PROPRIETĂȚI CONTRAINTUITIVE ALE MATERIEI

(fragment din lucrarea LUMINA CELUI NEVAZUT. O privire teologică în raţionalitatea Creaţiei şi teoriile ştiinţifice recente despre Univers, 2 volume, 950 p. Capitolul 2)
 
 (Lucrarea este în curs de apariție în colecția Știință, Filosofie, Teologie - Dialog pentru cunoaștere, colecție coeditată de Editura Basilica a Patriarhiei Române, Editura Universității Alexandru Ioan Cuza din Iași și Editura Universității din București)

Diversitatea elementelor chimice

Caracteristicile fizice şi chimice ale unei mostre de materie provin din proprietăţile constituenţilor ei. Într-un solid, de exemplu, atomul rămâne „imobilizat“ datorită forţelor de natură electromagnetică care îl ţin fixat într-un anumit loc. Consistenţa şi rezistenţa materiei la diferite solicitări se datorează, în bună măsură, şi acestei „texturi electromagnetice“ existente între atomi. Pe de altă parte, lucrurile din lume cu o structură moleculară similară au aspect şi proprietăţi identice, câtă vreme condiţiile sunt similare, pentru că atomii care le compun au structură identică şi respectă aceleaşi „prescripţii“ – să le spunem aşa –, provenite de la „vecinii“ lor.

În intenţia de a prezenta felul în care legăturile determinate de sarcina electrică contribuie la diversitatea materialelor, texturilor şi substanţelor, încercăm o exemplificare cât se poate de simplă. Folosim pentru aceasta câteva analogii, poate neaşteptate. Situaţia de la care ar trebui să înceapă prezentarea „comportamentului“ atomilor este starea de echilibru a sarcinii (sau neutralitate, când numărul de protoni din nucleu este egal cu numărul de electroni din norul electronic). Starea aceasta înseamnă de fapt că atomul „are tot ceea ce îşi doreşte“. El nu prezintă „intenţii“ (sau „motive“) de asociere. Însă echilibrul acesta poate să dispară uşor, odată cu creşterea temperaturii, a presiunii etc[1].

Părăsind atomul, electronii iau cu ei propria sarcină negativă şi, în acest fel, echilibrul atomului este perturbat. La fel se întâmplă şi în cazul în care un electron liber se „stabileşte“ pe orbitalul unui atom neutru electric. Sarcina negativă din atom va avea acum un contribuabil în plus, adică atomul îşi va pierde starea de echilibru. Atomul (ion, sau atom ionizat) va fi „interesat“ acum să-şi găsească un „asociat“, urmărind, după caz, soluţii concrete la situaţia sa de dezechilibru. El va căuta să îşi procure de la „asociat“ ceea ce îi lipseşte (electroni), sau, dimpotrivă, va căuta „să scape“ de ei, dacă are mai mulţi electroni decât îi sunt necesari pentru asigurarea neutralităţii. Cu cât „lipsurile“ sunt mai mari (sau, din contra, „surplusul“ de electroni este mai mare, ambele cazuri raportate la starea de neutralitate electrică iniţială), cu atât mai mult atomul va fi „presat“ să se asocieze cu partenerii care îi pot satisface, chiar şi în parte, „doleanţele“. Cu alte cuvinte, dacă nevoile sunt mari, pretenţiile scad semnificativ. Desigur, dacă va avea de „ales“, va „opta“ pentru asocierea cu cel care va „rezolva“ cât mai multe dintre problemele (electronii) lui. În plus, „alianţele“ dintre atomi (moleculele) sunt cu atât mai stabile cu cât ele reuşesc să soluţioneze mai bine lipsa sau surplusul de electroni pe care le înregistrează atomii participanţi. În fine, dacă necesarul de electroni este acoperit, atomul nu mai este dispus la alianţe, fiind deosebit de stabil.

