Agnes Pockelsová sa narodila v roku 1862 v Benátkach, takže ju môžeme považovať za svoju rodáčku (Benátky boli v tom čase súčasťou Rakúska). Ako pätnásťročná absolvovala s vynikajúcim prospechom vyššiu dievčenskú školu v Brunšvíku a ďalších tridsať rokov sa starala o domácnosť svojich chorých rodičov.
K výskumu javov prebiehajúcich na povrchu zamastenej vody priviedlo osemnásťročnú Agnes umývanie riadov. Prvotné zaujatie prešlo rýchlo do systematického pozorovania a neskôr do skutočného vedeckého experimentovania (hoci prebiehajúceho v kuchyni). Zhruba po desiatich rokoch venovaných výskumom špinavej vody sa Agnes dozvedela, že podobnými pokusmi sa v Anglicku zaoberá lord Rayleigh. A tak mu napísala list.
Experimenty opisované v liste sa dali rozdeliť do dvoch kategórií. Jednak na tie, ktoré už lord Rayleigh urobil, a jednak na tie, ktoré mu urobiť nenapadlo. Čo sa tých prvých týka, lord konštatoval veľmi dobrú zhodu so svojimi výsledkami. Čo sa týka tých druhých, hneď sa pustil do ich overovania a ďalšieho vylepšovania. Ešte predtým však poslal preklad listu (originál bol napísaný v nemčine) do časopisu Nature. Pretože mu bolo jasné, že ide o pozoruhodné veci.
.atómy
Čím sú vlastne mastné škvrny na vode také zaujímavé? Nuž, je toho veľa – od atómovej a molekulovej fyziky cez nanotechnológie až po molekulárnu biológiu. Tým, samozrejme, nechceme povedať, že Agnes Pockelsová (ktorá neskôr publikovala dve desiatky vedeckých prác) významným spôsobom prispela do všetkých týchto vedeckých disciplín. Ale svojím spôsobom stála pri ich zrode.
Vezmime si napríklad atómy a molekuly. Dnes vie každé dieťa, že látky sa skladajú práve z nich. Koncom 19. storočia to však bola len nedokázaná vedecká hypotéza, ktorá nebola ani zďaleka všeobecne prijatá. Experimentovanie s tenkými vrstvami rôznych látok na vodnej hladine predstavovalo celkom novú oblasť bádania, v rámci ktorej sa dala táto hypotéza veľmi netriviálne overovať.
Agnes napríklad zistila, že drobná kvapka oleja vytvorí na hladine škvrnu istej veľkosti, ktorá sa už ďalej nezväčšuje. Lord Rayleigh si okamžite uvedomil, že atómová hypotéza poskytuje pre túto skutočnosť celkom prirodzené vysvetlenie. Ak sa olej skladá z molekúl, potom má najtenšia možná vrstva hrúbku jednej molekuly. Keď dosiahne škvrna túto hrúbku, nemôže sa už viac rozširovať. A táto hrúbka sa dokonca dá celkom ľahko zmerať.
Ako? Nuž, pravítkom nie, na to je príliš malá. Ale pravítkom sa dá zmerať plocha, ktorú škvrna zaberá. No a ak poznáme objem kvapky, ktorá škvrnu vytvorila, môžeme hrúbku jednoducho vypočítať (objem = plocha ×hrúbka).
Meranie objemu kvapiek však nepredstavuje nijaký problém. Keď Agnes Pockelsová a lord Rayleigh tieto merania urobili, vyšlo im, že typický rozmer molekúl je na úrovni niekoľkých nanometrov. Boli to prvé dôveryhodné údaje o rozmeroch molekúl a atómov.
.nanotechnológie
O nanotechnológiách, t. j. o technikách manipulácie s jednotlivými atómami či molekulami, nemohla byť koncom 19. storočia reč ani v tých najodvážnejších sci-fi knižkách. A predsa, v nejakom zmysle používala nanotechológie už Agnes Pockelsová vo svojej kuchyni.
