“Siamo polvere di stelle” 1/4 – corpo umano e ambiente terrestre

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Elementi e chimica – il “continuo ciclo degli elementi tra le sfere terrestri: litosfera, atmosfera, idrosfera, biosfera”

Estratti dal libro “Living with the stars“, scritto dall’astrofisico Karel Schrijver, del Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory, e la moglie Iris Schrijver, docente di patologia alla Stanford University.

“La nostra massa corporea cambia giorno per giorno e si mescola con ciò che la circonda. Il nostro corpo è sempre in evoluzione. Le nostre cellule muoiono e vengono sostituite da quelle nuove a un ritmo incalzante…

Ci ricostruiamo continuamente utilizzando elementi catturati dal nostro ambiente, e siamo quindi collegati ad animali e piante intorno a noi, e ai batteri dentro di noi… (ulteriore motivo per avere più rispetto per la Natura che ci ospita)

L’intero corpo si ricostruisce continuamente, quando il cibo e l’acqua che vengono portati al suo interno si trasformano in energia e “materiale da costruzione”…

Ma soprattutto siamo intimamente legati alla fornace nucleare del Sole e al vento solare, alle collisioni con asteroidi e ai cicli della nascita delle stelle, e anche al Big Bang; infatti il corpo umano è inseparabile dalla natura intorno a noi e si intreccia con la storia dell’Universo.

“Siamo polvere di stelle”

È una frase che probabilmente già conosci o hai sentito, e sommariamente magari avrai anche capito di cosa si tratta. In questa serie di post approfondisco proprio questo significato, che porta ad analizzare il fantastico mondo delle stelle partendo però dal corpo umano e dalla Terra.

Alla fine di ogni post trovi sempre la serie completa dei capitoli cliccabili!

Per poter infatti comprendere da dove provengono gli elementi di cui siamo composti, bisogna capire come funziona il ciclo vitale di un astro:
– da dove nasce
– come e quanto a lungo vive
– e infine in che modo muore
Questa affascinante parte la racconto nell’ultimo capitolo, ma prima serve procedere per passi.

Per poter affrontare l’argomento con chiarezza e senza lacune, sarà necessario infatti fare anche una breve pausa di rinfresco di chimica di base …

… so già cosa potresti pensare, ad esempio “Oddio chimica o fisica nooooo”! NO, non temere, niente di troppo tecnico o astruso; lo scopo di blog come il mio è infatti quello di rendere il più possibile semplice e fruibile ciò che invece per sua natura è complesso e richiede studio approfondito.

NotaBene: come sempre dico, considera che lungo la serie potrebbero esserci piccole imprecisioni o incongruenze nei dati percentuali degli elementi nelle varie tabelle, nelle posizioni, nell’appartenenza o meno alla categoria “essenziale”; non sono un tecnico ma ho cercato il più possibile di verificare i dati e le fonti e presentare quantomeno il dato medio attendibile.

Quali sono gli elementi che compongono il corpo umano?

Mi interessano qui gli elementi di cui siamo composti, ma per identificarli ho la possibilità di confrontarli con gli elementi di cui è composto il nostro meraviglioso pianeta, la Terra.

Considera le 4 sfere che interagiscono nel “sistema Terra”:

• la Litosfera = le rocce solide dello strato esterno della Terra
• l’Atmosfera = l’aria
• l’Idrosfera = gli oceani, i mari, i laghi e i fiumi, i ghiacciai
• la Biosfera = l’insieme degli organismi viventi

Queste 4 sfere sono costituite da elementi chimici in differenti combinazioni e proporzioni, ma le differenze principali dipendono dalla diversa struttura chimica.

A livello delle superfici di contatto tra queste sfere (cioè tra la terra e l’acqua, tra l’acqua e l’aria, tra la terra e l’aria, e infine tra gli esseri viventi e aria, acqua e terra) avvengono particolari fenomeni.

Questi fenomeni riguardano appunto il cambiamento delle strutture chimiche, in genere a causa di reazioni chimiche, che spostano gli elementi attraverso le diverse sfere.

