Pěnový život | Věda a život

Pěna je úžasná látka, bez ní se nemůžete pořádně umýt, upéct chléb, vyrobit marshmallows ani uhasit oheň. Pěnu mohou pro své účely využívat nejen lidé (viz Věda a život, č. 3, 2008, článek „Světlo jako vzduch, kapalina jako voda“), ale také zvířata, zejména ta, jejichž život přímo závisí na jejich schopnosti ji vyrobit. Dělají to tak dovedně, že mohou snadno konkurovat lidem.

Samec betta maskuje vajíčka ve vrstvě bublin. Foto: Flapper 212/Wikimedia Commons/CC A-SA 4.0.

Pěna se skládá z mnoha bublin, které se navzájem dotýkají. Nejvýhodnějším tvarem mýdlové bubliny v pěnové kompozici z hlediska minimalizace povrchového napětí se ukázal být dvanáctistěn. Na obrázku: Weir-Phelan pěna. Každá z jeho bublin připomíná hranatou kouli vytvořenou z 12 pětiúhelníků spojených svými okraji. Foto: Tomruen/Wikimedia Commons/PD.

Jean-Baptiste Chardin. Mýdlové bubliny. 1734 rok.

Chování kapky vody, když dopadne na hydrofobní (A), hydrofilní (B) povrch a když se k ní přidá amfifilní látka, laurylsulfát (B). Nabitá část jeho molekuly je znázorněna červeně. Kresby Ilya Konyshev. Foto A: Steffan Enborm/Wikimedia Commons/CC BY 2.0. Foto B: Konstanttin/ ru.depositphotos.com. Foto B: brianguest/ ru.depositphotos.com.

Pěna “unáší” v Chile způsobená invazí pláštěnců rodu Pyura. Foto: https/ncbi.nim.nih.govipmc/articles/PMC222521/.

Pěnové hnízdo plivanka vrbového. Foto: John Tann/Wikimedia Commons/CC A 2.0.
Africká žába z ruky. Foto: Kapenta/Wikimedia Commons/CC A-SA 4.0.
Pěnové hnízdo africké palmové žáby. Foto: Bernard DUPONT/Wikimedia Commons/CC AS A 2.0.
krystaly ranasmurfinu pod mikroskopem. Foto: www.ncbi.nim.nih.govipmc.

Model molekuly latherinu, proteinu vylučovaného potními žlázami koně, když běží. Leucinové zbytky jsou zvýrazněny žlutě, isoleucinové zbytky oranžově. Foto: https://www.ncbi.nim.nih.govipubmed/23782536.

Pěna “na tužce”

Na první pohled je docela obtížné představit si pěnu jako objekt vědeckého výzkumu: jak lze studovat mýdlové bubliny? Ve skutečnosti je to možné a nutné. Pěna již dlouho přitahuje pozornost fyzikálních chemiků. Nejprve belgický fyzik Joseph Plateau (1801-1883) zjistil, že se skládá z mnohostěnů oddělených hranami – kanálky naplněnými kapalinou. Po něm publikoval svůj výzkum britský fyzik a mechanik, vysoce uznávaný lord Kelvin (1824-1907), po němž je pojmenována jedna ze sedmi základních fyzikálních jednotek SI, stupeň Kelvin. Na základě složitých výpočtů ukázal, že na buňky tvořené pěnovými bublinami lze nahlížet jako na elementární mnohostěny, na které je prostor rozdělen. Tento proces se nazývá dláždění (podobně jako dláždění silnice dlažebními kostkami). Musí být provedeno tak, aby objem buněk byl stejný a plocha stěn byla minimální. O století později, v roce 1993, se vědcům z Trinity College Dublin Denisu Weirovi a Robertu Phelanovi podařilo Kelvinovo řešení zdokonalit. Prostor navrhli vydláždit polyedry o 12 a 14 plochách menší plochy.

Pěna se vyrábí přidáním nejen mýdla do vody, ale také žluči nebo výtažků z některých rostlin – saponárie, kořene levantinek (gypsophila) a kůry panamské (quillaja). Proč ale některé látky pěnění způsobují a jiné ne? Odpověď na tuto otázku doslova ležela, nebo spíše plavala na povrchu.