Agnes robila pomerne rafinované pokusy. Merala napríklad závislosť povrchového napätia znečistenej vody od relatívnej „intenzity“ tohto znečistenia. Povrchové napätie merala pomocou lekárnických váh a malého disku s priemerom 6 milimetrov (takto to opísala v spomínanom liste uverejnenom v Nature, v skutočnosti to bol gombík), relatívne znečistenie merala pomocou pohyblivej priehradky v malej plechovej vaničke.
Vďaka takýmto meraniam sa podarilo odhaliť zaujímavú a dlho záhadnú skutočnosť – niektoré mastné škvrny na vode vykazovali za istých podmienok prudkú zmenu vlastností. Takúto prudkú zmenu vlastností nazývame fázovým prechodom a dnes už vieme, že sa pri tom mení usporiadanie látky na atómovej úrovni.
V tom čase to však vôbec jasné nebolo, až kým do veci nevniesol svetlo H. Devaux svojím pôvabným experimentom so šošovicou. Devaux nechal plávať zrnká šošovice na hladine ortuti a postupne ich pohyblivou priehradkou stláčal vo vodorovnom smere. Zrnká sa k sebe približovali, až pokým nevytvorili súvislú vrstvu. Ak stláčanie pokračovalo, chvíľu sa nedialo nič, ale pri istom tlaku sa zrniečka šošovice preorientovali do vertikálnej polohy (pre jedno zrniečko je státie na hrane dosť ťažké, ale pre zrniečka, natlačené jedno na druhom, to nie je nijaký problém).
Kvalitatívna aj kvantitatívna analógia medzi správaním šošovice na ortuti a oleja na vode naznačovala, že s molekulami oleja sa deje v podstate to isté, čo so zrniečkami šošovice – t. j. že v dôsledku vonkajšieho tlaku menia svoju priestorovú orientáciu. Orientácia molekúl má pritom zásadný vplyv na vlastnosti olejovej škvrny. Vonkajšími manipuláciami teda Agnes menila polohu jednotlivých molekúl a tým aj vlastnosti celej látky. Tomu sa dnes hovorí nanotechnológie.
.monovrstvy
Mnohé z mastných škvŕn, ktoré Agnes skúmala, mali molekuly postavené na hrane aj bez vonkajšieho tlaku. Kto ich k tomu donútil? Bola to pozoruhodná súhra molekúl vody a molekúl lipidov (t. j. molekúl mastnoty – olejov a tukov).
Čo sú vlastne lipidy? Podľa jedného z dadaistických veršíkov, ktoré za našich čias tvorili (a dodnes tvoria) značnú časť stredoškolskej chémie, sú to „estery glycerolu a vyšších mastných kyselín“. My si namiesto toho povedzme len toľko, že molekuly lipidov sa skladajú z akejsi hlavičky a z chvostíkov, na ktorých je mimoriadne dôležitý ich vzťah k vode. Chvostíky vodu neľúbia, zatiaľ čo s hlavičkami je to komplikovanejšie – niektoré typy hlavičiek ju ľúbia, iné nie.
Mnohé oleje sú tvorené lipidmi, ktorých hlavička vodu ľúbi. Molekuly takýchto lipidov sa snažia usporiadať tak, aby do styku s vodou prichádzali vodomilné hlavičky, a nie neznášanlivé chvostíky. Na hladine to môžu dosiahnuť tak, že vystrčia chvostíky do vzduchu a ostanú ponorené iba hlavičkami. Toto sa im často darí lepšie v kolektíve, a tak na hladine vytvárajú akési súvislé vrstvičky (takzvané monovrstvy). Jednotlivé molekuly v takejto vrstvičke sa navzájom mierne priťahujú, takže vzniká akási blanka, ktorá drží pohromade a roztrhne sa len pod vplyvom nejakej vonkajšej sily.