A questo proposito faccio subito notare una cosa importante: noi viviamo immersi nelle Reazioni Chimiche, e a tutti gli effetti, senza però saperlo …

… “noi SIAMO Chimica”

Siamo perfetti strumenti che trasformano (tramite la chimica) il cibo, l’acqua e l’aria in:
– energia cinetica
– energia termica
– energia per la crescita biologica, fisica e intellettuale

La “macchina” umana fa tutto questo internamente in autonomia, automaticamente, in modo invisibile, senza che noi siamo consapevoli di tutti i processi che avvengono, tranne ovviamente quando il corpo si ammala e ha bisogno di cure.

Esiste un “continuo ciclo degli elementi tra le sfere” che garantisce l’esistenza delle sfere stesse, specialmente dell’atmosfera (l’aria), dell’idrosfera (l’acqua) e soprattutto della biosfera (esseri viventi).

7 punti fondamentali

1) litosfera, atmosfera, idrosfera e biosfera sono formate dagli stessi elementi chimici …

… ma questi sono combinati in modi differenti e organizzati in strutture chimiche diverse.

Inoltre qualche differenza c’è: benché alcuni degli elementi della litosfera e del corpo umano siano gli stessi, il nostro organismo contiene elementi che sono rari nella litosfera e viceversa.

Ad esempio Carbonio, Idrogeno e Azoto sono presenti in modo importante nel corpo umano mentre nella crosta Carbonio e Idrogeno sono assenti e l’Azoto è solo in tracce; al contrario la crosta ha una percentuale importante in Silicio e Alluminio, elementi in tracce minime nel corpo umano.

Qui sotto e nella tabella un’idea del peso degli elementi principali, in percentuale e in kg, confrontati con la crosta terrestre.
Per un uomo di 70 kg:
– 12,6 kg sono di Carbonio
– 7 kg di Idrogeno
– 2,1 kg di Azoto
– 0,7 kg di Fosforo
Al contrario in 70 kg di crosta terrestre mediamente ci sono:
– 12,6 grammi di Carbonio
– 106 grammi di Idrogeno
– 1,3 grammi di Azoto
– 78,4 grammi di Fosforo

Gli elementi più abbondanti sulla crosta terrestre (in neretto i costituenti fondamentali):

• ossigeno
• silicio
• alluminio
• idrogeno
• sodio
• ferro
• magnesio
• calcio
• zolfo
• potassio
• titanio

Elementi nel corpo umano (in neretto i costituenti fondamentali):

• idrogeno
• ossigeno
• carbonio
• azoto
• calcio
• fosforo
• zolfo
• sodio
• potassio
• cloro
• magnesio
• ferro
• zinco
• rame
• stagno
• manganese
• iodio
• molibdeno
• cobalto
• vanadio

Gli esseri viventi, uomo compreso, sono formati da composti del Carbonio:

• proteine
• zuccheri
• grassi
• acidi nucleici

2) esiste un continuo CIRCOLO e RICICLO degli elementi attraverso le sfere

Accade a causa delle reazioni chimiche che modificano le strutture chimiche, e questo è essenziale per l’esistenza delle sfere stesse (specialmente per la biosfera, ma anche per l’atmosfera e l’idrosfera)

Ma come avviene questo circolo e riciclo?

I minerali (elementi) si trovano in natura nel terreno. Le formazioni rocciose sono costituite di sali minerali. Quando l’erosione sgretola le rocce e le pietre in minuscoli frammenti nel corso di milioni di anni, la polvere e la sabbia si accumulano formando le basi del suolo.

Oltre a questi minuscoli cristalli di sali minerali, il suolo brulica di microbi che li utilizzano (ne sanno qualcosa tutte le serie di Csi in tv, la cosiddetta “Scientifica”). I minerali quindi passano dal suolo alle piante, che vengono mangiate dagli animali erbivori, a loro volta mangiati da quelli carnivori. L’uomo, a sua volta, ricava questi minerali – che vengono utilizzati dal suo organismo – dalle piante e dagli animali erbivori e carnivori di cui si ciba.

Sostanze abiotiche

Di particolare rilievo ed interesse anche per la esobiologia sono le cosiddette “sostanze abiotiche“, fattori che, pur non facendo parte del mondo vivente, ne consentono lo sviluppo. Gli elementi abiotici maggiormente coinvolti nel riciclo dei materiali provenienti da altri esseri viventi sono:
– carbonio
– azoto
– fosforo
componenti chimici essenziali per la componente biotica di qualsiasi ecosistema. Un ecosistema è caratterizzato da “fattori abiotici” e da “fattori biotici” e dai rapporti che si instaurano tra essi.