Fobie a filie

Pamatujte si, jak vypadají kapky rosy. Někdy se zdá, že kapky rosy na listech jsou odlité ze skla, jejich tvar je tak dokonalý. Dokonalost formy se vysvětluje tím, že molekuly vody (jako každá jiná kapalina) zažívají vzájemnou přitažlivost. Ty z nich, které jsou blízko povrchu kapky, nemají žádné „sousedy“ venku, takže celková síla jejich přitažlivosti směřuje do středu kapky. To má za následek, že se povrch zdánlivě smršťuje. Ve fyzice se tento jev nazývá povrchové napětí.

Kapky rosy, které se blíží tvaru koule, se nejčastěji tvoří na listech alchemilky, zimolezu, mnoha vodních rostlin (lekníny, žluté lekníny, lotos), dále na plodech slivoně nebo kdouloně. Listy a plody těchto rostlin jsou pokryty tenkou vrstvou rostlinných vosků, které vzhledem ke zvláštnostem struktury jejich molekul odpuzují vodu. Takové látky jsou prý hydrofobní (z řeckého hydros – voda a phobos – strach).

Jiné látky vodu naopak „milují“, proto se jim říká hydrofilní (z řeckého philia – láska). Není těžké je rozlišit: hydrofilní látky se zpravidla rozpouštějí ve vodě a jejich molekuly jsou polární, to znamená, že jedna část molekul nese slabý kladný náboj, druhá – slabý záporný náboj. Kapka vody (její molekuly jsou také polární), která narazila na hydrofilní povrch, se okamžitě šíří a snaží se obsadit co největší plochu.

Konečně existují molekuly, které mají současně hydrofilní i hydrofobní skupiny, nazývají se amfifilní (z řeckého amphys – obojí). Na povrchu vody tvoří tenkou vrstvu, ve které jsou hydrofilní oblasti obráceny k vodě a hydrofobní oblasti jsou obráceny ke vzduchu. Díky tomu získávají vnější molekuly vody v kapce hydrofilní sousedy, snižuje se povrchové napětí a tvoří se pěna. Mýdlová bublina je v podstatě tenká vrstva vody mezi dvěma vrstvami amfifilních molekul. Takové vlastnosti ale nemá jen mýdlo nebo šampon. Amfifilní je i většina lipidů, ze kterých jsou stavěny membrány buněk všech živých organismů, a molekuly téměř všech bílkovin, bez kterých si fenomén života samotného nelze představit. Tyto molekuly si zaslouží zvláštní zmínku.

Nejen marshmallows

Jak lze rozlišit dva roztoky – protein a sůl – když jsou v baňkách bez štítků? Každý student biochemie vám řekne, že stačí nádoby protřepat: tam, kde je bílkovina, se okamžitě objeví pěna. Tato metoda samozřejmě není bez nevýhod, ale v praxi se používá poměrně často. S proteinovou pěnou se setkáváme i v běžném životě: zkušené kuchařky přidávají do těsta bílky z kuřecích vajec, aby bylo nadýchanější, dělají z nich pusinky, marshmallow, pastilky a zephyry a ušlehají s nimi smetanu.

Molekuly proteinu jsou velmi velké: molekulová hmotnost průměrného proteinu je 3000krát větší než molekula vody a jsou vytvořeny jako kuličky z 20 typů aminokyselin. Vlastnosti a funkce každého proteinu závisí na vzájemném uspořádání a střídání aminokyselinových zbytků. Ve vodných roztocích jsou zpravidla hydrofobní aminokyseliny skryty uvnitř proteinové spirály a hydrofilní jsou umístěny na povrchu. Příroda ale vymyslela řadu výjimek, které jsou velmi užitečné pro ty, kterým je udělila.

Hovoříme o tzv. povrchově aktivních proteinech. Jejich aminokyselinový řetězec je uspořádán tak, že hydrofobní a hydrofilní oblasti jsou ostře ohraničeny. Přibližně totéž je pozorováno v molekule laurylsulfátu, který je součástí šamponů. Díky své „duplicity“ tvoří povrchově aktivní protein na povrchu kapaliny jakýsi film o tloušťce pouze jedné molekuly. Tento protein pokrývá povrch alveol v našich plicích a zabraňuje jejich kolapsu. Pokud by tam žádná povrchově aktivní látka nebyla, alveoly by se roztahovaly tak silně, jako řekněme mokrý plastový sáček, a dýchání by bylo nemožné.

