הסדרי נגישות
עמוד הבית > מדעי כדור-הארץ והיקוםעמוד הבית > מדעים > פיסיקה ומבנה החומר [כימיה]
ישראל. משרד הבטחון. ההוצאה לאור


תקציר
האם אפשריים חיים מחוץ לכדור-הארץ? תנאי הכרחי (אך בהחלט לא מספיק!) לקיומם של חיים הוא קיומה של כימיה. כדי שתתקיים כימיה צריכים להתקיים תנאים, שבהם כל התרכובות השונות המוכרות לנו בכימיה אכן תהיינה קיימות.



כימיה בחלל
מחבר: פרופ' גיורא שביב


שאלת קיומם של חיים מחוץ לכדור-הארץ הייתה תמיד מקור לתהייה של המין האנושי. מבחינות רבות שאלה זו היא אחת השאלות החשובות ביותר הניצבות בפני האנושות. האם אנחנו יחידים בחלל, או שמא קיימת, בשביל החלב או אולי בגלקסיה אחרת, איזו שהיא ציוויליזציה, העשויה להיות דומה או שונה משלנו, פחות מפותחת או יותר מפותחת, בעלת הישגים טכנולוגיים שהם, אולי, מסוג אחר לגמרי, אשר אפשר שבניה מהרהרים ברגע זה ממש שמא קיימת ציוויליזציה דומה לשלהם פה, על כוכב-לכת כלשהו סביב השמש. מספרם של הכוכבים בגלקסיה הוא עצום ומגיע ל-1012. מספר הגלקסיות הידועות כיום מגיע אף הוא לעשרות ולאלפים וזאת לזכור, שרוב הגלקסיות אף אינן מצויות ברישומים ובקטלוגים האסטרונומיים ואולי אפילו לא נצפו על-ידינו ולא ידועות לנו.

לאור המספר האדיר והעצום של כוכבים וגלקסיות, האם סביר להניח שאנו היחידים ביקום?

העיקרון הקוסמולוגי הבסיסי אומר, שכל הנקודות ביקום שוות. במלים אחרות, אין שום עדיפות פיסיקלית מהותית למיקום של הגלקסיה שלנו, או של השמש שלנו, על פני כל נקודה אחרת ביקום. אם עיקרון זה מתקבל והקוסמולוגיה המודרנית מראה שאכן העיקרון הזה מתקיים בקוסמוס, אזי אין שום סיבה להניח שהתנאים שהביאו להיווצרותם של חיים על פני כוכב הלכת כדור-הארץ היו הצטברות של תנאים יוצאי-דופן, שאירעו רק פעם אחת בכל היקום, ואירעו רק על פני כדור-הארץ. אדרבא - יש להניח, שתופעת החיים הינה תופעה אוניברסלית, המתרחשת כל אימת שמתקיימים התנאים להיווצרותם של החיים.

מובן, שניתן להניח שהחיים נוצרים כצירוף של אירוע נדיר, בעל הסתברות נמוכה ביותר, המתרחש אחת לפרק זמן ממושך מאוד. אך יש לזכור את העובדה, שמספר הכוכבים והגלקסיות הוא כה גדול עד שיש להניח, שגם אם ההסתברות העצמית נמוכה ביותר, הרי בגין העובדה שמספר הכוכבים כה רב, לא בלתי הגיוני להניח שיש, כנראה, עוד חיים מחוץ לכדור-הארץ.

אופן ההיווצרות של החיים לוט בערפל. יש ביולוגים, כחתן פרס נובל הצרפתי מונוד, הסבורים שהיווצרות החיים היא סדרה ארוכה מאוד של אירועים בעלי הסתברות קטנה מאוד, ולפיכך הופעת החיים על פני כדור-הארץ הינה אירוע בעל הסתברות קטנה ביותר, ומכאן שאפשר, שאנו באמת הציוויליזציה היחידה ביקום או בגלקסיות.

