Wszystkie byty, małe i duże, mają swoje sposoby na równowagę. Słońce reguluje tempo reakcji jądrowych, komórka dostraja metabolizm do bieżących potrzeb. Ssaki utrzymują ulubioną ciepłotę ciała. A jak temperaturą potrafią sterować ekosystemy, to się już w głowie nie mieści!

Istnieć to wielka sprawa. A istnieć trwale to już naprawdę nie byle co. Nawet w przypadku takiego maleństwa jak jądro atomowe. 

Składa się ono z dwóch rodzajów cząstek: neutronów i protonów. Zlepiają je ze sobą siły jądrowe. Nie wszystkie jednak połączenia neutronów i protonów utworzą trwałe jądro. Większość kombinacji albo szybko się rozleci, albo wręcz nie będzie miała szans zaistnieć. Zresztą, po kolei.

Pojedynczy proton – cząstka o dodatnim ładunku elektrycznym – istnieje trwale i samodzielnie stanowi jądro wodoru. Ale pojedynczy neutron – pozbawiony ładunku elektrycznego – to efemeryda, która żyje, powiedzmy, około kwadransa, po czym się rozpada. Dwóch protonów nie sposób połączyć w duet, dwa neutrony też się siebie nie trzymają. Jedyna stabilna para to proton z neutronem. Wśród tercetów tylko dwa protony i neutron mają szansę wiernie sobie towarzyszyć. Trzy protony to absurd, trzy neutrony – kaprys wyobraźni, a dwa neutrony z jednym protonem wytrzymują jakieś 12 lat i cztery miesiące (statystycznie jest to czas połowicznego rozpadu).

Informacja

Z ostatniej chwili! To druga z Twoich pięciu treści dostępnych bezpłatnie w tym miesiącu. Słuchaj i czytaj bez ograniczeń – zapraszamy do prenumeraty cyfrowej!

Subskrybuj

Jeśli zaś chodzi o kwartety, to wyłącznie jeden jest trwały: dwa neutrony z dwoma protonami. Pozostałe cztery kombinacje nie dają się urzeczywistnić albo rozlatują się w mgnieniu oka. Jeśli będziemy dodawali kolejne neutrony i protony (czyli nukleony, jak się je łącznie nazywa), powstanie coraz więcej konfiguracji niemożliwych lub ulotnych. Pośród nich te stabilne i godne zaufania będą coraz rzadszymi wyjątkami.

Kiedy liczbę protonów przedstawimy na osi poziomej, a neutronów na pionowej, to cieniutka, ukośna, trochę zakrzywiona linia wyznaczy domenę istniejących połączeń. Tuż poniżej i powyżej tej krzywej będziemy mieli rejony promieniowania oraz rozpadu – miejsca, z których atom jak najszybciej chce powrócić na wąską, bezpieczną ścieżkę, do stanu równowagi. A jeszcze wyżej i jeszcze niżej nie ma już nic, tylko białe plamy niemożliwości oraz niebytu.

Siły i zakazy

Czemu tak rzadkie są trwałe kombinacje neutronów i protonów? Na początku trzeba zastrzec, że budowę jąder atomowych bardzo trudno się bada. Nie jest tak, że poznaliśmy niewzruszone zasady, z których łatwo dedukujemy wszystko, co się wśród nukleonów odbywa. Raczej wyniki badań empirycznych – czasem zaskakujące – próbujemy z wysiłkiem ująć w matematyczne formuły i ogólne prawa. Wiadomo, że to siły jądrowe działające pomiędzy nukleonami spajają jądro atomowe. Nie są czystym przyciąganiem: w najmniejszych możliwych dystansach działają zdecydowanie odpychająco. Każą więc nukleonom trzymać się blisko siebie, ale bez przesady. Do tego w jądrze funkcjonuje zakaz Pauliego, który – z grubsza rzecz biorąc – zabrania dwóm takim samym cząstkom znajdować się w jednakowym stanie kwantowym. Tą właśnie regułą można tłumaczyć nieistnienie jądra złożonego tylko z dwóch neutronów.

