Historia polimerów - ebook

Rozdział 1: Biopolimery jako podstawa biosfery

W POSZUKIWANIU NICI ARIADNY

Gdybyśmy mogli cofnąć się w czasie o jakieś cztery miliardy lat i stanąć na bezludnej, wulkanicznej planecie, którą dopiero miano nazwać Ziemią, naszym oczom ukazałby się widok zarówno przytłaczający, jak i głęboko rozczarowujący. Nie byłoby ani śladu zieleni, żaden owad nie brzęczałby w rozgrzanym powietrzu, żadne stworzenie nie kryłoby się w cieniu skał. Byłoby to miejsce tak jałowe, tak całkowicie pozbawione życia, że trudno nam sobie wyobrazić, iż jest to ta sama planeta, na której dziś toczy się nasza codzienna egzystencja. A jednak gdzieś w tej pierwotnej zupie, w ciepłych kałużach oceanów, wśród uderzeń piorunów i promieniowania ultrafioletowego, zaczynała się dziać rzecz niezwykła. Powstawały pierwsze, nieśmiałe jeszcze, przypadkowe połączenia atomów węgla, wodoru, tlenu i azotu. I choć nikt tego wówczas nie rejestrował, była to chwila, od której wszystko się zaczęło. Bo to właśnie tam, w tym chemicznym chaosie, narodziła się idea łańcucha.

Kiedy niemiecki chemik Hermann Staudinger w latach dwudziestych XX wieku walczył o uznanie swojego rewolucyjnego poglądu, że istnieją cząsteczki o gigantycznych rozmiarach, zbudowane jak długie, cienkie łańcuchy, niewielu zdawało sobie sprawę, że ów spór sięga znacznie głębiej niż tylko do akademickich dysput. Staudinger, którego nazwisko na trwałe zapisało się w historii nauki, tak naprawdę zmuszał świat do przyjęcia do wiadomości, że życie samo w sobie opiera się na tym samym pomyśle. Zanim jeszcze człowiek nauczył się wytwarzać nylon, bakelit czy polietylen, natura przez miliardy lat doskonaliła swoją własną, niezwykle wyrafinowaną technologię polimerową. To, co dziś nazywamy biopolimerami, stanowi nie tylko budulec naszych ciał, ale również język, w którym zapisana jest nasza tożsamość, pamięć ewolucyjna i codzienny metabolizm. To właśnie one są fundamentem biosfery.

Gdy patrzymy na majestatyczny dąb, sięgający koroną ku niebu, rzadko myślimy o tym, że jego potęga opiera się na niezwykle prostym, a zarazem genialnym pomyśle. Celuloza, bo o niej mowa, jest najpowszechniej występującym polimerem organicznym na Ziemi. Biolodzy szacują, że każdego roku rośliny produkują jej około stu miliardów ton. Gdybyśmy chcieli to sobie jakoś wyobrazić, musielibyśmy pomyśleć o górze wysokiej na kilkadziesiąt kilometrów, sięgającej daleko poza stratosferę. Celuloza to polimer zbudowany z połączonych ze sobą cząsteczek glukozy, ale sposób tego połączenia ma kluczowe znaczenie. Glukoza, jak pamiętamy z lekcji biologii, jest podstawowym paliwem naszego organizmu. Kiedy jemy cukier, nasze komórki spalają go, by pozyskać energię. Jednak w celulozie te same cząsteczki glukozy połączone są w taki sposób, że żadne zwierzę, z nami włącznie, nie jest w stanie ich strawić bez pomocy wyspecjalizowanych bakterii.

Istnieje anegdota, która krąży w środowisku biochemików, opowiadająca o pewnym studentce, która podczas egzaminu z biochemii, zapytana o różnicę między skrobią a celulozą, odpowiedziała z rozbrajającą szczerością: „Skrobię jemy my, celulozę jedzą krowy, ale to my jemy krowy, więc ostatecznie i tak jemy celulozę”. Profesor podobno nie wiedział, czy się śmiać, czy płakać, ale w swojej logice studentka miała sporo racji. Celuloza jest bowiem nie tylko budulcem, ale również ogniwem w łańcuchu pokarmowym. To ona nadaje drewnu jego wytrzymałość, to ona sprawia, że łodygi roślin stoją wyprostowane, to ona wreszcie, w postaci bawełny, od tysiącleci okrywa nasze ciała.

W laboratorium, w którym przed laty pracowałem jako młody adiunkt, mieliśmy kolekcję różnych polimerów. Pewnego dnia przyszedł do nas starszy pan, emerytowany inżynier włókiennictwa, który chciał zobaczyć „prawdziwą celulozę pod mikroskopem”. Kiedy patrzył przez okular, jego twarz rozjaśniła się w uśmiechu. „Widzi pan,” powiedział do mnie, „ja całe życie pracowałem z bawełną, ale nigdy nie widziałem jej takiej. To jest jak las, prawda? Tysiące maleńkich drzewek, splecionych ze sobą.” I rzeczywiście, w skali mikroskopowej celuloza tworzy skomplikowaną, trójwymiarową sieć włókien, która jest jednocześnie delikatna i niezwykle wytrzymała.

Przechodząc od roślin do zwierząt, natrafiamy na inny fascynujący biopolimer — chitynę. Gdyby celuloza jest królestwem roślin, chityna panuje niepodzielnie w świecie stawonogów. Wszystkie te stworzenia, które pełzają, biegają, latają i gryzą nas podczas letnich wieczorów, noszą na sobie pancerze zbudowane właśnie z chityny. Jest to polimer niezwykle podobny do celulozy, ale z jednym, kluczowym dodatkiem — grupą zawierającą azot. To właśnie ta niewielka chemiczna modyfikacja sprawia, że chityna jest twardsza, bardziej odporna i trudniejsza do rozłożenia.