לעומת זאת, הצטברות הידע והניסיונות האמפיריים מראים שהיווצרות החיים היא כנראה פועל יוצא של קיום תנאים מתאימים. מרבית הביולוגים סבורים שהחיים ייווצרו בכל מקום שהתנאים בו מתאימים, בבחינת מעין ניסוי, שבו תיווצר התוצאה המתאימה כל אימת שתימצא סיבה נתונה. הנחה זו מביאה לכך, שמעניין לבחון מה הם התנאים לקיומם של חיים ובאיזו מידה אנו יכולים לומר, על סמך הידע האסטרו-פיסיקלי שלנו, שתנאים מהסוג הזה מתקיימים בכל מיני מקומות.

מכל מקום, בכל מקרה ברור, שתנאי הכרחי (אך בהחלט לא מספיק!) לקיומם של חיים הוא קיומה של כימיה. מה המשמעות של כימיה? כדי שתתקיים כימיה יש לדרוש את קיומם של יסודות במובן הרגיל של המלה, יש לאפשר ליסודות להתרכב בינם לבין עצמם כדי ליצור מולקולות, אשר יוכלו להגיב זו עם זו כדי ליצור מולקולות מסובכות ומרוכבות יותר. קיצורו של דבר: אנו מחפשים תנאים, שבהם כל התרכובות השונות המוכרות לנו בכימיה אכן תהיינה קיימות.

כל תרכובת כימית בנויה על קשר בין מרכיבי התרכובת, ועצמת הקשר ניתנת לביטוי באנרגיה של הקשר. האנרגיה של הקשר מבטאת את האנרגיה שיש להשקיע כדי להפריד את המולקולה למרכיביה. לרוב, אנרגיה זאת היא בסדר-גודל של אלקטרון-וולט אחדים. אלקטרון-ולט אחד הוא האנרגיה שאלקטרון מקבל כאשר הוא נופל על פני מפל מתח של וולט אחד. זוהי יחידה- פיסיקלית שנוח לעבוד עמה. כך, למשל, האנרגיה הדרושה כדי להרחיק את האלקטרון של המימן מאטום המימן, היא 13.56 אלקטרון-וולט. והנה, אנרגית הקשר האופיינית של תרכובות היא בסדר-גודל של כמה אלקטרון-וולט. לעתים נדירות, בייחוד כאשר מדובר בחומרים כמו חול או סיליקטים מיוחדים, אנו מוצאים תרכובות שאנרגית הקשר שלהן יותר גדולה, אבל ברוב המקרים אנרגית הקשר היא בסדר-גודל של כמה אלקטרון-וולט.

כאשר הטמפרטורה של התווך שבו נמצא החומר היא גבוהה מאוד, תנועת המולקולות בגלל הטמפרטורה תהיה מהירה. במלים אחרות - האנרגיה של המולקולות כתוצאה מהטמפרטורה תהיה גבוהה. בטמפרטורה גבוהה במידה מספקת, האנרגיה של המולקולות תהיה כה גבוהה עד שבהתנגשות בין המולקולות לבין עצמן הן תתפרקנה. כל חומר שהוא, כאשר נעלה את הטמפרטורה שבה הוא נמצא, יתפרק בסופו של דבר למרכיביו. כל תרכובת כימית תתפרק בסופו של דבר.

כאשר הטמפרטורה אינה גבוהה יחסית, תתפרק התרכובת לאטומים וכאשר תוסיף הטמפרטורה ותעלה יתחילו האטומים להתפרק והאלקטרונים של האטומים ייקרעו מהם. מתקבלת אז תערובת של יונים ואלקטרונים, הידועה בשם פלסמה. עם המשך העלאת הטמפרטורה יאבדו האטומים את כל האלקטרונים שלהם. העלאה נוספת של הטמפרטורה תביא למצב, שבו הגרעינים של האטומים יתחילו להתנגש זה בזה בכוח רב דיו כדי שגם הגרעינים יתחילו להתפרק.

במלים אחרות, ככל שהטמפרטורה נמוכה יותר, התרכובות עמידות יותר. ככלל, מבין התרכובות הכימיות, התרכובות האורגניות הן הקשורות בצורה החלשה ביותר ולכן הן המתפרקות ראשונות עם עלות הטמפרטורה.

