-drgawkowym. Zapewne słyszeliście takie nazwy jak sarin, soman czy tabun. To właśnie najstarsze znane bojowe środki trujące zawierające fosfor. Niestety, ich otrzymywanie jest względnie proste, dlatego też interesują się nimi także terroryści. W 1995 roku w tokijskim metrze po ataku sarinem zginęło 12 osób, a ponad 5 tys. było hospitalizowanych. Do tej samej grupy zaliczane są nowiczoki – opracowane w Związku Radzieckim związki o działaniu jeszcze silniejszym niż sarin.

Nastolatek ze strefy Gazy leczony po oparzeniach białym fosforem

Źródło: Wikipedia, licencja: CC BY-SA 2.0

Czy jest życie na Wenus?

Trzy lata temu świat obiegła sensacyjna informacja – naukowcy znaleźli ślady życia na Wenus. Tak naprawdę było to jednak coś podobnego do starego dowcipu o tym, jak to na Placu Czerwonym w Moskwie rozdają samochody. Poszukiwanie życia w kosmosie jest bardzo żmudne. Nie polega na grzebaniu w pyle czy też bieganiu z lupą, aby odkryć jakieś bakterie, rośliny czy zwierzęta. Poszukuje się tzw. biosygnatur, czyli informacji o związkach, które są ściśle związane z organizmami żywymi. Jednym z takich związków jest fosfina (PH3), analog amoniaku. Na Ziemi jest ona produktem ubocznym metabolizmu fosforanów przebiegającego w komórkach bakterii beztlenowych. Wenusjańskie życie zniknęło równie szybko, jak się pojawiło. Okazało się bowiem, że sygnały spektroskopowe, które według odkrywców miały pochodzić od fosfiny, tak naprawdę należą do dwutlenku siarki (SO2) i nie są żadną sensacją, bo tego związku jest na Wenus pod dostatkiem. Wydaje się więc, że na odkrycie życia pozaziemskiego będzie trzeba jeszcze poczekać.

Fosfina (fosforowodór) – PH3cząsteczka, która namieszała na Wenus

Źródło: Wikipedia, licencja: domena publiczna

Pomyłki komitetu nagrody Nobla

Portret Alfreda Nobla

licencja: domena publiczna

Od ponad 120 lat nagroda Nobla jest uznawana za wyznacznik klasy uczonych. Otrzymało ją wielu fizyków, chemików, lekarzy i fizjologów, których prace były kamieniami milowymi na drodze ku poznaniu rzeczywistości. Ale Komitetowi Noblowskiemu zdarzały się też zwyczajne wpadki. Wielu wybitnych uczonych nie dostało nagrody, choć zasłużyli. Warto też kilka słów poświęcić przypadkom odwrotnym – gdy medal został przyznany za coś, co powinno raczej pokrywać się kurzem w archiwum.

Bez złotego medalu

Wydaje się, że najdobitniejszym przykładem wybitnego uczonego, który niewątpliwie powinien otrzymać nagrodę, jest rosyjski chemik Dymitr Mendelejew. Jego układ okresowy można znaleźć w każdym laboratorium, uczą o nim praktycznie w każdej szkole na świecie, sam twórca jednak nie dostał nagrody. Podejrzewa się, że stał za tym jeden z ważnych ludzi w komitecie – wybitny szwedzki fizykochemik Svante Arrhenius. Historycy twierdzą, że nie mógł on wybaczyć Mendelejewowi krytyki Arrheniusowskiej teorii dysocjacji, dlatego też, mimo iż rosyjski uczony był kilkakrotnie nominowany, nagrody nie otrzymał.

Chemicy powszechnie posługują się teorią kwasów i zasad Lewisa. Ten sam uczony wniósł wielki wkład w wiele dziedzin chemii – opracował koncepcję wiązania kowalencyjnego, zasugerował istnienie wolnych rodników, jako pierwszy otrzymał czystą próbkę ciężkiej wody (tlenku deuteru). To on także był autorem słowa „foton” na określenie kwantu energii promienistej.
Do nagrody był nominowany aż 35 razy (to chyba absolutny rekord), ale jej nie otrzymał. Tutaj też chodziło o pewne animozje osobiste. Gilbert N. Lewis po zrobieniu doktoratu na Harvardzie przeniósł się do Europy, gdzie pracował najpierw w Lipsku z Ostwaldem, a następnie w Getyndze z Walterem Nernstem. Nie wiadomo dokładnie, co sprawiło, że Lewis i Nernst zostali wrogami na całe życie. Lewis uwielbiał ujawniać błędy naukowe Nernsta, umieszczał je nawet jako przykłady w swoich publikacjach. A tak się składa, że przyjaciel Nernsta, Walter Palmaer, był w tamtym czasie sekretarzem Komitetu Noblowskiego. To właśnie on zadbał o to, aby nominacje Lewisa były konsekwentnie odrzucane. No i jeden z wielkich fizykochemików nagrody nie dostał. Otrzymali ją natomiast uczniowie Lewisa, Harold Urey i Glenn T. Seaborg, choć niewielkie to pocieszenie.