Dal punto di vista nutrizionale, i minerali si dividono in due gruppi:
macro-minerali (minerali fondamentali) e micro-minerali (minerali traccia ed ultra-traccia o gamma). Li presenterò meglio negli episodi 3/5_A e 3/5_B.

3) le reazioni chimiche spostano elementi ATTRAVERSO le varie sfere (vedi post 2/5)

Questo punto, come diceva una pubblicità in tv, “è questione di chimica”. Abbiamo tutti un laboratorio personale a disposizione: il corpo che indossiamo.

L’autore invita a guardarsi allo specchio, considerando con curiosità scientifica il nostro corpo nella sua unicità; le mani, il viso, gli occhi, ma anche gli organi interni come punto di vista privilegiato sull’Universo e le leggi che lo regolano.

È così che il corpo umano può diventare osservatorio e laboratorio per esplorare gli aspetti più suggestivi di Cosmologia, Fisica Quantistica, Chimica e Biologia.

Ludwig Feuerbach, il celebre filosofo tedesco, affermava che “Siamo ciò che mangiamo”. “Prima di essere animali o piante, una parte dei nostri atomi era nell’aria; se andiamo abbastanza indietro nel tempo, potremmo scoprire che alcuni di essi appartenevano ad altri esseri umani e che il nostro corpo oggi contiene atomi di regine, nobili guerrieri e giullari di corte…”

“L’Universo dentro di noi. Il corpo umano: una guida turistica alla scoperta del cosmo” di Brian Clegg

4) La materia non viene né creata, né distrutta, ma SI CONSERVA

SCUOLA, 1^ riflessione

• in questa prospettiva molto elastica ed allargata, a proposito della conservazione della materia, considerate ragazzi che gli atomi presenti sulla punta del vostro naso potrebbero essere stati in precedenza quelli di un dito del piede di un dinosauro!

5) Il corpo umano (biosfera) è composto dagli STESSI elementi chimici delle altre 3 sfere

Gli stessi elementi che costituiscono il nostro corpo, formano la Terra, sebbene gli elementi siano in proporzioni differenti. Allora il corpo umano a quale sfera assomiglia maggiormente?
A nessuna delle tre, poiché è una loro combinazione.

SCUOLA, 2^ e 3^ riflessione

• spesso dai ragazzi non viene infatti percepito che il corpo umano è fatto dello stesso materiale che costituisce il resto del mondo biologico

• alcuni studenti non comprendono nemmeno che sono formati di elementi …

… e si immaginano costituiti da un materiale differente da qualsiasi altra cosa al mondo!

6) alcuni elementi principali formano il corpo umano

Il 99% della massa corporea è costituita da 6 elementi:

• Ossigeno
• Carbonio
• Idrogeno
• Azoto
• Calcio
• Fosforo

7) L’uomo è una “ENTITA’ DINAMICA fatta di materia e di energia”

La sua salute è strettamente legata all’armonia delle sostanze e dei minerali, in forma di sali e di ioni, che compongono questa entità.

Dal punto di vista nutrizionale, come le vitamine e l’acqua, i minerali (gli elementi) non apportano energia, ma sono fondamentali sia a livello strutturale sia per la regolazione dei liquidi e del metabolismo.
Le principali funzioni dei minerali sono:

• formazione delle ossa e dei denti
• regolazione dell’equilibrio idrosalino
• attivazione enzimatica e metabolica

I minerali si trovano nell’organismo umano in 2 stati fisici:

1. solido (scheletro e denti)
2. in soluzione (liquidi intra- ed extra-cellulari)

Importante distinzione da fare subito, visto che ci si può facilmente confondere.

Riguardo agli elementi costituenti principali, quei famosi quattro:
– Idrogeno H
– Ossigeno O
– Carbonio C
– Azoto N

si dice spesso che “siamo fatti di Ossigeno al 65% e Idrogeno al 10%”, perché per la maggior parte siamo fatti di acqua, tuttavia attenzione:

– PESO nel corpo

Queste percentuali si riferiscono al PESO nel corpo, di tali elementi. Nel grafico sottostante, in verde l’Ossigeno, in blu l’Idrogeno, mentre la prima colonna rappresenta la quantità d’acqua generale in corpo.