ולהיפך - כאשר הטמפרטורה יורדת, קצב הריאקציה קטן והולך. בבית, דברי מאכל מוכנסים למקרר כדי להאט את קצב הריאקציה של הריקבון. על-ידי החזקת המזון בטמפרטורה נמוכה כל התהליכים מואטים ודבר שהיה מתקלקל מחוץ למקרר תוך זמן קצר, מתקלקל במקרר תוך פרק זמן הרבה יותר ממושך.

לכן, אם הטמפרטורה של התווך תהיה מאוד נמוכה, נניח 200- מעלות צלסיוס (200 מעלות מתחת לאפס) , יהיה קצב התגובות הכימיות כה איטי, עד שיידרשו אלפי שנים כדי שתתחולל ריאקציה כימית פשוטה ועל-כן ברור, שבמצב כזה כימיה אינה קיימת, מכל בחינה מעשית.

לסיכום - אנו מחפשים מקומות, שבהם הטמפרטורה אינה עולה, מחד-גיסא, על כמה מאות מעלות צלזיוס ואינה יורדת למינוס 100 מעלות צלסיוס, מאידך-גיסא. זהו, אם כן, התנאי לגבי הטמפרטורה.

קיים גם תנאי לגבי הצפיפות. הצפיפות הרגילה של החומרים המוצקים היא בסדר-גודל של 1 עד 20 גרם לסמ"ק, ולעתים נדירות יותר מכך. כך, הצפיפות במרכז השמש היא 140 גרם לסמ"ק לערך וצפיפות של כמה עשרות עד כמה אלפים גרם לסמ"ק איננה בלתי רגילה בכוכבים. הצפיפות בכוכבים מסוימים, הידועים בשם ננסים לבנים, מגיעה אפילו לטונה לסמ"ק. מה קורה כאשר הצפיפות גבוהה? גם במקרה זה התרכובות נהרסות. בשל הלחץ הרב, המתחייב מקיומה של הצפיפות הגבוהה, נדחסות התרכובות זו כלפי זו וכתוצאה מכך הן מתפרקות. אין אף תרכובת שמחזיקה מעמד בצפיפות של 103 עד 104 גרם לסמ"ק. לפיכך, אנו מדברים למעשה על מקומות, שבהם הצפיפות אינה עולה על מספר גרמים לסמ"ק.

מה קורה כאשר הצפיפות נמוכה? יש בחלל מקומות, שבהם הצפיפות מגיעה ל-10-23 גרם לסמ"ק. כאשר הצפיפות כה נמוכה, כבר אין נוהגים לציין את הצפיפות בגרם לסמ"ק. במאמר מוסגר ייאמר, שאסטרונומים אינם מחבבים מספרים אסטרונומיים. בכן, בצפיפות כל כך נמוכה נוטים לבטא את הצפיפות במספר אטומים לסמ"ק. צפיפות של -10-23 לסמ"ק שקולה בערך לאטום לסמ"ק. בצפיפות כה נמוכה, הסיכוי שאטום אחד יפגוש אטום אחר הוא כה קטן, עד שאין כל סיכוי לריאקציה כימית. כל האטומים יישארו במצבם הראשוני במשך זמן רב. על כן, כדי לקבל כימיה, שבה הריאקציות מתחוללות על פני סקאלת זמן של, נניח, כמה מיליוני שנים, לא מדובר על התחוללות הריאקציה בבת-אחת, שומה עלינו להגביל את עצמנו לצפיפויות, שהן קצת יותר מ-10-14 גרם לסמ"ק. צפיפות כזו הינה, למעשה, ריקנות הרבה יותר גדולה ממה שניתן להשיג היום במעבדה על פני כדור-הארץ.

אולם לא די בתנאים של טמפרטורה ושל צפיפות לקיומה של כימיה. החלל החיצון, או החלל האסטרונומי, מלא גם בקרינות.

