Η χημική σύσταση του ανθρώπου

ben-sweet-2LowviVHZ-E-unsplash

Οι άνθρωποι θεωρούμε τους εαυτούς μας αρκετά πολύπλοκα όντα. Και αδιαμφισβήτητα αποτελούμαστε από πάρα πολλές οργανικές ενώσεις, ενώ ο οργανισμός μας επιτελεί χιλιάδες πολύπλοκες λειτουργίες κάθε δευτερόλεπτο! Και αν σου έλεγα ότι στην πραγματικότητα είμαστε πολύ απλοί; Ότι αποτελούμαστε από τέσσερα μόνο κυρίως χημικά στοιχεία;! 

Πιστεύω πως θα με πίστευες, γνωρίζοντας πως το 65% του οργανισμού μας είναι απλό νερό! 

 Αυτό είμαστε λοιπόν; Μεγάλοι άσχημοι σάκοι γεμάτοι νερό; Σύμφωνα με μια ξηρή κρυσταλλική μορφή ζωής στο επεισόδιο «Home soil» της σειράς Star Trek, είμαστε αυτό ακριβώς!! Αν και ομολογουμένως αυτό είναι μια εύστοχη προσβολή προς το είδος μας, ίσως θα έπρεπε να το ψάξουμε λίγο βαθύτερα.  

Αν θέλαμε να φτιάξουμε έναν άνθρωπο με απλά υλικά, τι θα χρειαζόμασταν άραγε; Ποια είναι η συνταγή; 

  • Νερό φυσικά (65%) 
  • Άνθρακας: το βασικό στοιχείο της ζωής (18%) 
  • Άζωτο: Καλό θα ήταν να βάλουμε μερικές πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα στον άνθρωπο μας (3%) 
  • Ασβέστιο: θα χρειαστούμε έναν γερό σκελετό (1,5%) 
  • Φωσφόρο: για τον σχηματισμό μορίων ΑΤΡ. Τα κύτταρα θα χρειαστούν ενέργεια (1%) 
  • Κάλιο: χρειαζόμαστε καλούς ηλεκτρολύτες για τα ηλεκτρικά σήματα στους νευρώνες (0,25%) 
  • Θείο: πρέπει να δώσουμε σχήμα στις πρωτεΐνες μας (0,25%) 
  • Νάτριο: ρύθμιση ποσότητας νερού στο σώμα (0,15%) 
  • Χλώριο: για τη διατήρηση ισορροπίας των υγρών (0,15%)  

Για ένα καλύτερο αποτέλεσμα θα μπορούσαμε να προσθέσουμε σε μικροποσότητες: 

  • Μαγνήσιο: Σημαντικό για περισσότερες από 300 μεταβολικές πορείες (0.05%)  
  • Σίδηρος: Για την αιμογλοβίνη, τον μεταφορέα οξυγόνου στα ερυθρά αιμοσφαίρια (0.006%)  
  • Φθόριο: για πιο υγιή δόντια (0.0037%)  
  • Ψευδάργυρος: για ρύθμιση των γονιδίων (0.0032%)  
  • Χαλκός: χωρίς αυτόν ο σίδηρος δεν θα λειτουργούσε καλά στο σώμα (0.0001%) 
  • Ιώδιο: απαιτείται για τις ορμόνες του θυροειδή οι οποίες ρυθμίζουν τον μεταβολικό ρυθμό και άλλες λειτουργίες των κυττάρων (0.000016%)  
  • Σελήνιο: συμπεριλαμβάνεται σε πολλά αντιοξειδωτικά του οργανισμού  (0.000019%) 
  • Χρώμιο: για τη ρύθμιση των επιπέδων σακχάρου καθώς αλληλοεπιδρά με την ινσουλίνη (0.0000024%) 
  • Μαγγάνιο: για την καλύτερη λειτουργία των μιτοχονδρίων (0.000017%)  
  • Μολυβδαίνιο: Μετατρέπει το θείο σε χρήσιμη μορφή (0.000013%)  
  • Κοβάλτιο: για τη βιταμίνη Β12 που είναι σημαντική για το σχηματισμό πρωτεϊνών και ρύθμιση του DNA (0.0000021%)  

Και ωραία, συγκεντρώσαμε τα υλικά. Και τώρα; 

Τα ανακατεύουμε όλα μαζί, ψήνουμε στους 350 βαθμούς Κελσίου για 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια και…  Μπουμ! Το μόνο που παίρνουμε είναι μια μεγάλη έκρηξη ίσως ακριβώς τη στιγμή που ανακατεύουμε τα υλικά! Καμία μορφή ζωής!  