A aký to má celé význam? Nuž, o tom by mohol hovoriť napríklad Irving Langmuir, ktorý dostal za výskum monovrstiev a ich praktického využitia Nobelovu cenu (mimochodom, experimentálne zariadenie, ktoré Langmuir používal, bolo len miernym vylepšením vaničky Agnes Pockelsovej). Ale nám už na to nezostáva miesto. Pretože ešte musíme povedať aspoň pár slov o mastných dvojvrstvách.
.dvojvrstvy
Ako si môžu lipidy chrániť svoje chvostíky, ak sú rozptýlené po celom objeme vody? Napríklad tak, že vytvoria akúsi dvojvrstvu, čo sú dve monovrstvy obrátené k sebe chvostíkmi. Takáto dvojvrstva má po oboch stranách hlavičky a chvostíky sú medzi nimi bezpečne ukryté.
Teda, až na okraje – tam sú chvostíky ešte stále zboku vystavené vode. Ale aj to sa dá vyriešiť. Jedna možnosť, ako sa vyhnúť problémom na okrajoch, je vyhnúť sa okrajom. Existujú aj plochy bez okrajov – napríklad povrch gule nemá nikde okraj. Ak sa teda dvojvrstve podarí vytvoriť niečo ako povrch gule, potom nijaké okraje existovať nebudú.
A ono sa jej to naozaj darí. Dvojvrstva lipidov sa vo vodnom prostredí dokáže uzavrieť a vytvoriť akýsi mech, v ktorom jedna vrstva hlavičiek tvorí vonkajšiu a druhá vnútornú vrstvu mechu. Takéto uzavreté lipidové dvojvrstvy tvoria základ bunkových membrán.
Membrána je to, čo oddeľuje vnútro bunky od zvyšku sveta. Bez membrán by neexistovali bunky, a teda ani život, ako ho poznáme. Súčasná veda nevie celkom presne odpovedať na otázku, ako vznikol život na Zemi, bez spontánneho vzniku lipidových dvojvrstiev vo vode by to však asi možné nebolo.
No kto by to bol na tú Agnešku a jej špinavú vodu povedal. Taká banalita, a koľko toho v sebe ukrýva.
K výskumu javov prebiehajúcich na povrchu zamastenej vody priviedlo osemnásťročnú Agnes umývanie riadov. Prvotné zaujatie prešlo rýchlo do systematického pozorovania a neskôr do skutočného vedeckého experimentovania (hoci prebiehajúceho v kuchyni). Zhruba po desiatich rokoch venovaných výskumom špinavej vody sa Agnes dozvedela, že podobnými pokusmi sa v Anglicku zaoberá lord Rayleigh. A tak mu napísala list.
Experimenty opisované v liste sa dali rozdeliť do dvoch kategórií. Jednak na tie, ktoré už lord Rayleigh urobil, a jednak na tie, ktoré mu urobiť nenapadlo. Čo sa tých prvých týka, lord konštatoval veľmi dobrú zhodu so svojimi výsledkami. Čo sa týka tých druhých, hneď sa pustil do ich overovania a ďalšieho vylepšovania. Ešte predtým však poslal preklad listu (originál bol napísaný v nemčine) do časopisu Nature. Pretože mu bolo jasné, že ide o pozoruhodné veci.
.atómy
Čím sú vlastne mastné škvrny na vode také zaujímavé? Nuž, je toho veľa – od atómovej a molekulovej fyziky cez nanotechnológie až po molekulárnu biológiu. Tým, samozrejme, nechceme povedať, že Agnes Pockelsová (ktorá neskôr publikovala dve desiatky vedeckých prác) významným spôsobom prispela do všetkých týchto vedeckých disciplín. Ale svojím spôsobom stála pri ich zrode.
