Пінне життя

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 65

Самець бійцівської рибки маскує ікру в шарі бульбашок. Фото: Flapper 212 / Wikimedia Commons / CC A-SA 4.0

Піна — дивовижна субстанція, без неї не можна ні толком помитися, ні хліб спекти, ні пастилу приготувати, ні пожежу загасити. Використовувати піну у своїх цілях можуть не тільки люди (див. «Наука і життя» № 3, 2008 р., стаття «Легка, як повітря, рідка, як вода»), а й тварини, особливо ті, чиє життя безпосередньо залежить від їх здатності до її виробництва. Вони роблять це так майстерно, що цілком можуть змагатися з людиною.

Піна складається з безлічі бульбашок, які стикаються один з одним. Найбільш вигідною формою мильної бульбашки у складі піни з точки зору мінімізації поверхневого натягнення виявився додекаедр. На малюнку: піна Вейра — Фелана. Кожна її бульбашка нагадує кутову кулю, утворену з 12 з’єднаних гранями п’ятикутників. Фото: Tomruen / Wikimedia Commons / PD

На перший погляд, піну досить важко уявити як об’єкт наукового дослідження: як можна вивчати мильні бульбашки? Насправді можна і потрібно. Піна давно привертала увагу фізикохіміків. Спочатку бельгійський фізик Жозеф Плато (1801-1883) виявив, що вона складається з багатогранників, розділених ребрами — каналами, заповненими рідиною. Слідом за ним своє дослідження опублікував британський фізик і механік високочитний лорд Кельвін (1824-1907), на честь якого названа одна з семи основних фізичних одиниць СІ — градус Кельвіна. На підставі складних розрахунків він показав: комірки, сформовані бульбашками піни, можливо розглядати як елементарні багатогранники, на які розбивається простір. Цей процес називається замощенням (за аналогією із замощенням булижниками дороги). Проводити його треба таким чином, щоб обсяг комірок був однаковим, а площа стінок мінімальною. Через століття, в 1993 році, вченим з Трініті-коледжу в Дубліні Денісу Вейру і Роберту Фелану вдалося уточнити рішення Кельвіна. Вони запропонували замощувати простір багатогранниками з 12 і 14 гранями меншої площі.

Піна виникає при додаванні до води не тільки мила, а й жовчі або витяжок деяких рослин — мильнянки, левантського кореня (гіпсофіли), панамської кори (квілайї). Але чому одні речовини викликають піноутворення, а інші ні? Відповідь на це питання в прямому сенсі слова лежала, а точніше, плавала на поверхні.

Фобії та філії

Згадайте, як виглядають краплі роси. Часом здається, що росинки на листях відлиті зі скла, настільки ідеальна їх форма. Досконалість форми пояснюється тим, що молекули води (як і будь-якої іншої рідини) відчувають взаємне тяжіння. Ті з них, що знаходяться поблизу поверхні краплі, не мають «сусідів» зовні, тому сумарна сила їх тяжіння спрямована до центру краплі. Це призводить до того, що поверхня ніби стягується. У фізиці таке явище називають поверхневим натягненням.

Жан-Батіст Шарден. Мильні бульбашки. 1734 рік

Близькі до форми кулі росинки найчастіше утворюються на листях манжетки, жимолості, багатьох водних рослин (глечики, кубишки, лотоса), а також на плодах сливи або айви. Листя і плоди цих рослин покриті тонким шаром рослинних восків, які, в силу особливостей будови молекул, відштовхують воду. Про такі речовини кажуть, що вони гідрофобні (від греч. hydros — «вода» і phobos — «острах»).

Інші речовини, навпаки, «люблять» воду, тому вони отримали назву гідрофільних (у перекладі з грецької philia — «любов»). Відрізнити їх нескладно: як правило, гідрофільні речовини розчиняються у воді, а їхні молекули полярні, тобто одна частина молекул несе слабкий позитивний заряд, інша — слабкий негативний. Крапля води (її молекули теж полярні), потрапивши на гідрофільну поверхню, відразу розтікається, прагнучи зайняти якомога більшу площу.