 Απ’ ότι φαίνεται δεν είναι εύκολο να φτιάξουμε έναν άνθρωπο! Ένας άνθρωπος αποτελείται από εκατομμύρια χημικές ουσίες οι οποίες αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους. Αυτός είναι και ο λόγος που μπορείς και σκέφτεσαι και διαβάζεις το άρθρο αυτή τη στιγμή. Δεν μπορούμε να σε φτιάξουμε λοιπόν!  

Όμως, αν σε βάζαμε σε ένα μοριακό μπλέντερ και σε διαλύαμε σε όλα τα χημικά σου συστατικά, θα μπορούσαμε να βρούμε τον μοριακό σου τύπο! Ο οποίος θα έμοιαζε κάπως έτσι: 

 Βασικά, όχι ακριβώς έτσι! Βλέπεις αυτός είναι ο μοριακός τύπου ενός ανθρώπου αμέσως μετά τη γέννηση. Όσο μεγαλώνουμε οι αναλογίες των στοιχείων αλλάζουν ελαφρώς. Αρχικά, μειώνεται η περιεκτικότητα μας σε νερό. Σιγά σιγά, αρχίζουμε να εντοπίζουμε στον οργανισμό μας και άλλα στοιχεία όπως βαρέα μέταλλα τα οποία προέρχονται κυρίως από τις τροφές που τρώμε. Στην πραγματικότητα, όσο μεγαλώνουμε θα μπορούσαμε να βρούμε στον οργανισμό μας και μικροποσότητες χρυσού!  

Μοριακό μπλέντερ;(!)

 Τι είναι αυτό; 

Μπορείς όντως έτσι να αναλύσεις έναν άνθρωπο;

 Η αλήθεια είναι πως όχι! 

To ενδιαφέρον του ανθρώπου για να μάθει από τι αποτελείται ξεκινάει ήδη από την εποχή του Πλάτωνα, όταν οι άνθρωποι πίστευαν πως τα πάντα στο σύμπαν αποτελούνταν από τέσσερα βασικά στοιχεία, γη, νερό, φωτιά και αέρας. Φυσικά οι ίδιοι δεν αποτελούσαν εξαίρεση.  

Σήμερα, προφανώς, γνωρίζουμε πως αυτό δεν ισχύει. Υπάρχουν 99 φυσικά και 19 τεχνητά χημικά στοιχεία. Πώς βρήκαμε όμως από ποια αποτελούμαστε εμείς; Το 1850 ο Justus Von Liebig ανακάλυψε ότι στον οργανισμό μας περιέχονται πολλές ουσίες που περιέχονται και στις τροφές που τρώμε, κυρίως Na και Κ. Οι μέθοδοι όμως που χρησιμοποίησε δεν ήταν ιδιαίτερα ακριβείς. Οι περισσότερες μελέτες σε ανθρώπινα έμβρυα και παιδιά πραγματοποιήθηκαν τη δεκαετία του 1900 ενώ απευθείας χημική ανάλυση σε ενήλικες δεν πραγματοποιήθηκε μέχρι και το 1970. 

Η ανάλυση της χημικής σύστασης του ανθρώπου αποδείχθηκε πολύ δύσκολη, καθώς η ανάλυση έπρεπε να γίνει σε πολλά επίπεδα όπως στο δέρμα, στα όργανα, στους ιστούς, στον σκελετό, στο εσωτερικό των κυττάρων. Ακόμα, υπήρχαν διαφορές μεταξύ της σύστασης του κάθε ανθρώπου που έχουν σχέση με την ηλικία του, το φύλο του, την περιοχή που ζει, τις τροφές που καταναλώνει, χρόνιες ασθένειες που μπορεί να έχει, ακόμα και από την φυσική του κατάσταση.  