Vezmime si napríklad atómy a molekuly. Dnes vie každé dieťa, že látky sa skladajú práve z nich. Koncom 19. storočia to však bola len nedokázaná vedecká hypotéza, ktorá nebola ani zďaleka všeobecne prijatá. Experimentovanie s tenkými vrstvami rôznych látok na vodnej hladine predstavovalo celkom novú oblasť bádania, v rámci ktorej sa dala táto hypotéza veľmi netriviálne overovať.
Agnes napríklad zistila, že drobná kvapka oleja vytvorí na hladine škvrnu istej veľkosti, ktorá sa už ďalej nezväčšuje. Lord Rayleigh si okamžite uvedomil, že atómová hypotéza poskytuje pre túto skutočnosť celkom prirodzené vysvetlenie. Ak sa olej skladá z molekúl, potom má najtenšia možná vrstva hrúbku jednej molekuly. Keď dosiahne škvrna túto hrúbku, nemôže sa už viac rozširovať. A táto hrúbka sa dokonca dá celkom ľahko zmerať.
Ako? Nuž, pravítkom nie, na to je príliš malá. Ale pravítkom sa dá zmerať plocha, ktorú škvrna zaberá. No a ak poznáme objem kvapky, ktorá škvrnu vytvorila, môžeme hrúbku jednoducho vypočítať (objem = plocha ×hrúbka).
Meranie objemu kvapiek však nepredstavuje nijaký problém. Keď Agnes Pockelsová a lord Rayleigh tieto merania urobili, vyšlo im, že typický rozmer molekúl je na úrovni niekoľkých nanometrov. Boli to prvé dôveryhodné údaje o rozmeroch molekúl a atómov.
.nanotechnológie
O nanotechnológiách, t. j. o technikách manipulácie s jednotlivými atómami či molekulami, nemohla byť koncom 19. storočia reč ani v tých najodvážnejších sci-fi knižkách. A predsa, v nejakom zmysle používala nanotechológie už Agnes Pockelsová vo svojej kuchyni.
Agnes robila pomerne rafinované pokusy. Merala napríklad závislosť povrchového napätia znečistenej vody od relatívnej „intenzity“ tohto znečistenia. Povrchové napätie merala pomocou lekárnických váh a malého disku s priemerom 6 milimetrov (takto to opísala v spomínanom liste uverejnenom v Nature, v skutočnosti to bol gombík), relatívne znečistenie merala pomocou pohyblivej priehradky v malej plechovej vaničke.
Vďaka takýmto meraniam sa podarilo odhaliť zaujímavú a dlho záhadnú skutočnosť – niektoré mastné škvrny na vode vykazovali za istých podmienok prudkú zmenu vlastností. Takúto prudkú zmenu vlastností nazývame fázovým prechodom a dnes už vieme, že sa pri tom mení usporiadanie látky na atómovej úrovni.
V tom čase to však vôbec jasné nebolo, až kým do veci nevniesol svetlo H. Devaux svojím pôvabným experimentom so šošovicou. Devaux nechal plávať zrnká šošovice na hladine ortuti a postupne ich pohyblivou priehradkou stláčal vo vodorovnom smere. Zrnká sa k sebe približovali, až pokým nevytvorili súvislú vrstvu. Ak stláčanie pokračovalo, chvíľu sa nedialo nič, ale pri istom tlaku sa zrniečka šošovice preorientovali do vertikálnej polohy (pre jedno zrniečko je státie na hrane dosť ťažké, ale pre zrniečka, natlačené jedno na druhom, to nie je nijaký problém).
Kvalitatívna aj kvantitatívna analógia medzi správaním šošovice na ortuti a oleja na vode naznačovala, že s molekulami oleja sa deje v podstate to isté, čo so zrniečkami šošovice – t. j. že v dôsledku vonkajšieho tlaku menia svoju priestorovú orientáciu. Orientácia molekúl má pritom zásadný vplyv na vlastnosti olejovej škvrny. Vonkajšími manipuláciami teda Agnes menila polohu jednotlivých molekúl a tým aj vlastnosti celej látky. Tomu sa dnes hovorí nanotechnológie.