Acesta este, pe scurt, mecanismul prin care se formează legăturile moleculare. În esenţă, întreaga dinamică de ordin chimic a materiei este posibilă doar pentru că, la nivelul atomic, este posibil un fragil (dez)echilibru al sarcinii electrice şi pentru că atomii au capacitatea de a „poseda“, „păstra“ şi „recupera“ electroni, pentru (re)dobândirea stării de echilibru. Doar în acest fel sunt posibile combinaţiile între substanţe.
 

Foto: Atomi de siliciu dispusi pe o suprafata

inregistrati prin microscopie electronica cu efect de tunelare (STM).

 

Când unul sau mai mulţi atomi ai unui element (să considerăm de pildă doi atomi de hidrogen) se asociază cu unul sau mai mulţi atomi ai altui element (să spunem un atom de oxigen), rezultatul va fi o moleculă dintr-o nouă substanţă (în cazul acestui exemplu, apa – H₂O), cu proprietăţi şi caracteristici cu totul diferite. Oxigenul şi hidrogenul molecular (H₂) sunt două dintre substanţele care au o combustie extrem de violentă, fiind folosite pentru propulsia vehiculelor spaţiale. Totuşi, combinaţia moleculelor de hidrogen şi oxigen formează, aşa cum am văzut, apa, utilizată, în mod comun, tocmai în stingerea incendiilor! Iată alt exemplu: clorul (Cl) este un gaz otrăvitor, chiar letal[2]. De asemenea, sodiul (Na) este un metal coroziv, care arde în contact cu apa. În doze neadecvate, ambele sunt dăunătoare vieţii. În combinaţie însă, aceste două substanţe nocive formează sarea de bucătărie (clorura de natriu – NaCl), ingredient nelipsit din alimentaţia zilnică.

Faptul că substanţele chimice se pot combina asigură impresionanta diversitate chimică a lumii, făcând posibilă întreaga varietate a texturilor, formelor şi culorilor naturale. Duritatea rocilor scoarţei terestre, transparenţa apei, moleculele ce alcătuiesc celulele unui ţesut din scoarţa unui copac sau cel al unei frunze verzi, ADN-ul, sângele, substanţele cu rol specializat în funcţionarea ţesuturilor şi organelor corpului uman etc., toate sunt rezultatul asocierii mai multor atomi în molecule şi în macromolecule. Lanţurile de macromolecule formează aminoacizii, a căror combinaţie dă naştere proteinelor, substanţe fundamentale în procesele sistemelor vii. Acizii nucleici şi proteinele determină structura şi funcţiile organismelor vii, prin intermediul ARN şi ADN.

Capacitatea acestor mici constituenţi ai materiei (protonii, neutronii şi electronii) de a participa la alcătuirea unor structuri atât de complexe este extraordinară! Lumea chimiei, cu cele peste o sută de elemente cuprinse în tabelul lui Mendeleev, se dovedeşte suficientă pentru construirea unui Univers cu o diversitate covârşitoare de substanţe pe care le regăsim astăzi în gaze, în roci, în sol, în milioanele de specii vii, în corpurile cereşti şi în toate materialele şi texturile produse prin intermediul tehnologiilor.

Din perspectivă teologică, se poate spune că materia este „pregătită“ deja pentru demersul creativ al omului: milioane de texturi, substanţe compuse, produse farmaceutice, materiale de construcţii, întreaga civilizaţie umană se sprijină pe chimia extraordinară a celor zece duzini de atomi pe care îi avem la dispoziţie în lumea în care trăim. Este semnificativ faptul că, indiferent ce ştiinţă şi tehnologie am avea la dispoziţie, ne-ar fi imposibil să reproducem în laborator diversitatea resurselor chimice ale Pământului. Este drept că omul a produs o altă diversitate, cea de texturi şi materiale, însă chimia ne invită la onestitate: toate câte vedem şi tot ceea ce construim se bazează exclusiv pe capacitatea uimitoare a ceva mai mult de 100 de tipuri de atomi de a se lega între ei, pe care i-am găsit, din abundenţă, în atmosferă şi în solul terestru.