W jądrze między protonami, czyli cząstkami naładowanymi dodatnio, występuje też zwykłe odpychanie elektrostatyczne. Na najkrótszych dystansach jest ono jednak znacznie słabsze niż siły jądrowe. Dopiero przy nieco większych odległościach zaczyna się liczyć. To z tego powodu proporcja między neutronami i protonami inna jest w małych, a inna w większych atomach. Z kolei elektrony na bliższych i dalszych orbitach nie mają większego znaczenia dla stabilności jądra atomowego. Trochę jak w Układzie Słonecznym: swoje piękne, kolorowe planety Słońce ma generalnie w nosie. I jeszcze dodać trzeba, że jądro atomowe dąży do zachowania możliwie najniższej energii. Jeżeli z jakiejś przyczyny zostanie ona podwyższona, jądru ten stan zacznie doskwierać i niezbyt długo będzie znosiło go z pokorą. Pozbędzie się dokuczliwego nadmiaru, wypromieniowując jakąś cząstkę albo wręcz rozpadając się.

Aleją gwiazd

Ale przestańmy już nurkować w świecie subatomowym i zadrzyjmy głowy ku gwiazdom. Dla nieuzbrojonego oka są one dość podobne, dokładniejsze oględziny pokazują jednak, że różnią się między sobą, i to znacznie. Mogą mieć odmienne kolory: od czerwonego przez pomarańczowy, żółty i biały do niebieskiego; podobnie jak z rozgrzanym kawałkiem stali – im zimniejsza barwa, tym wyższa temperatura. Z kolei intensywność blasku gwiazdy jest związana z jej rozmiarem (oczywiście zawsze trzeba wziąć poprawkę na odleg­łość od obserwatora).

Teraz zestawmy te cechy ze sobą: na poziomej osi zaznaczmy barwę (temperaturę), na pionowej – wielkość. Zauważymy, że około 90% gwiazd tworzy na wykresie linię, dość grubą i nieregularną, lecz wyraźnie zarysowaną. Krzywa ta prowadzi od małych czerwonych gwiazd przez nieco większe pomarańczowe i żółte (np. Słońce) po jeszcze pokaźniejsze białe i wreszcie do niebieskich – przeogromnych i przejas­nych. Linię tę astronomowie nazywają ciągiem głównym. Z wykresu można też wyczytać, jak długo gwiazda będzie żyła. Te wielkie, rozgrzane do niebieskości mają największy zapas paliwa, ale trwonią je najszybciej: gigant o masie 20 Słońc wyczerpie się w ciągu 10 mln lat, co w skali kosmicznej jest mgnieniem oka. Po drugiej stronie spektrum są bardzo liczne we wszechświecie czerwone karły. Gospodarują one swoim niewielkim zasobem oszczędnie, dzięki czemu będą żarzyć się przez kilka bilionów lat.

Pomiędzy tymi skrajnościami mamy średnie gwiazdy, takie jak Słońce. I wszystkie one – od najmniejszych do największych – przez większość swojego istnienia utrzymują stałą temperaturę. Ani czerwony karzeł nie dojdzie do wniosku, że żyje się raz, więc należy płonąć szybko, ani błękitny olbrzym nie przestawi się nagle na slow life. Każda gwiazda konsekwentnie podąża swoją ścieżką i zachowuje się jak inne gwiazdy tej samej wielkości.

Energia z materii

Gwiazdy są więc stabilne, a mechanizmem, który się za tym kryje, jest równowaga hydrostatyczna. Żeby zrozumieć, co to właściwie takiego, zajrzyjmy na chwilę do solarnego brzucha (oczywiście nie osobiście, lecz za pomocą naukowej wyobraźni). W jądrze słonecznym jądra wodorowe (protony) łączą się w jądra helowe. Dzieje się to etapami: najpierw dwa protony wiążą się ze sobą, przy czym jeden z nich – aby para była trwała – musi zmienić się w neutron (emitując wówczas dwie maleńkie cząstki, pozyton i neutrino; nazywa się to rozpadem beta plus). Do tego stadła dołącza kolejny proton, mamy więc trójkę: neutron i dwa protony. Następnie dwie takie trójki łączą się ze sobą, a że gubią przy okazji dwa protony, zostaje czwórka: dwa protony i dwa neutrony, czyli jądro helu.