.monovrstvy
Mnohé z mastných škvŕn, ktoré Agnes skúmala, mali molekuly postavené na hrane aj bez vonkajšieho tlaku. Kto ich k tomu donútil? Bola to pozoruhodná súhra molekúl vody a molekúl lipidov (t. j. molekúl mastnoty – olejov a tukov).
Čo sú vlastne lipidy? Podľa jedného z dadaistických veršíkov, ktoré za našich čias tvorili (a dodnes tvoria) značnú časť stredoškolskej chémie, sú to „estery glycerolu a vyšších mastných kyselín“. My si namiesto toho povedzme len toľko, že molekuly lipidov sa skladajú z akejsi hlavičky a z chvostíkov, na ktorých je mimoriadne dôležitý ich vzťah k vode. Chvostíky vodu neľúbia, zatiaľ čo s hlavičkami je to komplikovanejšie – niektoré typy hlavičiek ju ľúbia, iné nie.
Mnohé oleje sú tvorené lipidmi, ktorých hlavička vodu ľúbi. Molekuly takýchto lipidov sa snažia usporiadať tak, aby do styku s vodou prichádzali vodomilné hlavičky, a nie neznášanlivé chvostíky. Na hladine to môžu dosiahnuť tak, že vystrčia chvostíky do vzduchu a ostanú ponorené iba hlavičkami. Toto sa im často darí lepšie v kolektíve, a tak na hladine vytvárajú akési súvislé vrstvičky (takzvané monovrstvy). Jednotlivé molekuly v takejto vrstvičke sa navzájom mierne priťahujú, takže vzniká akási blanka, ktorá drží pohromade a roztrhne sa len pod vplyvom nejakej vonkajšej sily.
A aký to má celé význam? Nuž, o tom by mohol hovoriť napríklad Irving Langmuir, ktorý dostal za výskum monovrstiev a ich praktického využitia Nobelovu cenu (mimochodom, experimentálne zariadenie, ktoré Langmuir používal, bolo len miernym vylepšením vaničky Agnes Pockelsovej). Ale nám už na to nezostáva miesto. Pretože ešte musíme povedať aspoň pár slov o mastných dvojvrstvách.
.dvojvrstvy
Ako si môžu lipidy chrániť svoje chvostíky, ak sú rozptýlené po celom objeme vody? Napríklad tak, že vytvoria akúsi dvojvrstvu, čo sú dve monovrstvy obrátené k sebe chvostíkmi. Takáto dvojvrstva má po oboch stranách hlavičky a chvostíky sú medzi nimi bezpečne ukryté.
Teda, až na okraje – tam sú chvostíky ešte stále zboku vystavené vode. Ale aj to sa dá vyriešiť. Jedna možnosť, ako sa vyhnúť problémom na okrajoch, je vyhnúť sa okrajom. Existujú aj plochy bez okrajov – napríklad povrch gule nemá nikde okraj. Ak sa teda dvojvrstve podarí vytvoriť niečo ako povrch gule, potom nijaké okraje existovať nebudú.
A ono sa jej to naozaj darí. Dvojvrstva lipidov sa vo vodnom prostredí dokáže uzavrieť a vytvoriť akýsi mech, v ktorom jedna vrstva hlavičiek tvorí vonkajšiu a druhá vnútornú vrstvu mechu. Takéto uzavreté lipidové dvojvrstvy tvoria základ bunkových membrán.
Membrána je to, čo oddeľuje vnútro bunky od zvyšku sveta. Bez membrán by neexistovali bunky, a teda ani život, ako ho poznáme. Súčasná veda nevie celkom presne odpovedať na otázku, ako vznikol život na Zemi, bez spontánneho vzniku lipidových dvojvrstiev vo vode by to však asi možné nebolo.
No kto by to bol na tú Agnešku a jej špinavú vodu povedal. Taká banalita, a koľko toho v sebe ukrýva.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.