קרינה, בתחום הנראה לעין, כגון הקרינה הנפלטת על-ידי השמש, אינה מזיקה. אין היא יכולה לפרק תרכובות, אורגניות או לא-אורגניות. אבל האנרגיה של הקרינה גוברת והולכת כאשר עוברים מקרינה בתחום הנראה לעין לקרינה האולטרה-סגולה. נציין במאמר מוסגר, שהאנרגיה של חלקיק הקרינה הקרוי פוטון יחסית ישר לתדירות ולכן יחסית הפוך לאורך הגל. פירוש הדבר, שקרינה אולטרה-סגולה בעלת אורך גל של כ-3000 אנגסטרם אנרגטית פי 2 מקרינה צהובה בעלת אורך גל של 6000 אנגסטרם. ככל שאורך הגל של הקרינה קטן, האנרגיה של חלקיק הקרינה גדלה. בקרינת X, אשר לה אורך גל של כמה מאות אנגסטרם, האנרגיה של הקרינה גדלה שוב. (האנגסטרם הוא 10-10 של מטר).

ככל שהאנרגיה של הקרינה גבוהה יותר, גדלה גם יכולת הקרינה לפרק תרכובות. כך, למשל, משתמשים בקרינה אולטרה-סגולה לצורך סטריליזציה, כי היא יכולה לפרק את התרכובות של האורגניזמים החיים.

קרינות אלו נקראות לפעמים בשם קרינות מייננות. הסיבה לשם זה היא שכאשר קרינה כזאת פוגעת בעור של בן-אדם, היא די אנרגטית כדי להעיף אלקטרון מאחד האטומים שבתרכובות המרכיבות את הגוף החי ולהרוס בצורה זו את רקמות העור. זוהי גם הסיבה לסיכון שבחשיפת יתר לקרינת X או לקרינה אולטרה-סגולה. הקרינה הזאת פשוט מפרקת את התרכובות הכימיות מהן בנוי הגוף החי.

השמש, למשל, פולטת כ-6% מכל האנרגיה שלה בתחום האולטרה- סגול. אלמלא היה לכדור-הארץ מעטה אטמוספירה, ובו תרכובת בשם אוזון, הבולעת את מרבית הקרינה האולטרה-סגולה, היינו נחשפים ישירות לקרינה אולטרה-סגולה של השמש, שהייתה גורמת לפירוק התרכובות האורגניות מהן אנו מורכבים. כדבר הזה היה נכון לגבי העובדה שהשמש מקרינה גם קרני X וחשיפת-יתר להן היתה גורמת לנו לסרטן, למוטציות ולפירוק התרכובות שמהן אנו בנויים. (הקרינה האולטרה-סגולה מהשמש גורמת ליצירת שכבת האוזון באטמוספירה ושכבה זו בולעת את יתרת הקרינה.)

בדברנו על קיומה של כימיה אנו מעוניינים, אם כן, לא רק בתחום מסוים של טמפרטורות וצפיפויות, אלא גם במרחב הקרוי בשפה המקצועית מסוכך מפני קרינות שונות, שיכולות לחדור פנימה ולפרק את התרכובות שאנו רוצים שתיווצרנה בתוך אותו מרחב. כדור-הארץ מוגן על-ידי "שמיכה", המגינה עלינו והיא אותה שכבת אוזון (החמצן הרגיל הוא 02, כלומר שני אטומי חמצן ואילו האוזון הוא 03, כלומר שלושה אטומי חמצן.)

לאחר שביררנו את התנאים לקיומה של כימיה ניתן לשאול: מה ידוע לנו על תרכובות בגלקסיה שלנו. האם ידוע לנו על מקומות בגלקסיה, שבהם מצויות תרכובות אורגניות? תחילה, בקרבת כדור-הארץ, במערכת השמש. מערכת השמש מכילה גופים זקנים, כמו כדור-הארץ, שעברו גלגולים רבים, עד שהגיעו לצורתם הנוכחית (בהמשך נעמוד על הגלגולים השונים, שעבר כדור-הארץ מאז היווצרותו). אבל, נוסף לגופים מהסוג הזה (כוכבי לכת), מצויים במערכת השמש גופים כמו מטאורים, שאינם אלא גושי חומר בין-כוכבי היולי, שנותרו כמות שהם, מזמן היווצרות מערכת השמש. לעתים יש באפשרותנו לבחון את התוכן הכימי של מטאור כזה. מאחר שהמטאורים הינם שאריות החומר מזמן היווצרות מערכת השמש, חקירתם מאפשרת לנו להתחקות אחר הרכב מערכת השמש בזמן היווצרותה.