W tej reakcji najważniejsze dla nas jest to, że jądro helu jest o 0,7% lżejsze niż cztery protony, z których powstało. Uwolniona w ten sposób masa zostaje przetworzona w energię, zgodnie ze wzorem E = mc². Tę fuzję termojądrową, jak się ów proces nazywa, napędza potężna grawitacja we wnętrzu Słońca – bardzo zbliża ona do siebie protony, przezwyciężając odpychanie elektrostatyczne. Dzięki temu mogą zacząć działać opisane wyżej siły jądrowe.

Zachodząca w jądrze Słońca fuzja wytwarza ciśnienie, które jak gdyby rozsadza gwiazdę od środka. Jednocześnie jednak za sprawą grawitacji zewnętrzne warstwy napierają na jądro – z tą samą siłą. To jest właśnie równowaga hydrostatyczna. Wyobraźmy sobie teraz, że reakcje w jądrze spowalniają: wówczas ciśnienie wywierane na zewnętrzne powłoki będzie słabsze i nacisk grawitacji zacznie nad nim przeważać. Jądro się skurczy, cząstki zbliżą się do siebie, fuzja znów nabierze tempa. I odwrotnie. Jeśli reakcje by przyśpieszyły, to ciśnienie zaczęłoby przezwyciężać grawitację i jądro by się rozprężyło, co z kolei spowolniłoby fuzję. Zatem pomimo panującej w jądrze olbrzymiej temperatury (15 mln stopni) i ogromnego ciśnienia (250 mld atmosfer) oraz mimo niewyobrażalnej mocy (384 kwadryliony watów) wytwarzanej w toku dzikich, nieokiełznanych procesów przemieniających materię w energię – Słońce jest stabilne. Co prawda z wiekiem, w miarę jak w gwieździe przybywa helu, robi się coraz gorętsze, ale są to zmiany bardzo powolne – kilka procent w ciągu miliarda lat. W skali dziesiątek, setek, tysięcy lub milionów lat mamy tylko drobne fluktuacje.

Życie po życiu

Około 90% gwiazd obserwowanych na niebie należy do ciągu głównego. Co do pozostałych zaś są to byłe gwiazdy ciągu głównego, czyli takie, które po wypaleniu paliwa wodorowego straciły równowagę hydrodynamiczną i zmieniły swoją postać. W tej nowej formie, która zależy od pierwotnej wielkości gwiazdy, znajdują nową równowagę. Słońce na przykład za 5 mld lat wypali cały wodór w jądrze i zacznie przygasać. Grawitacja zyska przewagę nad ciśnieniem i jądro się zapadnie. Wtedy dojdzie do powtórnego zapłonu: gwiazda zacznie spalać hel. Zmieni się przy tym nie do poznania – stanie się 100 albo i 200 razy większa oraz 1000 razy jaśniejsza. Zostanie czerwonym olbrzymem i w tej postaci przetrwa około 700 mln lat.

Kiedy z kolei wyczerpie się w jądrze hel, Słońce wejdzie w kolejną niestabilną erę, w której będzie się rozniecać i przygasać na przemian. Podczas tych paroksyzmów oderwie się od niego mnóstwo materii, która utworzy dokoła mgławicę. Sama gwiazda zaś skurczy się i zostanie białym karłem, a więc już nie gwiazdą, tylko rozpaloną gwiezdną pozostałością. A po miliardzie kolejnych lat będzie czarnym karłem, czyli pozostałością zimną. Na razie jednak ma jeszcze zapas wodoru i spala go w stanie hydrostatycznej równowagi. Powinniśmy się z tego cieszyć, bo równowaga ta umożliwia trwanie ziemskiego życia.