Τα μοντέλα που έχουν χρησιμοποιηθεί και χρησιμοποιούνται ακόμα και σήμερα για τον προσδιορισμό της χημικής σύστασης του ανθρώπου συνοψίζονται ως εξής: 

  • Μετρήσεις πυκνότητας σώματος και όγκου

 Η μέθοδος αυτή στηρίζεται στην υποβρύχια ζύγιση του ατόμου και σκοπός είναι η μέτρηση του ποσοστού λίπους σε όλο τον οργανισμό. Η μέθοδος απαιτεί το άτομο να είναι εντελώς βυθισμένο στο νερό. Ο όγκος του νερού που μετατοπίζεται και το βάρος του υποκειμένου, σε συνδυασμό με το εργαστηριακό βάρος του υποκειμένου, χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της πυκνότητας (D) ολόκληρου του σώματος. Όμως, η μέθοδος αυτή εμφάνιζε πολλούς περιορισμούς και είχε μεγάλο σφάλμα για αυτό και εγκαταλείφθηκε. Εξάλλου το να σε βυθίζουν σε μια τεράστια δεξαμενή νερού για να μετρήσουν το ποσοστό του λίπους στον οργανισμό σου δεν θα ήταν και κάτι ιδιαίτερα ευχάριστο. Ωστόσο, λόγω της πρώιμης ανάπτυξής και της ευρείας χρήσης της, η μέτρηση της πυκνότητας του σώματος (Db) συχνά αναφέρεται ως χρυσό πρότυπο για μετρήσεις σωματικής σύνθεσης. 

  • Μέθοδοι αραίωσης 

Χρησιμοποιήθηκαν για τη μέτρηση του συνολικού νερού του σώματος καθώς και της ποσότητας νερού μέσα και έξω από τα κύτταρα. Η μέθοδος αυτή βασίζεται σε ιχνηθετημένο νερό με τρίτιο ή δευτέριο και συλλογή δειγμάτων από σωματικά υγρά όπως αίμα, ούρα ή σάλιο. Ο όγκος του νερού προσδιορίζεται ως ο λόγος της συγκέντρωσης του ιχνηθέτη που χορηγείται προς τη συγκέντρωση του ιχνηθέτη λίγες ώρες μετά τη χορήγηση.  

  • Βιοηλεκτρικές και αγωγιμομετρικές μέθοδοι

Η ικανότητα των ιστών και συνεπώς ολόκληρου του σώματος να άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα έχει αναγνωριστεί για περισσότερα από εκατό χρόνια. Οι υδατικοί ιστοί του σώματος, λόγω των διαλυμένων ηλεκτρολυτών τους, είναι οι κύριοι αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος, ενώ το σωματικό λίπος και τα οστά έχουν σχετικά χαμηλές ιδιότητες αγωγιμότητας. Επομένως η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της χημικής σύστασης των ιστών.  

  •  Ανάλυση χημικής σύστασης όλου  του οργανισμού με μάθοδο ανάλυσης νετρονίων 

Η βασική φυσική της μεθόδου αυτής μπορεί να εξηγηθεί απλά. Όταν ένα άτομο συλλαμβάνει ένα νετρόνιο, το άτομο μετασχηματίζεται σε μια άλλη πυρηνική κατάσταση του ίδιου χημικού στοιχείου. Αυτό το νέο άτομο μπορεί να είναι σταθερό ή ραδιενεργό, αλλά θα έχει υπερβολική ενέργεια που πρέπει να απελευθερωθεί αμέσως. Εάν το νέο άτομο είναι ραδιενεργό, θα αποσυντεθεί με την πάροδο του χρόνου με ένα γνωστό χρόνο ημιζωής. Έτσι, όταν το σώμα εκτίθεται σε νετρόνια, οι ακτίνες-γ εκπέμπονται αμέσως, μερικές από τις οποίες μπορούν να ανιχνευθούν εκτός του σώματος χρησιμοποιώντας ένα όργανο παρακολούθησης.  