– NUMERO DI ATOMI nel corpo

Quando andiamo a verificare una percentuale diversa, quella del numero di ATOMI nel corpo, le cose cambiano:
– la 1^ posizione in quanto a numero di atomi spetta all’Idrogeno con il 63%
– in 2^ posizione si sposta l’Ossigeno con 25,5%

Del resto chimicamente la molecola dell’acqua, la famosa H₂O ci dice in effetti che essa contiene 2 atomi di H e 1 di O, quindi per forza di cose il numero di atomi dell’H è più grande.

Ricorda bene la differenza tra le 2 differenti prospettive.

Distingui bene tra i 2 approcci quindi, non si tratta di un errore. Di conseguenza anche i vari elementi che considero vanno pensati nella giusta ottica.

Uno è l’aspetto nutrizionale, dove si parla del cosiddetto
“fabbisogno” = quanta percentuale di quell’elemento serve al giorno al nostro organismo per funzionare bene (non rientra nei temi di questo blog).

• Macro-elementi
  fabbisogno > di 100 mg/die

• Micro-elementi o elementi Traccia
  fabbisogno tra 1 mg e 99 mg

• Oligo-elementi o elementi Ultra-traccia>
  fabbisogno molto piccolo, si parla di micro-grammi

Ecco una tabella che riporta confrontati il fabbisogno giornaliero (pro die), seconda colonna, e la quantità totale di elementi nel corpo umano, ultima colonna. Nell’ordine Ferro, Zinco, Rame, Manganese, Molibdeno, Cromo, Cobalto, Selenio, Alluminio, Vanadio, Stagno, Nikel, Iodio, Fluoro, Calcio, Fosforo, Sodio, Potassio, Cloro, Magnesio, Zolfo.

L’altro è l’aspetto chimico-atomico, cioé la quantità di atomi presente nel nostro corpo.

Prendo a prestito l’esempio fatto da mia moglie Tiziana (sempre molto efficiente con le visualizzazioni esemplificative), che chiarisce bene questo punto dell’aspetto atomico e di quello nutrizionale:

Aspetto atomico

È la casa, che per essere costruita ha bisogno di costituenti fondamentali, mattoni, cemento, legno, piastrelle, vetro, isolante termico, tubature, sanitari, impianto elettrico, di riscaldamento, termosifoni e così via

Aspetto nutrizionale

È invece ciò che serve a farla vivere, quindi le forniture fondamentali acqua, gas, energia elettrica, ma anche il servizio di pulizie, la manutenzione interna ed esterna, ordinaria e straordinaria, il rifornimento alimentare.

Sono 2 aspetti separati, che convivono. Il nostro corpo è stato creato grazie a degli elementi, e quella è la struttura invariabile, ma quelli che poi lo tengono in vita sono come l’acqua, il gas e l’elettricità, che fanno ‘funzionare’ la casa, la sua impiantistica.

Un numero pazzesco ed affascinante: gli atomi nel tuo corpo!

In conclusione, tieni presente che il numero di atomi presenti nel tuo corpo equivale, milione più o milione meno, ad un 7 seguito da ben 27 zeri !!!!
– 7 x 10 elevato alla 27
– 7 seguito da 3 serie da 9 zeri (gli zeri che appartengono al miliardo)
cioè 7 miliardi di miliardi di miliardi di atomi.
Se proprio ci tieni a vederlo scritto per intero ti accontento:
7.000.000.000.000.000.000.000.000.000

Per capire la differenza tra il peso in grammi e il numero di atomi, salutandoci, rifletti su quest’altro esempio:
considera che in un corpo che pesa 70 kg ci sono appena 3-5 mg di:
– Cromo Cr
– Cobalto Co
– Molibdeno Mo
quindi un peso davvero molto piccolo ed apparentemente insignificante!

Eppure, a dispetto di ciò, per ciascuno di questi 3 elementi lo stesso corpo può disporre di ben 10 alla 19^ atomi (10 con 19 zeri)!
In 4 milligrammi di Cromo il corpo dispone di 100.000.000.000.000.000.000, cioè 100 miliardi di miliardi di atomi.

Ogni cellula quindi è fornita di 100.000 atomi di ciascun elemento, e di tutti questi atomi SOLO UNO è sufficiente e necessario per attivare la molecola di un fermento.