Atomii sunt cei ce au deja proprietăţi care permit combinaţii şi compuşi, iar civilizaţia s-a clădit pe aceste mecanisme simple. Putem manipula atomii, însă îi găsim deja în lume, îi avem deja la dispoziţie, gata să se asocieze. Din perspectivă teologică, omul se naşte într-o lume care nu are toate potenţialităţile consumate, în care el poate dispune în mod novator de Creaţie, având la dispoziţie resurse potrivite puterilor sale creatoare şi un loc privilegiat în ea.

Dar, din ordinea existentă în lumea atomilor, se poate vedea şi faptul că viaţa „construită“ cu ajutorul lor nu este „ruptă din decor“, nu apare brusc, într-o lume străină şi fără nicio legătură cu ea. Desigur, atomii nu sunt vii, însă proprietăţile lor extraordinare permit realizarea unor structuri complexe şi stabile, capabile să îndeplinească funcţiile multiple ale vieţii, încât lanţurile de atomi şi molecule pot fi suportul ei fizic şi chimic.[3] În capitolele ce urmează vom vedea că, din perspectivă teologică, toate acestea arată că raţionalitatea lumii, fără a demonstra cu rigurozitate, sugerează parcă un plan, iar viaţa nu este nicidecum întâmplătoare, ci corespunde acestui plan al lui Dumnezeu. Viaţa poate fi „întrezărită“, într-un fel, chiar din proprietăţile acestor constituenţi elementari. Complexitatea materiei destinate să primească în ea darul vieţii pare a fi „pregătită“ la scările cele mai mai de jos, la nivelul celor mai mici constituenţi, în ţesătura cea mai simplă a legăturilor dintre particulele lumii fizice. Regulile simple şi precise ale atomilor fac posibilă existenţa moleculelor, permiţând materiei să „poarte“ în ea viaţa. Aici, la acest nivel, o abordare simbolică întrevede deja potenţialul atomilor de participare la un „proiect“ mult mai mare şi mai complex decât ei.

În fine, misterul vieţii este chiar mai mare decât apare la prima vedere. Dorind să-l explice în totalitate într-un mod reducţionist, mulţi cercetători au căutat şi caută încă scenarii în care combinaţii de substanţe organice şi anumiţi factori fizici bine aleşi ar putea produce forme primitive de ordine sau viaţă. S-ar putea crede că un astfel de procedeu ar putea reprezenta un pas înainte spre dovedirea faptului că viaţa a apărut fără contribuţia vreunei raţiuni superioare, într-o simplă conjunctură favorabilă.

Pe de o parte, ştiinţele complexităţii pomenite în capitolul anterior arată că atomii şi structurile cele mai simple ale materiei „manifestă“ tendinţe remarcabile de auto-organizare, în situaţii care rămân impredictibile! Într-un anumit fel, acest „comportament“ auto-organizator dezvăluie că materia e „pregătită“ pentru a asigura suportul complex necesar vieţii, arătând că şi legile fizice ale microcosmosului, şi cele ale macrocosmosului nu par să fie întâmplătoare: „Universul nostru nu e unul care să permită cu greu apariţia fiinţelor vii şi înzestrate cu gândire. Dimpotrivă, natura se abate de la calea sa pentru a face posibile asemenea apariţii foarte importante“.[4]

Pe de altă parte însă, viaţa se dovedeşte a fi mai mult decât o sumă de procese chimice. În orice celulă, complexitatea proceselor biochimice este foarte mare. În ea se găsesc mai mult de 10 000 de tipuri de molecule, în fiecare secundă producându-se mai multe mii de procese. Capacitatea celulei de a păstra echilibrul (homeostazic) în condiţiile unui mediu de viaţă dinamic este impresionantă. Însă în fiecare organ sau ţesut viu, în fiecare specie de plantă sau de animal care se adaptează mediului de viaţă şi foloseşte celorlalte specii cu care împarte ecosistemul, opera vie se descoperă a fi tot mai complexă şi mai miraculoasă. În particular, în corpul uman sunt mai mult de 60 000 de miliarde de celule, ce alcătuiesc întreaga ţesătură a organelor. În faţa acestei „eleganţe“ a vieţii şi a complexităţii consecinţelor ei, „lumea ştiinţei recunoaşte că este dificil de acceptat că totul s-ar rezuma la chimie...”.[5]