Нарешті, існують молекули, які мають одночасно і гідрофільні, і гідрофобні групи, — їх назвали амфіфільними (у перекладі з грецької amphys — «обидва»). Вони утворюють на поверхні води тонкий шар, в якому гідрофільні ділянки звернені до води, а гідрофобні — до повітря. За рахунок цього зовнішні молекули води в краплині купують гідрофільних сусідів, поверхневе натягнення зменшується і утворюється піна. По суті, мильна бульбашка являє собою тонкий прошарок води між двома шарами амфіфільних молекул. Але не тільки мило або шампунь мають такі властивості. Амфіфільні також більшість ліпідів, з яких побудовані мембрани клітин всіх живих організмів, молекули майже всіх білків, без яких не можна уявити сам феномен життя. Про ці молекули слід сказати особливо.

Поведінка краплі води при потраплянні на гідрофобну (а), гідрофільну (б) поверхні і при додаванні до неї амфіфільної речовини — лаурілсульфата (в). Червоним кольором показана заряджена частина його молекули. Малюнки Іллі Конишева. Фото a: Steffan Enborm / Wikimedia Commons / CC BY 2.0. Фото б: Konstanttin / ru.depositphotos.com. Фото в: brianguest / ru.depositphotos.com

Не тільки зефір

Як розрізнити два розчини — білковий і сольовий за умови, що вони знаходяться в колбах без написів? Будь-який студент-біохімік скаже, що потрібно просто потрясти ємності: там, де є білок, негайно виникне піна. Звичайно, спосіб не позбавлений недоліків, але на практиці використовується не так вже й рідко. З білковим піноутворенням ми стикаємося і в звичайному житті: досвідчені кулінари додають білки курячих яєць в тісто для пишності, готують з них меренги, безе, пастилу і зефір, з ними збивають вершки.

Полонені «замети» в Чилі, викликані навалою оболонника з роду Pyura. Фото: ncbi.nlm.nih.gov

Молекули білків дуже великі: молекулярна маса середнього білка в 3000 разів більше, ніж у молекули води, і побудовані вони, як буси, з 20 видів амінокислот. Від взаємного розташування і чергування амінокислотних залишків залежать властивості і функції кожного білка. Як правило, у водних розчинах гідрофобні амінокислоти заховані всередині білкового клубка, а гідрофільні розташовані на поверхні. Але природа придумала ряд винятків, вельми корисних для тих, кого вона ними нагородила.

Мова йде про так званих білків-сурфактантів. Їх амінокислотний ланцюжок укладено таким чином, що гідрофобні та гідрофільні ділянки виявляються різко розмежованими. Приблизно те ж саме спостерігається в молекулі лаурілсульфату, що входить до складу шампунів. Завдяки «дволиччю» білок-сурфактант формує на поверхні рідини свого роду плівку товщиною всього в одну молекулу. Такий білок покриває поверхню альвеол наших легких, перешкоджаючи їх спаданню. Якби сурфактанта не було, альвеоли розправлялися б так само важко, як, наприклад, мокрий поліетиленовий пакет, і дихати було б неможливо.

Пінні гніздо

В один з днів літа 1987 року група біологів, яка прибула до Південної Африки, виявила на стовбурах дерев, а також на берегах сусіднього озера густі шматки піни розміром в кілька десятків сантиметрів. На дотик піна нічим не відрізнялася від мильної, але звідки було взятися милу в безлюдній місцевості, та ще на деревах? Очевидно, це були чиїсь гніздо. І дійсно, знявши верхній шар з одного з пінних утворень, дослідники побачили кладку ікри: буруваті кульки потопали в білій серцевині. Ближче до вечора вдалося відшукати тих, хто відклав ікру в піну. Це виявилися сірі африканські жаби виду Chiromantis xerampelina.