Ο αριθμός των πηγών νετρονίων, ο τύπος πηγών, ο φυσικός σχεδιασμός του ακτινοβολητή, η θέση του σώματος εντός του πεδίου νετρονίων και το σύστημα ανίχνευσης θα συνδυαστούν για να προσδιοριστεί η συνολική ακρίβεια και η ακρίβεια της ανάλυσης. Τα δύο πιο συχνά μετρημένα στοιχεία είναι το ολικό σωματικό ασβέστιο και το συνολικό σωματικό άζωτο. Ένα σημαντικό μειονέκτημα της τεχνικής NAA είναι ότι το μεγαλύτερο μέρος της δόσης παρέχεται στο σώμα χωρίς την παραγωγή ή ανίχνευση ενός χρήσιμου σήματος. Για να ξεπεραστεί αυτός ο περιορισμός, αναπτύσσονται παλμικά προγράμματα ενεργοποίησης. 

  •  Απορρόφηση ακτίνων Χ

Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται όπως γνωρίζουμε για τον προσδιορισμό της περιεκτικότητας της οστικής μας μάζας. Όταν μια πηγή ακτινών Χ ή φωτονίων τοποθετείται στη μία πλευρά ενός αντικειμένου, η ένταση της δέσμης στην αντίθετη πλευρά του αντικειμένου σχετίζεται με το πάχος, την πυκνότητα και τη χημική σύστασή του. Αυτό το φαινόμενο εξασθένησης εξαρτάται επίσης, από την ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου και κυριαρχείται από δύο αρχές σε χαμηλές ενέργειες: το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και το Compton σκέδαση. Η εξασθένηση μέσω οστού, άπαχου ιστού και λίπους είναι διαφορετική, αντικατοπτρίζοντας τις διαφορές τους σε πυκνότητες και χημική σύνθεση.  

  •  Απεικόνιση μαγνητικού συντονισμούκαι υπολογιστική τομογραφία

Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται όπως οι περισσότεροι γνωρίζουμε για απεικόνιση ιστών και οργάνων του οργανισμού. Αλλά μπορούμε να πάρουμε και πληροφορίες για το πλήθος και το είδος των χημικών στον οργανισμό μας. Πώς; 

Η δύναμη των μαγνητικών πεδίων της γης είναι πολύ αδύναμη, έτσι ώστε τα άτομα και τα μόρια στο σώμα να βρίσκονται σε τυχαίες κατευθύνσεις. Ωστόσο, όταν το σώμα τοποθετείται σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο (τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από τα πεδία της γης), ορισμένοι πυρήνες θα  ευθυγραμμιστούν παράλληλα ή αντιπαράλληλα του μαγνητικού πεδίου. Τα πρωτόνια υδρογόνου (1Η), ειδικότερα, έχουν υψηλή συγγένεια για ευθυγράμμιση με το μαγνητικό πεδίο. Άλλα άτομα που βρίσκονται στο ανθρώπινο σώμα (13C, 19F, 23Na, 31P, και 39K) εμφανίζουν επίσης αυτές τις ιδιότητες, αλλά σε μια ουσιαστικά χαμηλότερη απόκριση από εκείνη των ατόμων υδρογόνου. Αν και μόνο ένα μικρό ποσοστό των πυρήνων θα ευθυγραμμιστεί, ο αριθμός είναι επαρκής για να ανιχνεύσει μια αλλαγή στον προσανατολισμό τους όταν το μαγνητικό πεδίο αφαιρεθεί ή μεταβληθεί. Η συχνότητα με την οποία οι πυρήνες για κάθε στοιχείο θα αναστραφούν ή θα ευθυγραμμιστούν (σε σχέση με την κατεύθυνση του σταθερού μαγνητικού πεδίου) ονομάζεται συχνότητα Larmor. Όταν η ενέργεια ραδιοσυχνοτήτων (RF), στη συχνότητα Larmor, εφαρμόζεται κάθετα στην κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου, οι πυρήνες θα απορροφήσουν αυτήν την ενέργεια και θα αλλάξουν την ευθυγράμμιση. Όταν το πεδίο RF είναι απενεργοποιημένο, οι πυρήνες θα χάσουν την ευθυγράμμισή τους και θα απελευθερώσουν την αποθηκευμένη ενέργεια. Η ένταση αυτού του σήματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση του αριθμού πυρήνων υδρογόνου του ιστού. Αυτή η διαδικασία μπορεί να επαναληφθεί σε κάθε θέση κατά μήκος του σώματος έως ότου χαρτογραφηθεί ολόκληρο το σώμα και μπορούν να δημιουργηθούν εικόνες MRI εγκάρσιας τομής σε κάθε τμήμα. Η απεικόνιση με μαγνητικό συντονισμό επιτυγχάνεται επειδή το υδρογόνο, που βρίσκεται κυρίως στο νερό, είναι ένα από τα πιο άφθονα μη δεσμευμένα στοιχεία του σώματος. Για άλλα στοιχεία, οι συγκεντρώσεις τους στο σώμα είναι χαμηλότερες και η συχνότητα Larmor αλλάζει, απαιτώντας έτσι αυξημένη αντοχή μαγνητικού πεδίου εάν πρέπει να ληφθεί υπόψη η απεικόνιση. 