W muzeum historii naturalnej w Londynie znajduje się niezwykły eksponat — krab olbrzymi z wód japońskich. Jego odnóża mają rozpiętość prawie czterech metrów. Stojąc przed tą ogromną, brunatno-czerwoną skorupą, trudno oprzeć się wrażeniu, że patrzy się na żywy skamieniały okaz. A jednak to, co widzimy, to niemal czysta chityna, wzmocniona dodatkowo solami wapnia. Ten materiał jest tak wytrzymały, że stanowił inspirację dla twórców nowoczesnych kompozytów używanych w lotnictwie. Kiedy w latach dziewięćdziesiątych XX wieku naukowcy z MIT pracowali nad nowymi materiałami do budowy kadłubów samolotów, spędzili wiele godzin, badając właśnie strukturę pancerzy krabów i homarów. Odkryli, że natura stosuje tam niezwykle inteligentny system warstw i spiralnych ułożeń włókien, który doskonale rozprasza energię uderzenia. Czasem najlepszym inżynierem okazuje się ślepa ewolucja.

Z celulozą i chityną wiąże się również pewna osobliwa historia z czasów II wojny światowej. Otóż w obliczu niedoborów bawełny, niezbędnej do produkcji opatrunków i mundurów, Niemcy zaczęli eksperymentować z wykorzystaniem chityny do produkcji sztucznych nici chirurgicznych. Okazało się, że chityna ma niezwykłą właściwość — jest biodegradowalna w organizmie człowieka, a przy tym nie wywołuje reakcji alergicznych. To, co wtedy było wojennym eksperymentem, dziś stanowi podstawę nowoczesnej chirurgii. Nici z chitozanu, pochodnej chityny, są powszechnie używane do zszywania ran wewnętrznych. Rozpuszczają się same, gdy rana się zagoi, oszczędzając pacjentowi kolejnego zabiegu.

Kiedy jednak myślimy o biopolimerach w kontekście naszego własnego ciała, pierwszym skojarzeniem są białka. To one stanowią około piętnastu procent naszej masy ciała, nie licząc wody. Są zarówno budulcem, jak i maszynerią, która napędza wszystkie procesy życiowe. Weźmy choćby keratynę — białko, z którego zbudowane są nasze włosy, paznokcie, a u innych zwierząt także rogi, kopyta i pióra. Jest to materiał niezwykle wytrzymały, a przy tym elastyczny. Włosy, mimo że są tak cienkie, mogą wytrzymać obciążenie nawet do stu gramów. Matematyk z uniwersytetu w Cambridge, nieco znudzony wykładami z analizy matematycznej, obliczył kiedyś, że gdyby wszystkie włosy na głowie przeciętnego człowieka spleść w jeden gruby warkocz, utrzymałby on ciężar dwóch dorosłych słoni afrykańskich. Oczywiście, nikt nie zamierza tego eksperymentu przeprowadzać w praktyce, ale sama myśl jest zastanawiająca.

Keratynowe włosy mają jeszcze jedną, niezwykłą właściwość — mogą zmieniać swój kształt pod wpływem wilgoci i ciepła. Każda kobieta, która choć raz prostowała włosy żelazkiem, korzysta z tego zjawiska, nawet o tym nie wiedząc. Pod wpływem wysokiej temperatury wiązania wodorowe w keratynie ulegają rozerwaniu, a łańcuchy białkowe mogą się przesuwać względem siebie. Kiedy włosy stygną, tworzą się nowe wiązania, utrwalając nadany im kształt. To samo zjawisko, tylko w wersji naturalnej, odpowiada za niesforne loki w wilgotny dzień. Cząsteczki wody wnikają między łańcuchy keratyny, osłabiając wiązania i pozwalając włosom wrócić do swojego pierwotnego, „naturalnego” układu.

Koledze z wydziału chemii fizycznej zdarzyło się kiedyś podczas konferencji naukowej wygłosić prelekcję na temat mechanicznych właściwości keratyny, ilustrując ją slajdami z własnymi, dość już posiwiałymi włosami. Po wykładzie podeszła do niego starsza pani, emerytowana biolożka, i powiedziała: „Panie profesorze, to fascynujące, co pan mówił o tych wiązaniach wodorowych. Ale ja przez całe życie układałam włosy, używając tylko grzebienia i odrobiny wody. I zawsze wychodziły tak, jak chciałam. Proszę mi powiedzieć — czy ja byłam chemiczką, nie wiedząc o tym?” Kolega, z właściwą sobie swadą, odparł: „Proszę pani, gotowanie jajka też jest chemią, ale nikt nie nazywa się przez to chemikiem. Pani po prostu, jak przystało na biologa, stosowała sprawdzone metody in vivo”.

Innym fascynującym białkiem, bez którego nie moglibyśmy istnieć, jest kolagen. Stanowi on około jednej trzeciej wszystkich białek w naszym organizmie. To on buduje ścięgna, więzadła, skórę, kości, rogówkę oka. Jest to białko o niezwykle regularnej strukturze — trzy łańcuchy polipeptydowe skręcone w potrójną helisę, przypominającą linę. Ta struktura daje kolagenowi ogromną wytrzymałość na rozciąganie. Ścięgno Achillesa, zbudowane głównie z kolagenu, może wytrzymać obciążenie kilkuset kilogramów, zanim ulegnie zerwaniu.

W średniowieczu, na długo przed tym, zanim ktokolwiek słyszał o białkach czy polimerach, europejscy introligatorzy odkryli, że gotując skóry zwierzęce, otrzymują klej, który doskonale wiąże karty książek. Nie wiedzieli, że to kolagen ulega hydrolizie, tworząc żelatynę. Przechowywali tę wiedzę jako tajemnicę cechową, przekazywaną z ojca na syna. Dziś wiemy, że wiele starożytnych ksiąg zawdzięcza swoje przetrwanie właśnie kolagenowi. Gdyby nie ten biopolimer, średniowieczne manuskrypty rozpadłyby się dawno temu w proch.