Pěnová hnízda

Jednoho dne v létě roku 1987 objevila skupina biologů, kteří dorazili do Jižní Afriky, na kmenech stromů a na březích nedalekého jezera husté shluky pěny o velikosti několika desítek centimetrů. Pěna se nelišila od mýdla, ale odkud by se mýdlo v opuštěné oblasti mohlo vzít, zvláště na stromech? Očividně to byla něčí hnízda. A skutečně, když vědci odstranili horní vrstvu z jedné z pěnových formací, viděli snůšku vajec: nahnědlé kuličky byly pohřbeny v bílém jádru. K večeru se nám podařilo najít ty, kteří snesli vejce do pěny. Ukázalo se, že jde o africké šedé žáby druhu Chiromantis xerampelina.

Samotný fakt tvorby pěny živými organismy byl znám již dříve. Přírodovědci si této schopnosti všimli u samců některých ryb již v 10. století. O něco dříve popsal slavný taxonom Carl Linnaeus cikády, které obalily svá těla vrstvou pěny, objemově několikanásobně větší než samotný hmyz. Pokud jde o pěnu palmové žáby, ta přitáhla pozornost výzkumníků svými úžasnými vlastnostmi: pěnová hnízda přežívala v tropických vedrech až XNUMX dní, jen na okrajích mírně vysychala; Pěna dobře zadržovala vodu a nehnila. Chemický rozbor prokázal v žabí pěně přítomnost proteinu, který dostal název ranaspumin (z latinského rana – žába a spuma – pěna). Spolu se složitými cukry obsaženými ve výměšcích žabích žláz tvoří tento protein „kostru“ pěny a zabraňuje jejímu vysychání, dokud se z vajíček nevyvinou pulci.

Hnízda asijských žab domácích (Polypedates leucomystax) nejsou tak bílá jako u jejich afrických bratranců, ale mají podobnou strukturu a obsahují neobvyklý modrý protein zvaný ranasmurfin. Modrý protein je v přírodě extrémně vzácný. Zřejmě proto se jej vědci rozhodli pojmenovat podle modrých postaviček z americko-belgického animovaného seriálu Šmoulové, ačkoliv žabí hnízda vypadají spíše jako zelenošedá kvůli nízké koncentraci bílkovin a mnohonásobným lomům světla v pěně.

Některé mořské organismy, jako jsou pláštěnci, kteří tvoří velké kolonie na dně, produkují tolik pěny, že pokryje celé pobřeží. Stalo se tak například v roce 2005 v Chile, kdy skály pokryla metr silná vrstva zpěněné „pěny“. Plášťáci vedou sedavý způsob života, takže uvolňují do vody své reprodukční buňky spolu s bílkovinami tvořícími pěnu. V tomto případě funkci mixéru plní oceánský příboj a samotná pěna, jak si pamatujeme, snižuje povrchové napětí, takže oplodněná vajíčka snadno klesnou ke dnu.

Další protein, latherin, nacházející se v potu a slinách koní, byl donedávna považován pouze za alergen, který u citlivých lidí po kontaktu se zvířaty způsobuje svědění a kýchání. Mimochodem, alergie na kočky, nebo, jak se obvykle říká, na „kočičí chlupy“, je způsobena podobným proteinem obsaženým ve slinách chlupatých mazlíčků.

Vědci zjistili, že latherin obsahuje neobvykle vysoký obsah dvou hydrofobních aminokyselin, leucinu a isoleucinu: tvoří 71 z 228 zbytků, které tvoří molekulu. Teoreticky by laterin měl být podobný ranaspuminu. To je přesně ono. Když se tento protein uvolní s potem, vytvoří na kůži koně tenký film, který zvýší její smáčivost. Díky filmu se pot rovnoměrně rozprostře po těle a intenzivněji se odpařuje. Díky tomu se zvíře při běhu rychleji ochladí. Lidský pot obsahuje více solí než bílkovin, takže hůře zvlhčuje pokožku a objevuje se ve formě kapek, což znamená, že se déle odpařuje. Latherin obsažený ve slinách koní navíc obaluje tuhá vlákna rostlin, které zvíře požírá, což usnadňuje jejich další trávení.

Studium proteinových molekul pokračuje. Jsou tak rozmanité, úžasné a nepředvídatelné, jako je duhová a nepředvídatelná létající mýdlová bublina.