Rumieniec i drżenie

Samo życie też potrafi zadbać o swoją równowagę – w procesie nazywanym homeostazą. Pojedyncza komórka jest przecież kropelką otoczoną przez błonę, czyli barierę wpuszczającą i wypuszczającą wybrane substancje. W ten sposób komórka może zachować mniej więcej stałe środowisko w swoim wnętrzu, nawet jeśli otoczenie się zmienia. (Może także ekspediować na zewnątrz substancje, które będą wpływały na środowisko zewnętrzne albo których chce się pozbyć).

Homeostaza nie jest zjawiskiem tak spektakularnym jak równowaga hydrody­namiczna gwiazdy, ale za to bardzo wyrafinowanym. Komórka, podobnie jak Słońce, zachowuje odpowiednią intensywność swojego metabolizmu, lecz musi być bardziej elastyczna i na bieżąco dopasowywać szybkość przemian do aktualnej sytua­cji. Reakcje chemiczne są przyśpieszane przez enzymy, których działanie wyciszają lub potęgują wyspecjalizowane cząsteczki: inhibitory i aktywatory. Produkt reakcji uruchamianej przez jeden enzym aktywuje kolejny i tak raz za razem. Cały proces może wreszcie zatoczyć koło. Znaczy to, że owoc ostatniej reakcji działa jako inhibitor pierwszego enzymu w kolejce albo też kilku następnych. Czyli dostatek produktu automatycznie powstrzymuje produkcję.

Tak właśnie się dzieje w przypadku wytwarzania przez komórkę ATP – uniwersalnego nośnika energii. Produkowany jest on z innej cząsteczki, ADP. Końcowy efekt tych komórkowych znojów, a więc właśnie ATP, blokuje w kilku miejscach maszynerię go wytwarzającą, dzięki czemu unika się nadprodukcji. Jest to ważne choćby dlatego, że niezużyte ATP rozkłada się (zatem energia włożona w jego syntezę by się zmarnowała). Jednak to nie koniec, bo w wyniku rzeczonego rozkładu powstaje związek ADP, który nie tylko jest surowcem procesu, lecz także aktywatorem dla kilku enzymów zaangażowanych w cały ten kołowrót. Mamy więc proces, który w dużym stopniu sam się reguluje – hamuje i pobudza się, kiedy trzeba.

Na podobnych sprzężeniach zwrotnych opierają się większe systemy homeostatyczne, np. termoregulacja organizmu u ptaków i ssaków. Do podwzgórza móz­gu zwierzęcia trafiają impulsy z wrażliwych na temperaturę neuronów sięgających aksonami do skóry i organów wewnętrznych. Kiedy napływa informacja o zimnie, automatycznie uruchamiane są odpowiednie reakcje: włączenie produkcji ciepła przez tłuszcz brunatny (u ludzi ta wspaniała tkanka występuje głównie tuż po narodzinach, z czasem niestety niemal zanika), wprawienie w dygot mięśni, obkurczanie naczyń krwionośnych. Z kolei kiedy robi się gorąco, naczynia krwio­nośne są rozszerzane (dlatego nabieramy rumieńców), a organizm zaczyna odparowy­wać wodę (ludzie się pocą, psy dyszą, gryzonie zaś pokrywają śliną swoje piękne futerka). Efekty tych wszystkich zabiegów są oczywiście znowu rejestrowane przez prowadzące do podwzgórza mózgu drogi nerwowe, więc temperatura ciała dynamicznie oscyluje w pewnym zakresie, który może się zresztą zmieniać, np. podczas snu czy choroby.

To jednak tylko fizjologiczna, odruchowa część procesu, a zarówno zbyt wysoka, jak i za niska temperatura (przede wszystkim skóry) uruchamia też celowe zachowania. Najprostszą reakcją jest po prostu zmiana miejsca na cieplejsze lub chłodniejsze. Bardziej złożoną odpowiedzią, uwzględniającą możliwe przyszłe wahania temperatury, jest budowa gniazda, nory bądź innego schronienia, które pozwala stworzyć zwierzęciu własne mikrośrodowisko. Ludzkie poczynania, np. szycie i noszenie odzieży albo konstruowanie domów oraz elektrociepłowni, także są przedłużeniem tych zachowań, przynajmniej w pewnym stopniu.