Пінне гніздо цикади пінниці івової. Фото: John Tann / Wikimedia Commons / CC A 2.0

Африканська жаба-хіромант. Фото: Kapenta / Wikimedia Commons / CC A-SA 4.0

Сам факт утворення піни живими організмами був відомий і раніше. Натуралісти підмітили цю здатність у самців деяких риб ще в XIX столітті. Трохи раніше відомий систематик природи Карл Лінней описав цикад, які обплутували своє тільце шаром піни, що за обсягом перевершує комаху в кілька разів. Що стосується піни жаби-хіроманта, то вона привернула увагу дослідників своїми дивовижними властивостями: гніздо з піни зберігалися в умовах тропічної спеки до 10 днів, лише незначно підсихаючи по краях; піна добре утримувала воду і не зазнавала гниття. Хімічний аналіз показав наявність у жаб’ячій пені білка, який отримав назву ранаспумін (від лат. rana — «жаба» і spuma — «піна»). Разом зі складними цукрами, що містяться в секретах жаб’ячих желіз, цей білок формує «каркас» піни, не дозволяючи їй висихати до тих пір, поки з ікринок не розвинуться пуголовки.

Пінне гніздо африканської жаби-хіроманта. Фото: Bernard Dupont / Wikimedia Commons / CC A-S A 2.0

Гнізда азіатських будинкових жаб виду Polypedates leucomystax не настільки білосніжні, як у африканських побратимів, але у них схожа будова і вони містять незвичайний синій білок ранасмурфін. Білок синього кольору зустрічається в природі вкрай рідко. Мабуть, тому вчені вирішили назвати його на честь синіх персонажів американсько-бельгійського мультсеріалу «Смурфіки», хоча гніздо жаб через низьку концентрацію білка і багаторазове заломлення світла в пені виглядають, швидше, зелено-сірими.

Кристали ранасмурфіну під мікроскопом. Фото: ncbi.nlm.nih.gov

Деякі морські організми, наприклад оболонці, що формують великі колонії на дні, утворюють таку кількість піни, що вона покриває все узбережжя. Так було, наприклад, у 2005 році в Чилі, коли скелі опинилися під метровим шаром пінного «мусу». Оболонці ведуть сидячий спосіб життя, тому вимітають статеві клітини у воду разом з білками-піноутворювачами. Функцію міксера виконує океанічний прибій, а сама піна, як ми пам’ятаємо, знижує поверхневе натягнення, тому запліднені яйцеклітини легко опускаються на дно.

Модель молекули латерина — білка, секретованого потовими залозами коня при бігу. Залишки лейцину виділені жовтим кольором, ізолійцина — помаранчевим. Фото: ncbi.nlm.nih.gov

Ще один білок — латерин, що міститься в поту і слині коней, до недавнього часу вважали лише алергеном, що провокує у чутливих людей свербіння і чхання після контакту з тваринами. До речі, алергію на кішок, або, як зазвичай кажуть, на «котячу шерсть», викликає схожий білок, що міститься в слині пухнастих вихованців.

Дослідники з’ясували, що в складі латерина незвичайно високий вміст двох гідрофобних амінокислот — лейцину та ізолейцину: на них припадає 71 залишок з 228, складових молекулу. Теоретично латерин повинен бути схожий на ранаспумін. Так воно і є. Виділяючись з потім, цей білок утворює на шкірі коня найтоншу плівку, що збільшує її змочуваність. Завдяки плівці піт рівномірно розподіляється по тілу і більш інтенсивно випаровується. Це дозволяє тварині швидше охолоджуватися під час бігу. У поті людини більше солей, ніж білків, тому вона гірше змочує шкіру і виступає у вигляді крапель, а значить, випаровується довше. Крім того, латерин, що міститься в слині коней, обволокує жорсткі волокна рослин, якими харчується тварина, що полегшує їх подальше перетравлення.

Вивчення білкових молекул триває. Вони настільки різноманітні, дивовижні і непередбачувані, наскільки переливчать і непередбачувано летить мильна бульбашка.