Kolejną pomnikową postacią, która winna być uhonorowana, był Henry Eyring. Każdy student przedmiotów ścisłych uczy się o teorii kompleksu aktywnego sformułowanej przez Eyringa. Uczony wniósł wielki wkład w prace podstawowe dotyczące przebiegu elementarnych reakcji chemicznych – wiele jego idei jest nadal bardzo istotnych i stosowanych w nauce. Prowadził też badania dotyczące katalizy, aktywności optycznej oraz teorii wartościowości.
Dlaczego w takim razie nie dostał Nobla? Historycy nauki uważają, że tym razem nie chodziło o osobiste animozje. Eyring prawdopodobnie nie otrzymał nagrody z powodu swoich przekonań religijnych. Był on bowiem bardzo zaangażowanym wyznawcą Kościoła Jezusa Chrystusa Świętych w Dniach Ostatnich, znanego powszechnie pod nazwą kościoła mormonów, co było nie do przyjęcia w Szwecji, kraju protestanckim.

Kolejnym bardzo kontrowersyjnym przypadkiem było nieprzyznanie nagrody Lisie Meitner – fizyczce z Niemiec, która po dojściu Hitlera do władzy została zmuszona do ucieczki z kraju w 1938 roku. To ona właśnie, pracując tak naprawdę tylko korespondencyjnie, prawidłowo zinterpretowała wyniki doświadczenia Ottona Hahna i Fritza Strassmanna, którzy pod koniec 1938 roku dokonali rozszczepienia atomu uranu, co dało początek fizyce jądrowej, elektrowniom atomowym, jak też bombie jądrowej. Hahn i Strassmann zostali nagrodzeni Noblem w 1945 roku.

Tu warto też wspomnieć o odkrywczyni pulsarów, pani Jocelyn Bell Burnell. Została pominięta przez komitet nagród Nobla, który za to ważne astrofizyczne odkrycie postanowił nagrodzić jej szefa, Antony’ego Heewisha, oraz innego astrofizyka, Martina Ryle’a. A o samej Jocelyn możecie przeczytać tutaj.

Czasem nagroda była na wyrost

W początkowych latach XX wieku Komitet Noblowski realizował precyzyjnie testament fundatora. Stanowił on bowiem, że nagroda winna być przyznana za wynalazek lub odkrycie, które zostało dokonane w ciągu poprzedzającego roku.

Taki zapis spowodował na przykład to, że w roku 1912 w dziedzinie fizyki nagrodzono szwedzkiego wynalazcę Gustafa Dalena (ktoś z was o nim słyszał?), podczas gdy nie uznano za stosowne przyznać Nobla wynalazcy, który ze wszech miar na nią zasłużył – Thomasowi Alva Edisonowi. Dla przypomnienia młodszym czytelnikom: posiadaczowi ponad tysiąca patentów, wynalazcy m.in. żarówki, fonografu (dawniejszy gramofon) oraz budowniczemu pierwszej elektrowni publicznego użytku.
Nagroda dla Dalena była tylko dość dziwną pomyłką, która nie niosła za sobą dalszych negatywnych efektów. Niestety, w wielu przypadkach decyzja Komitetu bywała nawet nie kontrowersyjna, ale wręcz tragiczna w skutkach.

Tak było w przypadku portugalskiego psychiatry i neurochirurga, Egasa Moniza, zdobywcy nagrody Nobla w 1949 roku. Był on propagatorem jednej z najbardziej kontrowersyjnych technik stosowanych w chirurgii mózgu – leukotomii, zwanej też lobotomią przedczołową. Opisywał on tę technikę jako „prostą, zawsze bezpieczną i efektywną w pewnych przypadkach schorzeń psychicznych”. Ci, którzy oglądali wstrząsający film „Lot nad kukułczym gniazdem”, pamiętają zapewne, jak ten zabieg zadziałał na głównego bohatera – McMurphy’ego. Nieudanej lobotomii poddana została m.in. Rosemary Kennedy, siostra prezydenta USA. Interesujący może być fakt, że Komitet Noblowski nie cofnął decyzji o przyznaniu tego kontrowersyjnego wyróżnienia, pomimo oficjalnego protestu grupy pacjentów, którzy zostali poddani tej okrutnej procedurze medycznej.

Innym przypadkiem tego typu było przyznanie w 1917 roku Nobla austriackiemu lekarzowi, Juliusowi Wagner-Jaureggowi. Badacz ten wpadł na bardzo dziwaczny pomysł leczenia jednej choroby inną. Chorych na końcowe stadium kiły zarażał malarią, co powodowało gorączkę malaryczną, która tak naprawdę nie leczyła kiły, lecz tylko łagodziła pewne objawy tej choroby. Na całe szczęście w latach 40. ubiegłego wieku okazało się, że kiłę można doskonale leczyć penicyliną, co spowodowało zakończenie ryzykownych eksperymentów dr. Jauregga.

Była też nagroda, która budzi bardzo mieszane uczucia, przynajmniej u mnie. Chodzi o tę, którą dostał w 1918 roku Fritz Haber. Owszem, jego osiągnięcie, a mianowicie opracowanie procesu syntezy amoniaku z azotu i wodoru było rewolucyjne i pozwoliło na masową produkcję tanich nawozów, ale… no właśnie. W czasie I wojny światowej inicjował badania nad bronią chemiczną, osobiście nadzorując jej testy na froncie. Miał także spory udział w opracowaniu niesławnego Cyklonu B, stosowanego później m.in. w komorach gazowych Auschwitz.

Zapewne jeszcze niejeden raz werdykty noblowskie będą przedmiotem namiętnych dyskusji. Miejmy jednak nadzieję, że opisane tutaj błędy nigdy się już nie powtórzą.

(c) by Mirosław Dworniczak. Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem. Linkować oczywiście można.