Siarka unosi się nad wodami

To wszystko wypada jednak blado w porównaniu z tym, jak organizmy morskie regulują temperaturę za pomocą związków siarki. Nie można powiedzieć, że­byśmy gruntownie poznali tę kwestię, ale to, co udało się ustalić dotychczas, jest intrygujące. Otóż w powietrzu nad oceanami powszechnie występuje prosty związek chemiczny: siarczek dimetylu, czyli DMS. To ta substancja, która nadaje morzu – zwłaszcza przy brzegu – charakterystyczny słodkawy zapach.

Wyżej w atmosferze DMS rozpada się na jony siarczanowe, które biorą udział w tworzeniu się zalążków chmur. Niżej zaś – w morskiej topieli – DMS powstaje z innego związku siarki, nieco bardziej złożonego, w skrócie zwanego DMSP. Ta ostatnia substancja wydzielana jest do wody przez glony o wdzięcznej nazwie kokolitofory. Ponieważ kokolitofory są glonami, mnożą się tym intensywniej, im więcej promieni słonecznych dociera do oceanu. A im lepiej prosperują w wodzie, tym więcej wydzielają DMSP, co sprawia, że ostatecznie powstaje więcej chmur. One z kolei blokują Słońce, więc populacja kokolitoforów rzednie – i tak w kółko. Działa to trochę jak gigantyczny termostat.

Jak to jednak w przyrodzie zazwyczaj bywa, sprawy są bardziej skomplikowane, niż podejrzewamy. Bo produkować DMSP potrafią nie tylko kokolitofory, lecz także niektóre bakterie cudzożywne. Co więcej, DMS powstaje z DMSP również dzięki mikroorganizmom: bakteriom, grzybom i planktonowi roślinnemu. A żeby jeszcze bardziej wszystko skomplikować, to cały system nie jest wyłącznie lokalny: wiatr gna chmury nad lądy, tam siarka spada wraz z deszczem i częściowo zostaje wykorzystana przez organizmy lądowe jako składnik wielu aminokwasów i białek. Jest też wymywana z powrotem do mórz i gdyby nie kokolitofory oraz inne morskie istoty, organizmom lądowym szybko by jej zabrakło. No i wreszcie: chmury powstałe na siarczanowym zaczynie ochładzają ocean bezpośrednio pod sobą, jak również całą Ziemię (w jakim stopniu – to wciąż jest przedmiotem dyskusji).

Gdyby tego jeszcze było mało, wszystkie gatunki uczestniczące w tym korowodzie zupełnie nie mają na celu ochrony Ziemi przed przegrzaniem, bo każdy używa siarki w swoich celach. Organizmy morskie na przykład – jak twierdził James Lovelock – wykorzystują ją do ochrony przed solą obecną w wodzie. I nie muszą się jakoś specjalnie dogadywać, żeby wspólnie regulować temperaturę, ponieważ od początku życie ziemskie ewoluowało jako całość. Można też ująć tę sprawę trochę inaczej: obieg siarki jest zarówno regulowaniem temperatury, jak i dogadywaniem się w jego sprawie. Bo w przyrodzie jedność teorii oraz praktyki to norma.

Jednak nie ma co udawać, że gmach ten się nie chwieje: lokalne, ale też globalne procesy termoregulacji planety są coraz bardziej zaburzone – nie tylko dlatego, że rośnie średnia temperatura, lecz także z powodu zwiększającego się zakwaszenia oceanów, które wpływa na życie morskich mikroorganizmów. Odpowiadają za to ludzie. Może się to wydawać o tyle paradoksalne, że przecież homo sapiens (i wszelka jego aktywność) jest częścią przyrody. Cóż, zapewne nasza zachłanność oraz chęć nieograniczonej ekspansji wywodzą się z natury, ale inteligencja, elastyczność, współczucie i zdolność do samoograniczenia również. Kto wie, może to też jest jakiś mechanizm zachowania równowagi?