În felul acesta, în demersul reducţionist al ştiinţei de explicitare a vieţii, mai înainte de descoperirea unei explicaţii care să se sprijine doar pe legile fizicii, se ivesc, de fapt, alte mistere: o materie extraordinară, admirabil potrivită pentru un plan măreţ precum cel al vieţii, dar şi viaţa însăşi, a cărei esenţă pare, într-un fel tot mai evident, că nu provine din simpla suprapunere a unor procese biochimice.

Note

---

[1] Trecerea atomilor de la starea de echilibru la starea de ionizare este posibilă prin intermediul unei energii minime. Energia primită de un atom, sub forma unei radiaţii luminoase, de exemplu, este „absorbită“ de electronii aflaţi pe straturile cele mai îndepărtate de nucleu. Dacă energia este suficient de mare, ea va determina nu doar saltul electronilor pe un alt strat, ci, în anumite cazuri, chiar expulzarea lor din atom. „Lipsit“ de „o porţie“ de sarcină negativă, atomul din acest ultim caz trece într-o stare nouă (atom ionizat). El devine „interesat“ să formeze legături cu alţi atomi (electrofil), pentru că, în acest fel, îşi poate rezolva dezechilibrul electronic („completarea“ necesarului de electroni sau, în cazul opus, „debarasarea“ de surplus).

[2] Clorul a fost folosit chiar ca armă chimică în Primul Război Mondial.

[3] De exemplu, hemoglobina, cu rol determinant în transportul de oxigen în sânge, reprezintă un complex alcătuit din 9500 de atomi, dintre care 4500 de hidrogen şi 2500 de carbon. Deşi, la prima vedere, structura ei pare un adevărat haos, o analiză atentă poate dezvălui numeroase subunităţi cu funcţii foarte precise (cf. Roald Hoffman, „Farmecul moleculei”, în: Geo, febr. 2009, p. 24).

[4] John F. Haught, Ştiinţă şi religie, de la conflict la dialog, trad. M. Stavinschi, Ed. XXI: Eonul Dogmatic, Bucureşti, 2002, p. 215.

[5] Harry Y. McSween Jr., Partitură pentru Terra, trad. L.-M. Ene, Ed. All, Bucureşti, pp. 196-197. Iată ce mai scrie autorul acestei lucrări: „Oamenii vorbesc mult despre materie şi energie şi despre lupta pentru existenţă care modelează viaţa. Aceste lucruri există, e adevărat; dar şi mai delicat, mai alunecos şi mai rapid decât aripioarele unui peşte în apă este acel principiu tainic cunoscut sub denumirea de «organizare», care face ca toate celelalte mistere ale vieţii să pară răsuflate şi nesemnificative prin comparaţie. Că viaţa fără organizare nu poate rezista, este evident. Şi totuşi, această organizare în sine nu este propriu-zis nici produsul vieţii şi nici al selecţiei. La un moment dat am putea spune cu oarecare siguranţă că viaţa a apărut datorită unui anumit acid nucleic ancestral care s-a organizat formând prima celulă prin intermediul unei anumite reacţii sau a alteia. Dar, [...] nu acesta este răspunsul la «piciorul zimţat al lăcustei» şi nici la «esenţa subtilă a memoriei, încântării şi a dorinţei ce se mişcă prin firele fine ale creierului meu». Nu vreau să par lipsit de respect faţă de colegii mei savanţi care muncesc printre aflorimente şi eprubete cu o răbdare şi o ingeniozitate demne de laudă, în căutarea originii vieţii. Dar nu pot să nu mă întreb dacă greierii cântători şi oamenii gânditori nu sunt ceva mai mult decât suma unor reacţii chimice” (ibidem, pp. 196-197).