Najbardziej jednak intrygującym białkiem, przynajmniej z mojego punktu widzenia, jest fibroina jedwabiu. Jedwab, ten luksusowy materiał, od wieków kojarzony z bogactwem i elegancją, jest czystym produktem natury. Produkują go gąsienice jedwabnika morwowego, zwijając się w kokon, by przepoczwarczyć się w motyla. Gdybyśmy mogli zajrzeć do wnętrza takiej gąsienicy, zobaczylibyśmy niezwykły proces. Otóż w jej ciele znajdują się dwa gruczoły, w których produkowane jest białko fibroiny. Białko to jest gęstą, lepką cieczą. Kiedy gąsienica jest gotowa do budowy kokonu, przepycha tę ciecz przez maleńki otwór w głowie — tzw. przędną. Po drodze fibroina miesza się z drugim białkiem — serycyną, która pełni rolę kleju. W kontakcie z powietrzem mieszanina tężeje, tworząc jedwabną nić.

Przez wieki ludzie myśleli, że jedwab jest po prostu cienką nicią, którą gąsienica wydziela z ust. Dopiero w XX wieku, pod mikroskopem elektronowym, odkryto jego prawdziwą strukturę. Okazało się, że jedna nić jedwabiu składa się z tysięcy jeszcze cieńszych włókienek, ułożonych równolegle do siebie. Ta hierarchiczna struktura sprawia, że jedwab jest nie tylko delikatny i miły w dotyku, ale też zaskakująco wytrzymały. Nici pajęcze, które też są formą jedwabiu, choć produkowaną przez pająki, mają wytrzymałość na rozciąganie przewyższającą stal. Gdybyśmy potrafili tkać pajęczy jedwab w takiej skali, w jakiej produkujemy stal, mielibyśmy materiał idealny do budowy mostów i wieżowców.

Znam historię pewnego entomologa z uniwersytetu w Würzburgu, który przez lata badał pajęczyny. Pewnego razu, podczas wykładu dla studentów biologii, przyniósł ze sobą kawałek pajęczyny zebranej w ogrodzie botanicznym. Rozpiął ją na szklanej ramce i zaczął opowiadać o jej właściwościach. W pewnym momencie, chcąc zademonstrować wytrzymałość, położył na pajęczynie mały klucz. Ku zaskoczeniu wszystkich, klucz nie spadł. Pajęczyna wytrzymała jego ciężar. „Widzicie państwo,” powiedział wtedy, „ta delikatna, niemal niewidoczna sieć jest w stanie utrzymać przedmiot wielokrotnie od siebie cięższy. Gdybyśmy potrafili tkać takie sieci na masową skalę, stalownie mogłyby zbankrutować”. Niestety, hodowla pająków na skalę przemysłową jest niemożliwa — pająki są terytorialne i zjadają się nawzajem. Dlatego naukowcy uczą się dziś produkować sztuczny pajęczy jedwab, wykorzystując do tego celu bakterie, drożdże, a nawet kozy, do których DNA wprowadza się geny pająków. To brzmi jak science fiction, ale to już się dzieje. W laboratoriach w Utah i w Heidelbergu takie transgeniczne kozy produkują w swoim mleku białko pajęczego jedwabiu.

Wszystkie te biopolimery — celuloza, chityna, keratyna, kolagen, fibroina — są niezwykle ważne, ale to nie one stanowią o istocie życia w tym sensie, w jakim zwykle o nim myślimy. Prawdziwym cudem są dwa inne polimery, tak małe, że nie widać ich pod zwykłym mikroskopem, a tak potężne, że zawierają w sobie instrukcję budowy całego organizmu. Mowa oczywiście o kwasach nukleinowych — DNA i RNA.

Kiedy w 1953 roku James Watson i Francis Crick wpadli do pubu Eagle w Cambridge i ogłosili, że „odkryli tajemnicę życia”, nie byli do końca precyzyjni. To, co odkryli, to struktura DNA — podwójna helisa, która od razu zasugerowała, w jaki sposób ta cząsteczka może być kopiowana i przekazywać informację. Ale sam fakt, że DNA jest polimerem, był wtedy już znany od lat. To zasługa szwajcarskiego biochemika Friedricha Mieschera, który w 1869 roku, badając komórki ropy, wyizolował nieznaną dotąd substancję bogatą w fosfor. Nazwał ją „nukleiną”, bo pochodziła z jądra komórkowego. Miescher nie miał pojęcia, co jego odkrycie oznacza. Podejrzewał, że to jakiś magazyn fosforu dla organizmu. Nie mógł przewidzieć, że trzyma w rękach klucz do zrozumienia dziedziczności.

Gdybyśmy chcieli opisać DNA w kategoriach polimerowych, musielibyśmy powiedzieć, że jest to kopolimer, zbudowany z czterech różnych monomerów — nukleotydów oznaczanych literami A, T, G, C. To, co odróżnia DNA od wszystkich innych polimerów, to fakt, że sekwencja tych monomerów nie jest przypadkowa. Niesie ona ze sobą informację, tak jak ciąg liter w tym zdaniu niesie ze sobą znaczenie. Gdybyśmy zmienili kolejność liter w poprzednim zdaniu, straciłoby ono sens. Gdybyśmy zmienili kolejność nukleotydów w genie, powstałoby inne białko, a to mogłoby oznaczać chorobę, a nawet śmierć organizmu.

Pamiętam rozmowę z pewnym filozofem nauki, który zarzucił mi kiedyś, że chemicy zbyt mechanistycznie podchodzą do życia. „Dla was,” mówił, „człowiek to tylko worek polimerów. Białka, cukry, kwasy nukleinowe. Gdzie w tym wszystkim jest dusza? Gdzie jest świadomość?” Odpowiedziałem mu wtedy: „Proszę pana, czy fakt, że Symfonia Beethovenowska jest tylko ciągiem nut ułożonych w odpowiedniej kolejności, umniejsza jej wartość? Czy fakt, że »Pan Tadeusz« to tylko układ liter na papierze, sprawia, że nie warto go czytać? My, chemicy, nie twierdzimy, że życie jest tylko polimerami. My twierdzimy, że bez tych polimerów nie byłoby żadnego »życia«, o którym moglibyśmy dyskutować. To one są materią, w której duch, jeśli pan woli, może się wyrazić”.

DNA jest jak bibliotekarz, który przechowuje księgi, ale sam ich nie czyta. Do odczytania informacji potrzebny jest drugi polimer — RNA. To on przepisuje fragmenty DNA i przenosi je do fabryk białek — rybosomów, gdzie na podstawie tej informacji składane są aminokwasy w łańcuchy polipeptydowe. Ten proces — od DNA przez RNA do białka — jest tak fundamentalny dla życia, że biolodzy nazywają go „centralnym dogmatem biologii molekularnej”. To niezwykłe, że cała różnorodność życia na Ziemi, od bakterii po wieloryby, od muchomora po sekwoję, opiera się na tym samym, prostym pomyśle: informacja zapisana w polimerze jest odczytywana i tłumaczona na inny polimer, który pełni funkcje strukturalne lub enzymatyczne.

Kiedy w latach osiemdziesiątych XX wieku rozpoczęto projekt poznania ludzkiego genomu, naukowcy stanęli przed zadaniem niebywałej skali. Chodziło o odczytanie sekwencji trzech miliardów par nukleotydów. Gdyby wydrukować tę sekwencję w książkach formatu encyklopedii, zajęłaby całą ścianę od podłogi do sufitu w przeciętnym mieszkaniu. A jednak ta gigantyczna biblioteka mieści się w jądrze każdej naszej komórki, w cząsteczce DNA, która po rozwinięciu miałaby około dwóch metrów długości. To tak, jakby upchnąć dwukilometrową nić w orzechu włoskim.

Ewolucja, ta ślepa siła napędowa, doskonale zdawała sobie sprawę z zalet polimerów. Wybrała je nieprzypadkowo. Po pierwsze, łańcuchowa struktura pozwala na osiągnięcie ogromnej różnorodności przy użyciu ograniczonej liczby prostych elementów. Z kilku aminokwasów można zbudować miliony różnych białek, tak jak z kilkudziesięciu liter można ułożyć nieskończoną liczbę zdań. Po drugie, łańcuchy są wytrzymałe, a jednocześnie podatne na modyfikacje. Można je ciąć, sklejać, skręcać, tworzyć z nich sieci. Po trzecie wreszcie — i to chyba najważniejsze — łańcuchy mogą przenosić informację. Sekwencja ogniw w łańcuchu jest jak alfabet, w którym zapisano instrukcję budowy i funkcjonowania organizmu.

Zastanawialiście się kiedyś, dlaczego jedwabnik produkuje jedwab, a krowa w tym samym czasie trawi trawę? Odpowiedź tkwi w polimerach. Jedwabnik ma w swoim DNA geny kodujące białko fibroiny. Krowa ma geny kodujące enzymy trawiące celulozę (za pośrednictwem bakterii, ale to już inna historia). To właśnie polimery, te długie, cienkie łańcuchy atomów, są architektami życia. One decydują o tym, jak wyglądamy, co jemy, jak się poruszamy i jak myślimy. Nawet nasze wspomnienia, nasze emocje, nasze „ja” — wszystko to ma swoje fizyczne podłoże w sieciach połączeń między neuronami, które same zbudowane są z polimerów i komunikują się za pomocą polimerowych przekaźników.

Czy zatem Hermann Staudinger, kiedy w 1953 roku odbierał Nagrodę Nobla, zdawał sobie sprawę, że jego walka o uznanie makrocząsteczek toczyła się nie tylko o suchą, akademicką prawdę, ale o zrozumienie samej istoty życia? Sądzę, że tak. W swoim wykładzie noblowskim mówił o tym, że „życie jest zjawiskiem chemicznym”, a jego materialnym podłożem są właśnie te gigantyczne cząsteczki. Nie wszyscy mu wtedy wierzyli. Dziś, siedemdziesiąt lat później, wiemy, że miał rację. Jesteśmy chodzącymi, myślącymi, kochającymi i cierpiącymi polimerami. I nie ma w tym stwierdzeniu ani krztyny cynizmu. Jest w nim za to ogromny podziw dla natury, która z tak prostych składników potrafiła zbudować tak niezwykły, złożony i piękny świat.

Kiedy kończę ten rozdział, spoglądam przez okno na stary dąb rosnący w parku naprzeciwko mojego domu. Widzę jego potężny pień, konary wyciągnięte ku słońcu, liście szeleszczące na wietrze. I myślę sobie: to wszystko celuloza. Ten dąb, który stoi tu od dwustu lat, który widział powstanie i upadek imperiów, który przetrwał wojny i rewolucje, jest zbudowany z tego samego materiału, z którego zrobiona jest kartka papieru, na której piszę te słowa. A przecież jest czymś więcej. Jest żywy, oddycha, rośnie, rozmnaża się. I to „więcej” bierze się właśnie z polimerów — z DNA w każdej jego komórce, z białek w każdym jego liściu. To fascynujące, że coś tak niezwykłego jak życie opiera się na tak prostej, a zarazem genialnej zasadzie: budowania długich łańcuchów z krótkich ogniw. To architektura łańcuchów, która stanowi fundament biosfery. I to od niej zaczyna się nasza opowieść.Rozdział 2: Intuicyjna technologia polimerowa starożytności

GDY RZEMIOSŁO WYPRZEDZAŁO NAUKĘ O TYSIĄCLECIA

Zanim człowiek nauczył się pisać, zanim wzniósł pierwsze piramidy, zanim jakikolwiek filozof zadał pytanie o naturę bytu, istniała już chemia polimerów. Nie nazywano jej oczywiście tym mianem, nie zapisywano w księgach, nie nauczano na uniwersytetach. Była to wiedza czysto praktyczna, przekazywana z pokolenia na pokolenie szeptem przy ogniskach, pilnie strzeżona tajemnica rodów i cechów. Była to technologia intuicyjna, wyrosła z uważnej obserwacji natury i cierpliwego eksperymentowania metodą prób i błędów. I choć jej twórcy nie mieli pojęcia o istnieniu makrocząsteczek, łańcuchów polimerowych czy wiązań poprzecznych, potrafili dokonywać rzeczy, które do dziś wprawiają w osłupienie chemików i inżynierów materiałowych.

Gdy w latach dziewięćdziesiątych XX wieku amerykańscy archeolodzy natrafili w Meksyku na doskonale zachowane piłki gumowe sprzed trzech i pół tysiąca lat, przez długi czas nie mogli pojąć, jak to możliwe, by kauczuk naturalny przetrwał tak długo, nie tracąc swoich elastycznych właściwości. W końcu guma, jaką znali z codziennego doświadczenia, starzeje się, pęka, kruszeje. A te piłki — choć wiekowe — wciąż sprężynowały, gdy rzucono je o podłogę laboratorium. Rozwiązanie zagadki przyszło dopiero wtedy, gdy zespół chemików z Massachusetts Institute of Technology poddał je szczegółowej analizie. Okazało się, że starożytni Olmekowie, a później Majowie i Aztekowie, posiedli tajemnicę, którą świat zachodni miał odkryć na nowo dopiero w 1839 roku za sprawą Charlesa Goodyeara. Potrafili wulkanizować kauczuk.

Różnica polegała na tym, że Goodyear używał siarki i wysokiej temperatury, podczas gdy Mezoamerykanie stosowali sok z pnącza wilca (Ipomoea alba), rośliny pospolitej w tamtych rejonach. Mieszali mleczko kauczukowe z sokiem wilca w odpowiednich proporcjach, a następnie podgrzewali całość nad ogniem. Powstawał materiał o właściwościach zależnych od proporcji składników. Gdy chcieli uzyskać twardą, sztywną masę na podeszwy sandałów, dodawali więcej soku wilca. Gdy potrzebowali sprężystego, elastycznego tworzywa na piłki, zmniejszali jego ilość. To była inżynieria materiałowa w najczystszej postaci, choć uprawiana przez ludzi, którzy wierzyli, że kauczuk jest krwią drzew, a wilec darem bogów.

Kiedy po raz pierwszy przeczytałem o tych badaniach, pomyślałem o moim starym profesorze od chemii fizycznej, który lubił powtarzać, że „nauka to sztuka zadawania pytań przyrodzie i rozumienia jej odpowiedzi”. Olmekowie nie potrafiliby zapewne sformułować pytania w języku współczesnej chemii, ale doskonale rozumieli odpowiedzi, jakich udzielała im natura. Wiedzieli, że jeśli zmieszają lateks z sokiem wilca w stosunku mniej więcej dwa do jednego, otrzymają masę idealną na piłkę do rytualnej gry w ullamaliztli. Wiedzieli też, że czas podgrzewania ma znaczenie. Za krótko — guma będzie zbyt lepka. Za długo — straci sprężystość. To była wiedza empiryczna gromadzona przez pokolenia, zapisywana nie w zwojach papirusu, lecz w pamięci mistrzów przekazujących swój kunszt uczniom.

Hiszpańscy konkwistadorzy, którzy w XVI wieku po raz pierwszy zetknęli się z tymi dziwnymi, skaczącymi piłkami, nie potrafili docenić kunsztu ich twórców. Bernal Díaz del Castillo, towarzysz Hernána Cortésa, zanotował w swoich pamiętnikach zdumienie na widok gry, w której „piłka odbijała się i skakała tak żywo, że nie sposób było nadążyć za nią wzrokiem”. Nie zastanawiał się jednak, jakim cudem gumowa kula zachowuje sprężystość przez całe godziny gry. Dla niego był to po prostu kolejny przejaw egzotycznej odmienności Nowego Świata. A przecież trzymał w rękach dowód na to, że cywilizacja, którą przyszli podbić i zniszczyć, dysponowała technologią, do której Europa miała dopiero dojrzeć za trzysta lat.

Przenieśmy się jednak na drugą stronę globu, na Bliski Wschód, skąd pochodzi inna, równie fascynująca opowieść o intuicyjnej technologii polimerowej. Asfalt, znany również jako bitum, to naturalnie występująca mieszanina węglowodorów, którą nasi przodkowie odkryli prawdopodobnie równie dawno, jak nauczyli się rozniecać ogień. W Mezopotamii, krainie między Tygrysem a Eufratem, gdzie kamień budowlany był towarem deficytowym, asfalt stał się materiałem wręcz strategicznym. To nim uszczelniano kosze z trzciny, w których pływano po rzekach. To nim spajano cegły w murach Babilonu. To nim wreszcie pokrywano wnętrza kanałów irygacyjnych, by woda nie przesiąkała w suchy, spragniony piasek.

Archeolog pracujący w Ur natrafił kiedyś na inskrypcję klinową, która okazała się być swoistą „instrukcją obsługi” asfaltu. Starożytny autor, prawdopodobnie nadzorca robót budowlanych, skrupulatnie notował, w jakich proporcjach mieszać bitum z sieczką, piaskiem i tłuczniem, by uzyskać masę o odpowiedniej konsystencji i wytrzymałości. Do dziś zachowały się fragmenty ulic w Babilonie, gdzie asfaltową zaprawą spojono płyty kamienne. Przez tysiące lat deptali po nich mieszkańcy miasta, targali towary osły, toczyły się rydwany królów. A asfalt trzymał się dzielnie, nie kruszejąc, nie pękając, nie tracąc swych właściwości. Gdyby jakiś chemik sprzed stu lat mógł pobiec próbkę tej zaprawy i zbadać ją w laboratorium, ze zdumieniem stwierdziłby, że starożytni Mezopotamczycy instynktownie dobierali kompozycję tak, by zoptymalizować właściwości reologiczne mieszanki. Nie znali pojęcia lepkości, modułu Younga czy naprężeń ścinających, ale wiedzieli, że zbyt dużo piasku daje masę kruchą, a zbyt mało — zbyt plastyczną.

Kiedy jako student pierwszy raz usłyszałem o tych mezopotamskich praktykach, przyszła mi do głowy refleksja, którą podzieliłem się z moim wykładowcą. „To fascynujące”, powiedziałem, „że oni potrafili tworzyć materiały kompozytowe na długo przed tym, zanim ktokolwiek pomyślał o ich teoretycznym opisaniu”. Profesor spojrzał na mnie znać okularów i odparł sucho: „Młody człowieku, to, że nie umieli tego opisać, nie znaczy, że nie rozumieli. Rozumieli na swój sposób — poprzez ręce, poprzez dotyk, poprzez wieloletnie doświadczenie. Dziś myślimy, że rozumienie to wzory i równania. A oni wiedzieli, że ta konkretna mieszanka, z tej konkretnej żyły bitumu, z dodatkiem piasku znad Eufratu, będzie służyć przez pokolenia. I mieli rację, bo ich budowle stoją do dziś, podczas gdy niejedna nasza, opisana najpiękniejszymi wzorami, rozpadła się po dwudziestu latach”.

Równie stara jak obróbka kauczuku i asfaltu jest technologia garbowania skór. Zanim człowiek nauczył się tkać tkaniny, okrywał się skórami upolowanych zwierząt. Szybko jednak musiał zauważyć, że surowa skóra, choć ciepła i wytrzymała, ma jedną zasadniczą wadę — gnije. W wilgotnym klimacie, przy dłuższym użytkowaniu, zaczynała wydzielać nieprzyjemny zapach, twardniała, pękała, w końcu rozpadała się na kawałki. Problem był poważny, bo od niego zależało przetrwanie w trudnych warunkach. I znów natura podsunęła rozwiązanie, a człowiek okazał się na tyle spostrzegawczy, by je dostrzec i wykorzystać.

Najstarsze metody garbowania były zaskakująco proste, a zarazem skuteczne. Wystarczyło natrzeć skórę tłuszczem zwierzęcym, najlepiej mózgowym, i wystawić na działanie dymu z ogniska. Tłuszcz wnikając między włókna kolagenu, wypierał wodę i tworzył barierę ochronną. Dym zawierał związki fenolowe, które dodatkowo konserwowały białko i nadawały skórze charakterystyczny, brązowawy odcień. Metoda ta, zwana garbowaniem tłuszczowym, przetrwała tysiąclecia i była stosowana przez ludy pierwotne na wszystkich kontynentach.

Z czasem odkryto skuteczniejsze metody. W starożytnym Egipcie stosowano wapno gaszone do usuwania sierści, a następnie zanurzano skóry w kąpielach z kory akacji, bogatej w garbniki roślinne. W Europie podstawowym surowcem garbarskim stała się kora dębu. Proces nazywano dębieniem i trwał on od kilku tygodni do nawet kilku miesięcy. Skóry układano w dołach warstwami, przesypując zmieloną korą i zalewając wodą. Co jakiś czas przenoszono je do nowych dołów, ze świeżą korą i świeżą wodą, stopniowo zwiększając stężenie garbników. To była praca żmudna, brudna, cuchnąca, ale jej efekt był zdumiewający. Skóra po takiej obróbce nabierała niezwykłej trwałości, odporności na wilgoć i elastyczności. Mogła służyć przez dziesięciolecia.

W średniowieczu garbarze stanowili odrębną grupę zawodową, otoczoną tajemnicą i często izolowaną od reszty społeczności. Nie bez powodu ich warsztaty lokowano na obrzeżach miast, nad rzekami, by smród gnijących skór i wapna nie zatruwał życia mieszczanom. Ale ta izolacja miała też drugie dno — chroniła tajemnice zawodowe. Każdy garbarski ród miał swoje receptury, swoje proporcje, swoje sekrety. Wiedza przekazywana była z ojca na syna, a wtajemniczeni przysięgali milczenie.

Homer w Iliadzie pozostawił nam niezwykły opis procesu garbowania. W księdze siedemnastej czytamy: „Jak garbarz, namaściwszy tłuszczem skórę wołu, każe ją mnóstwu ludzi uchwycić pospołu: ci, gdy równo pociągną, wraz się skóra poci, a tłustość w nią wstępuje na miejsce wilgoci”. Ten fragment, choć powstał prawie trzy tysiące lat temu, jest zadziwiająco precyzyjny. Opisuje istotę garbowania tłuszczowego — zastąpienie wody w przestrzeniach między włóknami kolagenu tłuszczem, który nie ulega odparowaniu i nie stanowi pożywki dla bakterii. Homer nie był chemikiem, nie wiedział nic o białkach ani o wiązaniach wodorowych. A jednak potrafił jednym obrazem oddać sedno procesu, który chemicy opisali szczegółowo dopiero w XIX wieku.

Równolegle z garbarstwem rozwijała się inna gałąź intuicyjnej technologii polimerowej — obróbka włókien roślinnych. Len i konopie towarzyszą człowiekowi od zarania dziejów. Z ich włókien tkano płótna, wyplątano sieci, sznury, liny. Ale zanim len stał się tkaniną, musiał przejść długą i skomplikowaną drogę przetwarzania.

Gdy archeolodzy z Uniwersytetu Południowej Danii postanowili w 2010 roku odtworzyć w ramach eksperymentu historycznego koszulę z Viborga, pochodzącą z XI wieku, stanęli przed zadaniem niezwykle pouczającym. Postanowili przejść całą ścieżkę — od zasiania lnu, przez jego zbiór, obróbkę, przędzenie, tkanie, aż po uszycie koszuli. I to, co odkryli, było dla nich samych zaskakujące.

Okazało się bowiem, że len jest materiałem niezwykle kapryśnym. Żeby uzyskać włókno wysokiej jakości, trzeba go siać w odpowiednim zagęszczeniu, odpowiednio nawozić, ale nie przenawozić, bo wtedy włókno staje się grube i szorstkie. Trzeba go zebrać w odpowiednim momencie, nie za wcześnie, nie za późno. Potem wymoczyć lub wyrosić, by oddzielić włókna od zdrewniałej łodygi. Wysuszyć, ale nie przesuszyć. Zmiędlić, wytrzepać, wyczesać.

Samo międlenie, czyli łamanie zdrewniałej części łodygi, okazało się zadaniem żmudnym i wymagającym wprawy. Eksperymentatorzy z Danii używali drewnianych bijaków oraz międlic — narzędzi wzorowanych na średniowiecznych znaleziskach. Bijak okazał się tak nieefektywny, że po kilku próbach niemal z niego zrezygnowali. Międlica dawała lepsze rezultaty, ale i tak z 8 kilogramów słomy lnianej uzyskiwali zaledwie 2 kilogramy produktu nadającego się do dalszej obróbki. A potem przychodziło czesanie, które redukowało tę masę o kolejne połowę. Z pierwotnych 8 kilogramów słomy zostawało w końcu około 500 gramów delikatnego, czesanego lnu, z którego można było uprząść cienką, miękką nić.

A przędzenie to była osobna historia. Koszula z Viborga miała splot około 22 nici na centymetr. Żeby utkać taki materiał, potrzeba było ponad 10 kilometrów nici. Doświadczona prządka, pracująca na wrzecionie, była w stanie uprząść w ciągu godziny około 30 metrów nici. Proste obliczenia pokazują, że samo przędzenie nici na jedną koszulę zajmowało około 350 godzin. Do tego dochodziło tkanie na krośnie pionowym, które też trwało tygodniami. Gdy zsumowano cały czas pracy — od przygotowania pola do gotowej koszuli — okazało się, że jedna taka szata pochłaniała około tysiąca roboczogodzin. Tysiąca godzin ludzkiej pracy, skupienia, uwagi, kunsztu.

Kiedy przeczytałem raport z tego eksperymentu, przypomniała mi się rozmowa z pewnym historykiem gospodarki, który opowiadał o wartości tkanin w dawnych wiekach. „Dziś”, mówił, „myślimy, że tkanina to coś taniego, bo możemy kupić koszulę w supermarkecie za kilkadziesiąt złotych. W średniowieczu dobra koszula lniana była przedmiotem luksusowym, wartym tyle co krowa albo kilka owiec. I nie bez powodu — tysiąc godzin pracy jednej osoby to jest właśnie cena krowy”. To radykalnie zmienia perspektywę. Okazuje się, że rzeczy, które dziś uważamy za pospolite, banalne, w istocie kryją w sobie ogromny nakład ludzkiego wysiłku i umiejętności.

Obróbka wełny była nieco prostsza, ale też wymagała kunsztu. Owce strzyżono dwa razy do roku, wełnę prano, gręplowano, czyli rozczesywano, by wyrównać włókna. Potem przędziono na wrzecionie lub kole, tkano na krosnach, a na koniec folowano, czyli spilśniano, by tkanina zgęstniała i nabrała wodoodporności. Każdy z tych etapów był okazją do doskonalenia warsztatu, do wypracowania lokalnych tradycji, do tworzenia tkanin o unikalnych właściwościach i wzorach.

W średniowiecznej Polsce słynęły zwłaszcza tkaniny łowickie, z ich charakterystycznymi pasiakami, oraz dwuosnowowe tkaniny z Podlasia, gdzie wzór był taki sam po obu stronach. To wymagało niezwykłego kunsztu tkackiego, umiejętności planowania i cierpliwości. Każda taka tkanina była dziełem sztuki, choć jej twórczynie zapewne nie myślały o sobie w tych kategoriach. One po prostu wykonywały swoją pracę, najlepiej jak potrafiły, przekazując umiejętności córkom i wnuczkom.

Zastanawiając się nad tymi starożytnymi i średniowiecznymi technologiami, nie mogę oprzeć się refleksji, że ich twórcy byli w pewnym sensie szczęśliwsi od nas. Nie dręczyła ich potrzeba teoretycznego uzasadnienia, nie musieli publikować w prestiżowych czasopismach, nie zabiegali o granty na badania. Po prostu pracowali z materiałem, dzień po dniu, rok po roku, doskonaląc swój warsztat. Ich wiedza była zakorzeniona w dotyku, w zapachu, w wieloletnim doświadczeniu. Wiedzieli, że skóra jest gotowa, gdy po naciśnięciu palcem pozostawia ślad, ale nie pęka. Wiedzieli, że len jest dobrze wyczesany, gdy włókna są jedwabiste i układają się równo. Wiedzieli, że mieszanka kauczuku z sokiem wilca ma odpowiednią konsystencję, gdy po uformowaniu kulki odbija się od ziemi na wysokość kolana.

Czy to była wiedza gorsza od naszej? Inna — na pewno. Mniej precyzyjna w sensie laboratoryjnym — z pewnością. Ale czy mniej skuteczna? O tym niech świadczą zachowane do dziś przedmioty — gumowe piłki sprzed trzech tysięcy lat, asfaltowe posadzki z Babilonu, skórzane sandały egipskich faraonów, lniane koszule wikińskich wojowników. Ich twórcy nie znali pojęcia „polimer” ani „makrocząsteczka”. A jednak instynktownie pojmowali architekturę łańcuchów lepiej niż nie jeden współczesny student po pierwszym roku chemii.

Gdy patrzę na te osiągnięcia, myślę sobie, że może powinniśmy odzyskać nieco tej starożytnej pokory wobec materii. Może nie wszystko da się opisać wzorami i równaniami. Może istnieje wiedza, która przekazywana jest przez ręce, przez dotyk, przez wieloletnie obcowanie z materiałem. Może w naszym pędzie do precyzji i kontroli straciliśmy coś, co nasi przodkowie mieli w nadmiarze — umiejętność słuchania natury i rozumienia jej odpowiedzi. Bo ostatecznie to właśnie ta umiejętność pozwoliła im, tysiące lat przed narodzinami chemii polimerów, tworzyć materiały, które do dziś budzą nasz podziw i szacunek.Rozdział 6: Modyfikacja celulozy — Od prochu do luksusu

KIEDY MATERIAŁ WYBUCHOWY STAŁ SIĘ GRZEBIENIEM

W dziejach nauki zdarzają się ironie, które trudno pominąć milczeniem. Jedną z nich jest fakt, że materiał, który miał służyć zabijaniu na masową skalę, stał się podłożem narodzin przemysłu filmowego, a później — źródłem codziennego luksusu dla milionów ludzi. Nitroceluloza, bo o niej mowa, przeszła drogę zadziwiającą: od prochu strzelniczego, przez opatrunki chirurgiczne, po kołnierzyki, grzebienie i wreszcie taśmę filmową, która utrwaliła dla potomnych pierwsze kroki kina. To opowieść o tym, jak przypadkowe odkrycia, ludzka pomysłowość i zwykły przypadek splotły się w historię, która na zawsze zmieniła naszą cywilizację.

Gdy Christian Friedrich Schönbein w 1845 roku patrzył na znikający w błysku fartuch swojej żony, nie mógł przewidzieć, że jego odkrycie zapoczątkuje łańcuch zdarzeń prowadzący do powstania pierwszego komercyjnego tworzywa sztucznego. Bawełna strzelnicza, bo tak nazwano nitrocelulozę, była materiałem niezwykłym — spalała się błyskawicznie, nie pozostawiając dymu, a jej siła krusząca przewyższała wielokrotnie czarny proch. Armie Europy rzuciły się na nowy wynalazek jak na zbawienie. Wkrótce jednak okazało się, że produkcja bawełny strzelniczej jest niebezpieczna, a jej przechowywanie — jeszcze bardziej. Fabryki wybuchały jedna po drugiej, a generałowie wracali do sprawdzonego, choć dymiącego, czarnego prochu.

KOLODIUM — APTEKARSKI SEKRET

Zanim jednak nitroceluloza trafiła do przemysłu zbrojeniowego, znalazła zastosowanie w medycynie. W 1848 roku młody bostoński lekarz John Parker Maynard odkrył, że nitroceluloza rozpuszczona w mieszaninie eteru i alkoholu tworzy lepką, przezroczystą ciecz, która po nałożeniu na ranę szybko wysycha, tworząc elastyczną, przylegającą błonę. Nazwał ją kolodium i zaczął stosować zamiast szwów chirurgicznych.

Gdy po raz pierwszy czytałem opis tej metody, uderzyła mnie jej prostota i skuteczność. Maynard opisywał, jak oczyścił ranę, skleił jej brzegi palcami, a następnie posmarował kolodium. Po kilkunastu sekundach na skórze tworzyła się przezroczysta, elastyczna powłoka, która utrzymywała brzegi rany w idealnym zetknięciu, a przy tym nie przeszkadzała w gojeniu. Nie było potrzeby zakładania szwów, które w tamtych czasach często prowadziły do zakażeń.

Kolodium szybko trafiło do aptek i stało się standardowym wyposażeniem każdego szpitala. Używano go także w fotografii — emulsja światłoczuła nakładana na szklane płyty była utrwalana właśnie warstwą kolodium. To był pierwszy krok w kierunku fotografii, która nie wymagała długich ekspozycji i mogła być wykonywana poza atelier.

ALEXANDER PARKES I ZAPOMNIANY GENIUSZ

W Birmingham, przemysłowym sercu Anglii, mieszkał w tym czasie człowiek o nazwisku Alexander Parkes. Był on z zawodu metalurgiem, ale pasjonowała go chemia, a zwłaszcza nowe materiały. W swojej pracowni przy Newhall Hill eksperymentował z kauczukiem, z celulozą, z żywicami. W 1855 roku wpadł na pomysł, by do kolodium dodać kamforę i olej roślinny, a następnie odparować rozpuszczalnik.

To, co otrzymał, było materiałem zadziwiającym. Po wyschnięciu tworzył twardą, ale elastyczną masę, którą można było formować pod wpływem ciepła. Parkes nazwał swoje odkrycie „parkesine” i w 1862 roku zaprezentował je na Międzynarodowej Wystawie w Londynie. Wśród tysięcy eksponatów — maszyn parowych, tkanin, wyrobów stalowych — małe, połyskujące przedmioty z parkesine wzbudziły spore zainteresowanie. Były to grzebienie, pudełka, guziki, a nawet przezroczyste arkusze, przez które można było oglądać zdjęcia.

Parkes otrzymał brązowy medal, a jego wynalazek okrzyknięto jednym z najważniejszych odkryć wystawy. Prasa pisała o „nowym materiale, który może zastąpić kość słoniową, rogi, a nawet drewno”. Parkes, zachęcony sukcesem, założył firmę Parkesine Company i rozpoczął produkcję na skalę przemysłową.

Niestety, parkesine okazało się materiałem kapryśnym. Pękało, żółkło, a przede wszystkim było łatwopalne. W dodatku Parkes nie miał smykałki do interesów. Inwestował w kosztowne maszyny, zatrudniał zbyt wielu robotników, zaniedbywał kontrolę jakości. Firma zaczęła przynosić straty. W 1868 roku Parkesine Company zbankrutowała, a sam Parkes, zgorzkniały i rozczarowany, wrócił do swojej metalurgicznej pracowni.

Gdy dziś spaceruję po londyńskim Hackney, mijając tablicę upamiętniającą miejsce, gdzie stała fabryka Parkesa, myślę o tym, jak często geniusz nie idzie w parze z praktycznością. Parkes był wizjonerem, ale nie umiał sprzedać swojej wizji. Umarł w 1890 roku, zapomniany i biedny. Jego nazwisko znają dziś tylko historycy techniki. A przecież to on, a nie Hyatt czy Baekeland, był prawdziwym ojcem tworzyw sztucznych. Sąd w jednym z późniejszych procesów przyznał mu zresztą pierwszeństwo w wynalezieniu celuloidu.

BRACIA HYATT I NAGRODA ZA KULĘ BILARDOWĄ

Gdy Parkes upadał, po drugiej stronie Atlantyku młody drukarz z Albany, John Wesley Hyatt, szykował się do podjęcia wyzwania, które miało odmienić jego życie. W 1863 roku firma Phelan and Collender, jeden z największych producentów sprzętu bilardowego w Ameryce, ogłosiła konkurs: oferowała dziesięć tysięcy dolarów nagrody dla tego, kto opracuje materiał dorównujący kości słoniowej, a tańszy w produkcji.