Με τη βοήθεια όλων των παραπάνω τεχνικών και διάφορων υπολογιστικών μοντέλων έγινε εφικτός ο προσδιορισμός της χημικής σύστασης του ανθρώπου.

Είναι  σημαντικό να αναφερθεί πώς από τα 99 στοιχεία του περιοδικού πίνακα που προκύπτουν φυσικά στη Γη, μόνο τα 30 εκ των οποίων απαντώνται στους ζωντανούς οργανισμούς! Ωστόσο, ο μέσος ενήλικας περιέχει στον οργανισμό του 60 ανιχνεύσιμα χημικά στοιχεία πολλά από τα οποία συσσωρεύονται από την διατροφή του και το περιβάλλον του. Μάλιστα αν απομονώσεις όλα τα στοιχεία του οργανισμού σου στην καθαρή τους μορφή και τα πουλούσες στην αγορά θα έβγαζες ένα με δύο χιλιάδες ευρώ.  

Φυσικά δεν μπορείς να το κάνεις αυτό, αλλά μπορείς να σκέφτεσαι πως όσο μεγαλώνεις και συσσωρεύεις χημικά στοιχεία στον οργανισμό σου τόσο πιο πολύτιμος γίνεσαι.  

Δεν είσαι μεγάλος λοιπόν, είσαι απλά μεγαλύτερης αξίας!  

Πηγές:

  1. Anke M. (1986). «Arsenic». In: Mertz W. ed., Trace elements in human and Animal Nutrition, 5th ed. Orlando, FL: Academic Press. pp. 347-372. 
  2. Chang, Raymond (2007). Chemistry, Ninth Edition. McGraw-Hill. pp. 52. 
  3. Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models. Heymsfield SB1, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian FA, Kamen Y, Wang J, Pierson RN Jr. 1991 Aug, Am J Physiol, DOI: 10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 
  4. Emsley, John (2011). Nature’s Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. OUP Oxford. p. 83. ISBN 978-0-19-960563-7. 
  5. Human Body Composition: In Vivo Methods, Kenneth J. Ellis, PHYSIOLOGICAL REVIEWS, Vol. 80, No. 2, April 2000 
  6. Human Body Composition, Τόμος 918 
  7. Human Body Composition, Steven Heymsfield, Timothy Lohman, ZiMian Wang, Scott B. Going, Human Kinetics, 2005, ISBN 0736046550, 9780736046558 
  8. Human Body Composition: Growth, Aging, Nutrition, and Activity, Gilbert B. Forbes, Springer Science & Business Media, 2012, ISBN1461246547, 9781461246541 
  9. Sabaroff, Robert et al. and ibid and lorem ipsum. “Home Soil,” Star Trek: The Next Generation, Episode #18, Season 1, Original air date: February 22, 1988.  
  10. Subcommittee on the Tenth Edition of the Recommended Dietary Allowances, Food and Nutrition Board; Commission on Life Sciences, National Research Council (February 1989). Recommended Dietary Allowances: 10th Edition. National Academies Press. ISBN 978-0-309-04633-6. 
  11. Zumdahl, Steven S. and Susan A. (2000). Chemistry, Fifth Edition. Houghton Mifflin Company. p. 894. ISBN 0-395-98581 
Ακολουθείστε μας και χαρίστε μας ένα like:
Close Menu