Questo è solo l’inizio, come ti ho detto nel prossimo episodio espongo in dettaglio gli elementi che compongono il corpo umano, e nel doppio post successivo una breve ma utile parentesi sulle funzionalità e i ruoli di tali elementi nella nostra salute. Ci saranno quindi due doppi capitoli propedeutici riservati alle conoscenze di base dell’atomo e della Tavola Periodica degli Elementi, passi fondamentali per arrivare all’ultimo affascinante multi-capitolo riguardante l’Evoluzione Stellare, diviso in 5 parti perché c’è davvero tanto materiale spettacolare da conoscere (e io ho cercato di riassumere i punti principali, perché sennò altro che 5 capitoli…). Sono sicuro che ti piacerà, come ha appassionato me.
Allora a presto, non mancare!

Link agli altri articoli della serie:
– “Siamo polvere di stelle” 1/4 – corpo umano e ambiente terrestre
(Elementi e chimica: il “continuo ciclo degli elementi tra le sfere terrestri, litosfera, atmosfera, idrosfera, biosfera”)
– “Siamo polvere di stelle” 2/5 – gli elementi nel corpo umano
(4 costitutenti, 7 macro e 39 micro e oligo elementi, di cui 19 essenziali)
– “Siamo polvere di stelle” 3/5_A – l’armonia di sostanze e minerali
(ruoli fisiologici, caratteristiche, funzioni e tossicità delle “vitamine inorganiche” essenziali; “uno per uno i 50”, tutti gli essenziali)
– “Siamo polvere di stelle” 3/5_B – l’armonia di sostanze e minerali
(ruoli fisiologici, caratteristiche, funzioni e tossicità delle “vitamine inorganiche” essenziali; “uno per uno i 50”, i non essenziali ed “elenco dei materiali di Bio-edilizia”)
– “Siamo polvere di stelle” 4/5-ABC dell’Atomo
(breve ripasso di chimica e fisica propedeutico all’evoluzione stellare: atomi, ioni, isotopi, livelli energetici, Quanti e molecole)
– “Siamo polvere di stelle” 4/5-Atomo, approfondimenti
(5 affascinanti approfondimenti sull’atomo: è vuoto? com’è la sua vita? le 4 interazioni fondamentali? si può fotografare? orbite o orbitali?)
– “Siamo polvere di stelle” 4/5 – Tavola Periodica degli Elementi
(ultimo passo propedeutico all’Evoluzione Stellare; non può mancare un breve ripasso della Tavola scientifica più famosa)
– “Siamo polvere di stelle” 4/5 – Tavola Periodica, integrazioni
(non devi assolutamente perderti la PTE del “corpo umano” e il “Chemical Party”, oltre alle Tavole dinamiche e alternative)
– “Siamo polvere di stelle” 5/5_1ob – Evoluzione stellare: origini e nascita
(1ob – dalla nascita all’età adulta: si accende o non si accende questa stella? Primo scoglio delle 0,08 masse solari!)
– “Siamo polvere di stelle” 5/5_2mss – Evoluzione stellare: Sequenza e Sole
(2mss – Sequenza e Sole: l’età adulta nella Sequenza Principale e il destino di stelle come il Sole e più piccole, secondo scoglio delle 4 masse solari!)
– “Siamo polvere di stelle” 5/5_3dt – Evoluzione stellare: morte e trasformazione
(3dt – Morte e Trasformazione: le stelle molto più massicce del Sole hanno “le ore sempre più contate”, cosmicamente parlando, e quando esplodono lasciano un testimone davvero eccezionale! Terzo scoglio delle 8 masse solari)
– “Siamo polvere di stelle” 5/5_4tcd – Evoluzione stellare: danze turbolente catastrofiche
(4tcd: Turbulence Catastrophic Dances: sconfinati spazi “vuoti” e poi zone infernali dinamiche caotiche apocalittiche. Sistemi binari e multipli di tutti i tipi immaginabili ti stupiranno in questa lunga carrellata)

Link utili:
– “Living with the stars“, scritto dall’astrofisico Karel Schrijver e la moglie Iris docente di patologia
– “L’Universo dentro di noi. Il corpo umano: una guida turistica alla scoperta del cosmo” di Brian Clegg
– astrofotografia di Tommaso Rubechi
– “Todos los sistemas del cuerpo humano“, di Gabriel Giner, rappresentazioni di apparati e sistemi del corpo umano
– macroelementi e microelementi, Benessere 360

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