אף כי מרבית המטאורים הינם, כאמור, שרידים מהיווצרות מערכת השמש, מקצתם נלכדו על-ידי מערכת השמש בתקופה יותר מאוחרת, והם נושאים בקרבם חותמת של הנעשה בחלל הבין-כוכבי ולא רק מה שנעשה במערכת השמש בזמן היווצרותה.

מדי פעם בפעם פוגש מטאור כזה בכדור-הארץ וחודר לאטמוספירה. ברוב המקרים המהירות היחסית של המטאור ביחס לכדור-הארץ היא בסדר-גודל של 180-120 ק"מ בשנייה. במהירות כה גדולה, החיכוך הרב באטמוספירה גורם למעשה לשריפת המטאור, ואז אנו עדים לדבר שנקרא בשפה העממית "כוכב נופל".

רוב המטאורים קטנים והם נשרפים באוויר ואינם מגיעים לכדור-הארץ. הגדולים שביניהם מצליחים להגיע לכדור-הארץ, ואז ניתן לפתוח אותם ולבחון את תכולתם. בחינת התכולה של המטאורים הראתה, שמצויות בהם לא רק תרכובות כימיות פשוטות, כי אם גם תרכובות אורגניות. במלים אחרות, לא זאת בלבד שכימיה אורגנית הייתה קיימת לפני היווצרות כדור-הארץ, אלא שאם הכימיה האורגנית לא הייתה קיימת בזמן היווצרות כדור-הארץ, ביכולתם של המטאורים להביאה אליו לאחר היווצרותו. כמובן, שאם התנאים על פני כדור-הארץ מתאימים אין מניעה שכימיה תתקיים על פניו, עם כל המשתמע מכך.

ננסה לסכם פרק זה. ההנחה המקובלת היא, שחיים נוצרים מרגע שהתנאים לכך מתאימים. דנו בתנאים לקיומה של כימיה וראינו, שקיום הכימיה הכרחי, אך לא מספיק, להיווצרותם של חיים. סיכמנו, שמצד אחד, מעל טמפרטורה מסוימת, שהיא 2000°-1000° צלזיוס, כל התרכובות מתפרקות ולכן לא תהיה כימיה, ושמצד אחר, מתחת לטמפרטורה של בין 100°- ל-200°- צלזיוס, אין התרכובות מגיבות זו עם זו, ולכן שוב לא תהיה כימיה. בצפיפות של יותר מכמה עשרות גרם לסמ"ק לא תהיה כימיה כיוון שכל התרכובות תתפרקנה, ובצפיפות מאוד-מאוד נמוכה, של כ--10-14 גרם לסמ"ק, משך התגובה בין האטומים השונים יהיה כה גדול, עד כי שוב לא יהיה זמן להיווצרות כימיה. לבסוף, דרשנו שהתווך שבו הכימיה מתחוללת יהיה מוגן בפני הקרינות השונות הקיימות בחלל. קרינות אלו נפלטות על-ידי כוכבים או על-ידי התפוצצויות של כוכבים וביכולתן לפרק כל תרכובת, שאכן תיווצר.

לבסוף, אנו מכוונים את תשומת הלב לנעשה במטאורים, שהם החומר ההיולי שממנו נוצרה מערכת השמש. המטאורים הם החומר היחידי שמגיע אל כדור-הארץ מהחלל הבין-כוכבי ומאפשר לנו בדיקה במעבדה של הרכבו על פני כדור-הארץ.

ביבליוגרפיה:
כותר: כימיה בחלל
שם  הספר: אסטרופיסיקה והחיים מחוץ לכדור-הארץ
מחבר: שביב, גיורא (פרופ')
עורך הספר: עופר, יהודה
תאריך: 1983
הוצאה לאור: ישראל. משרד הבטחון. ההוצאה לאור
הערות: 1. בראש השער: פרופ' גיורא שביב. טכניון - מכון טכנולוגי לישראל, חיפה.
2. ספריית "אוניברסיטה משודרת".
3. עורכת הסדרה בגלי צה"ל: תרצה יובל.
4. יועץ אקדמי: פרופ' חיים שקד.
הערות לפריט זה: 1. המאמר הוא פרק א' בספר.
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית