24. Ложка масла на пруду

На лугу Клэпем-Коммон под Лондоном был большой пруд, и однажды Бенджамин Франклин увидел, что ветер разогнал по нему волны. Он принёс графинчик с маслом и капнул на воду, не больше чайной ложки. Гладь легла сразу на несколько шагов вокруг и поползла по ветру, пока вся та четверть пруда не стала гладкой, как зеркало. Это почти пять баскетбольных площадок. После этого Франклин стал носить немного масла в полом верхнем колене бамбуковой трости, чтобы повторять опыт на любом пруду. Моряки давно говорили, что масло усмиряет волны, и он проверил это сам, описал в письме 1773 года и не сделал одного простого действия.

Не хватило деления. Если разлить ложку на такую площадь, слой выйдет толщиной примерно в одну молекулу, в восемьдесят тысяч раз тоньше волоса. Цифры для ответа пролежали в письме больше века. Первым толщину такой плёнки измерил лорд Рэлей в 1890 году, и опыт он поставил свой. Крупинки камфоры носятся по чистой воде, а под сплошной масляной плёнкой замирают, и Рэлей подбирал, сколько оливкового масла нужно, чтобы остановить их в ванне шириной меньше метра. Хватило порции в десятки раз меньше капли. Он поделил объём на площадь, и вышла одна молекула.

Ещё раньше Рэлея те же плёнки мерила у себя на кухне в Брауншвейге Агнес Поккельс, самоучка. Она придумала для этого лоток с подвижным барьером, который сжимает плёнку на воде. Она написала Рэлею, он переслал её письмо в журнал Nature, и в 1891 году его напечатали. Кухонный лоток стал прообразом лабораторной ванны, в которой плёнки толщиной в одну молекулу изучают до сих пор.

Масло легло ровно в один слой, потому что его молекула двулика. Один её конец, голова, тянется к воде, а другой, длинный жирный хвост, воды избегает. Так же устроены молекулы мыла и липиды, из которых сделаны стенки наших клеток. На пруду хвосты торчат вверх, как ворс щётки, а масло расползается, пока каждая голова не коснётся воды. Поэтому плёнка и выходит толщиной в одну молекулу.

В толще воды воздуха нет, и хвостам остаётся прятаться друг за друга. Молекулы мыла сбиваются в шарики из нескольких десятков штук, хвостами внутрь, головами наружу. Такую сборку, без чертежа и без сборщика, называют самосборкой. Гонит её не тяга хвостов друг к другу, а сама вода. Сцепиться с жирным хвостом ей нечем, поэтому её молекулы вокруг него выстраиваются тесно и теряют свободу вертеться как хотят. Когда хвосты сбиваются в кучу, жирной поверхности становится меньше, и вода получает свободу обратно. В деталях механизма физики разбираются до сих пор, но итог ясен: порядок в мыльном шарике куплен беспорядком в окружающей воде.

У липида хвостов два, и в шарик такие молекулы не укладываются. Они складываются в лист из двух слоёв, хвост к хвосту. Край у такого листа невыгоден: там хвосты смотрят прямо в воду. Изогнуться листу дешевле, чем держать край, и он сворачивается и замыкается в пузырёк. Так появляется то, чего не было ни у одной молекулы: внутри и снаружи. Границу, которую в колбе с часами ставил химик, молекулы здесь ставят себе сами. Стенка легко пропускает воду, а соль почти не пускает, и внутри можно держать другой состав, чем вокруг.

Стенка эта толщиной в две молекулы, и шестнадцать тысяч таких стенок в стопке дадут толщину волоса. Самый маленький замкнутый пузырёк размером с мелкий вирус: круче стенку не согнуть. Мыльный пузырь, который выдувает ребёнок, устроен наоборот: там слой воды зажат между двумя слоями мыла, а по обе стороны воздух. В клеточном пузырьке стенка из жира, а вода и внутри, и снаружи.

В 1964 году Алек Бэнгем с коллегой в лаборатории под Кембриджем залили сухие липиды водой и увидели в электронный микроскоп, что те сами набухли в замкнутые пузырьки, слой в слое. Через год Бэнгем показал, что пузырьки удерживают ионы внутри. Их назвали липосомами, и сейчас в них возят по организму лекарства, а мРНК-вакцины упакованы в родственные им жировые частицы.

Такой пузырёк может лежать в закрытой банке без всякого притока энергии. Вихрь жил, пока сквозь него шёл поток, а часы в колбе тикали, пока не выгорело топливо. Пузырёк собрался потому, что так воде свободнее, и распадаться ему незачем. Это второй способ получить форму, противоположный первому. Живым пузырёк от этого не становится. Внутри у него вода с другим набором солей, чем снаружи, и больше ничего не происходит: стены есть, а хозяйства нет.

Те же слабые связи, которые держат форму, но легко перестраиваются от тепла, дают и другие вещи. В 1888 году пражский ботаник Фридрих Рейнитцер нашёл вещество, которое плавилось дважды: сначала в мутную жидкость, потом в прозрачную. Между этими точками оно течёт, но молекулы-палочки в нём держат общее направление, как брёвна, которые сплавляют по реке, и на этом работают жидкокристаллические мониторы. Резина пружинит потому, что смятых положений у длинной цепочки несравнимо больше, чем вытянутых, и тепловая тряска сбивает её обратно в клубок. Растяни резинку у губ, и она потеплеет, как сжатый газ, а не как стальная пружина. Француз Пьер-Жиль де Жен, объяснивший физику жидких кристаллов и полимеров, сделал популярным их общее имя — мягкая материя.

У мягкой материи два разных дара, и дорога здесь раздваивается. Жидкие кристаллы и резина уйдут боковым побегом и вернутся много позже, в технике, а главных ветвей две. Одна берёт цепь. Мыло умеет складывать только шарики, листы и мешки. Вода так же прячет внутрь жирные звенья длинной цепи, но если в цепи записано, какое звено идёт за каким, она сворачивается уже не в мешок, а в машину, и отсюда вырастут белок и ДНК. Другая ветвь берёт плёнку, которая отгораживает объём, и ведёт к клетке через пузырьки с грузом внутри.

Стенке всё равно, что запирать. Замыкаясь, она забирает с собой ту воду, что оказалась рядом, вместе со всем, что в ней плавало. Пока там плавают одни соли, комната стоит пустой.