Анья Рёйне - Химия человека. Как железо помогает нам дышать, калий – видеть, и другие секреты периодической таблицы

Протоны, нейтроны и электроны образовались в раскаленной мешанине энергии и массы, которую представляла из себя юная Вселенная. Протоны и нейтроны склеились и стали ядрами атомов таких химических элементов, как водород, гелий и литий. У этих наиболее мелких и легких элементов в ядрах соответственно один, два и три протона. Сегодня водород – важнейший кирпичик для воды и тех органических молекул, из которых состоят живые существа. Ваши тела примерно на 10 % состоят из водорода – таким образом, род мы ведем прямо от рождения Вселенной.

Через 16 секунд после полуночи Вселенная более или менее остыла: электроны прикрепились к атомным ядрам и связь не распадалась в то же мгновение. А значит, и свет впервые стал свободно перемещаться по Вселенной и ему не препятствовали раскаленные электроны. Вот так почти сразу после полуночи во Вселенной появился видимый свет, хоть и смотреть на него было некому.

В течение следующих 12 часов распределенная по Вселенной масса продолжила образовывать сгустки. Из атомов образовались огромные облака, и еще до трех часов утра скопления этих облаков превратились в первые галактики. Одна из них станет Млечным Путем, домом человечества. Сегодня Млечный Путь – одна из более чем двух триллионов галактик Вселенной.

В шесть часов утра некоторые облака атомов так увеличились в размерах, что под их собственным весом произошел коллапс – они сжались в объеме и уплотнились. Так появились первые звезды [4] Первые звезды и галактики: R. B. Larson and V. Bromm, «The First Stars in the Universe», Scientific American 285, no. 6 (2001): 64–71. . В одной из них – значительно более крупном по сравнению с нашим Солнцем сгустке материи – оказались атомы водорода: они превратятся в кислород, который вы только что вдохнули.

Вес окружающих атомов с огромной силой притянул друг к другу атомы водорода. Из-за этого от ядер оторвались первые электроны. Затем давление стало столь мощным, что ядра водорода слились в одно целое, образовав атомы гелия. Из-за слияния выделилось огромное количество энергии, нагревшее скопление атомов. Так оно стало светящейся звездой. Сегодня на Солнце протекает тот же самый процесс. Когда вы смотрите в окно, вам в глаза попадает свет, идущий от атомных ядер, сливающихся в недрах Солнца.

Постепенно большинство ядер водорода превратились в гелий, и количество высвобождаемой в недрах звезды энергии сократилось. У центра звезды не было силы сопротивляться давлению окружающей материи. Произошел коллапс. Так начался новый этап жизни звезды. Из-за коллапса атомы гелия оказались так близко друг к другу, что вновь стали сливаться. Три ядра гелия (по два протона в каждом) стали одним ядром углерода с шестью протонами. Затем ядро углерода соединилось с еще одним ядром гелия – образовалось ядро с восемью протонами. Это кислород, чей атом вместе с ядром в данный момент движется к вашему мозгу в красном кровяном тельце [5] Как образуется кислород: B. S. Meyer et al., «Nucleosynthesis and Chemical Evolution of Oxygen», Reviews in Mineralogy and Geochemistry 68, no. 1 (2008): 31–35. .

Внутри звезды продолжился процесс слияния атомных ядер – образовывались все более и более тяжелые элементы. Ваши тела на 86 % состоит из углерода, азота и кислорода, появившихся на данном этапе. На Земле для образования подобных химических элементов слишком низкое давление – можно с уверенностью утверждать, что эти кирпичики нашего тела родом со звезд. Все мы – звездные существа. Кроме того, на этом этапе появились железо для нашей крови, фосфор для скелета и ДНК, алюминий для мобильных телефонов и компоненты соли, которой вы посыпаете еду (она состоит из натрия и хлора).

Через пару минут нашей истории длиной в неделю жизнь звезды оборвется столь зрелищным взрывом, что он получит название «сверхновая звезда». Во время взрыва образовались еще более тяжелые, чем железо, элементы, среди прочего – никель, медь и цинк. Электрические провода в вашем доме изготовлены из материалов родом со сверхновой.

То, что осталось после взрыва и не разбросало по Вселенной, притянулось друг к другу и схлопнулось: превратилось в нейтронную звезду. В ней все атомные ядра слились в огромный сгусток размером с крупный город (с диаметром примерно 10 километров), фактически став огромным атомным ядром, хотя химическим элементом мы его не называем. В нашей собственной Галактике существует около миллиарда нейтронных звезд, но, так как по сравнению с другими звездами они мелкие и холодные, увидеть их не так просто.

Когда я размышляю о том, сколько во Вселенной места и насколько малы нейтронные звезды, произошедшее далее кажется мне почти невероятным. Тем не менее нам известно, что, по всей видимости, случилось. В первые дни существования Вселенной нейтронные звезды иногда сталкивались. При столкновении образовывались золото, серебро, платина, уран и целый ряд других элементов, настолько тяжелых, что образуются они лишь в подобного рода экстремальных условиях. Новые элементы разбросало по Вселенной – они смешались с облаками пыли и атомов.

Так в первый из семи дней возникли химические элементы. Во Вселенной они образуются и по сей день. Звезды все время рождаются и умирают, взрываются и сталкиваются. Но на Земле атомные ядра вполне стабильны. На нашей планете химические элементы возникают и разрушаются лишь во время радиоактивных процессов, когда делятся нестабильные ядра урана и других тяжелых химических элементов. Протекающие внутри звезд процессы почти невозможно воссоздать даже в научных лабораториях. Комбинируя химические элементы, мы создаем материалы – тут наши возможности практически безграничны; но, если говорить о самих химических элементах, нам остается довольствоваться тем, что есть.

Следующие три дня Вселенная шла по тому же пути. Звезды рождались – звезды умирали. От сверхновых по Вселенной расходились ударные волны и облака материи. Так как внутри звезд водород и гелий, сливаясь, образовывали новые химические элементы, общее количество азота и гелия во Вселенной сокращалось, а количество тяжелых элементов росло.

В пятницу, в четыре часа дня, неподалеку от нас умерла звезда. Ударная волна от сверхновой сжала пыль и газ, содержавшиеся в облаке, – там же был и кислород, который вы только что вдохнули. Запустилась цепная реакция: сгустки материи стали настолько тяжелыми, что притянули к себе пыль и газ, находившиеся поблизости от них, а чем больше и тяжелее они становились, тем больше собирали из окружавшего их пространства. Без пятнадцати пять облако стало звездой, вокруг которой вращалось несколько планет. Эта звезда – Солнце, центр Солнечной системы [6] Происхождение Солнечной системы, ударная волна от сверхновой: P. Banerjee et al., «Evidence from Stable Isotopes and 10Be for Solar System Formation Triggered by Low-Mass Supernova», Nature Communications 7 (2016): 13639. .