Памперсы, дамские колготки, электроника, молекулы ДНК: как полимеры изменили жизнь на Земле
Темой обсуждения в программе «Время науки» на Радио “Комсомольская правда” стали полимеры. Фото: Cipolina/Shutterstock/Fotodom
Какое отношение имеет высокая наука к появлению памперсов и дамских колготок? Зачем Китай скупает полимерный мусор в соседних странах? Оправданы ли страхи по поводу микропластика? Почему именно биополимеры стали основой жизни на Земле?
Эти и другие темы в программе «Время науки» на Радио “Комсомольская правда” (97,2 FM) обсуждали:
- радиожурналист Мария Баченина,
- академик РАН Александр Сергеев, научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ),
- их гость - доктор физико-математических наук Алексей Хохлов, академик РАН, профессор, заведующий кафедрой физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ имени Ломоносова.
Академик РАН Александр Сергеев, радиожурналист Мария Баченина, доктор физико-математических наук Алексей Хохлов, академик РАН, профессор, заведующий кафедрой физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ имени Ломоносова.
Фото: Михаил ФРОЛОВ.
ПОЧЕМУ ПАМПЕРСЫ ТАК МНОГО ВПИТЫВАЮТ
Мария Баченина:
- Алексей Ремович, вы специалист в области полимеров. Полимер это такая длинная цепная молекула, из полимеров делают всякие пленки, волокна, строительные материалы и так далее. А вот делают ли полимеры удобнее и комфортнее повседневную жизнь обычных домохозяек?
Алексей Хохлов:
- Конечно, есть замечательный простой пример - памперсы. Они невероятно облегчают жизнь родителям, потому что каждому новорожденному ребенку нужно несколько раз в день менять подгузники. А “работают” в этих памперсах специальные полимеры - гели-суперабсорбенты, которые могут абсорбировать большое количество воды или физиологической жидкости.
Александр Сергеев:
- А когда человечество поняло, что такое полимер? Какова история вопроса?
Алексей Хохлов:
- Первым гипотезу о том, что белки, крахмал, резина и другие хорошо знакомые нам вещества состоят из длинных цепных молекул, высказал немецкий ученый Герман Штаудингер. Это произошло в 1920 году. Вначале эта гипотеза была принята учеными в штыки. Какие там цепные молекулы? Но Штаудингер свою гипотезу доказал и в 1953 году получил Нобелевскую премию за открытие строения полимеров.
Александр Сергеев:
- Всего сто лет назад. А до этого человечество про полимеры не знало...
Алексей Хохлов:
- Не знало молекулярное строение полимеров. Но сами полимеры, конечно, уже использовало. Начнем с того, что мы сами состоим из полимеров. В Европе каучук был известен после того, как испанцы завоевали Америку. Европейцы видели, как индейцы играют в каучуковый мяч. В середине XIX века ученый Чарльз Гудьир изобрел процесс вулканизации каучука - нашел способ сшить эти длинные цепи дисульфидными мостиками. И в результате цепи сшиваются и перестают течь относительно друг друга. Для дождливой Англии это было очень важно, поскольку можно было делать абсолютно непромокаемые плащи.
Александр Сергеев:
- Но это заимствования из природы?
Алексей Хохлов:
- Да, это из природы. А первый промышленно произведенный абсолютно искусственный материал - это бакелит. Его изобрел в 1907 год Лео Бэкеланд. Материал продемонстрировал удивительные свойства, его можно было использовать, как изолятор, необходимый для электротехники, которая тогда быстро развивалась. Все это были отдельные эпизоды. В 20-е годы Штаудингер показал, что полимер - это длинная цепь. И с этого момента начался бурный рост. Один из важных результатов – синтез нейлона, это было сделано Уоллесом Карозерсом в DuPont, кажется, в 1933 году. И уже в 1938 году на Всемирной выставке в Париже главный плакат американского павильона – это женщина, натягивающая нейлоновые чулки. Это открыло новую эпоху.
Дальше Вторая мировая война. Японцы захватили практически все плантации натурального каучука. Встал вопрос о производстве синтетического каучука. Эта задача была решена еще до войны и в Советском Союзе, и в Соединенных Штатах. Далее, поскольку нейлоновые волокна все-таки, подвержены деградации, поэтому они уступили место полиэтилентерефталату (полиэстеру). Он был синтезирован в Америке в 1941 году. В России полиэстер выходил под торговой маркой «Лавсан». «Лавсан» это сокращение - «лаборатория высокомолекулярных соединений Академии наук». Это сделала группа под руководством академика Коршака в Институте элементоорганических соединений, который сейчас носит имя Несмеянова. Это 1948 год. После войны началось бурное развитие науки, полимерной промышленности. В результате сейчас в мире производится 400 миллионов тонн полимеров в год.
Фото: Михаил ФРОЛОВ.
ЗАЧЕМ КИТАЙ СКУПАЕТ МУСОР?
Александр Сергеев:
- Действительно, много замечательных полимеров производим. Но что с ними делать после того, как условно говоря, колготки продырявятся, а использованная пластиковая бутылка будет выброшена?
Алексей Хохлов:
- Это важный вопрос - жизненный цикл полимерных материалов. Потому что они очень плохо поддаются разложению в обычных природных условиях. С ними что-то нужно делать. Есть три пути: вторичная переработка, сжигание и захоронение. Наиболее удачная схема вторичной переработки придумана с полиэтилентерефталатом. Из него делают не только одежду из волокон полиэстера, но и бутылки для воды. В Москве есть специальные урны, куда эти бутылки нужно складывать, их можно перерабатывать больше десяти раз.
Александр Сергеев:
- Но ведь каждая переработка укорачивает цепочку полимера?
Алексей Хохлов:
- Да, это же механический, а не химический процесс. Появляются какие-то примеси, загрязнения. Другие полимеры не так хорошо перерабатываются: два-три раза, а потом свойства теряются. Все-таки чистый полимер есть чистый полимер. И в конечном итоге полимер закончит свою жизнь либо на свалке, либо будет сожжен. Страны пошли по разным путям. Те государства, у которых территории относительно мало, полимеры сжигают. В частности, это большинство европейских стран.
Александр Сергеев:
- А некоторые, наверное, экспортируют в другие страны?
Алексей Хохлов:
- Да. Традиционно очень много мусора вывозилось в страны третьего мира. Но сейчас ситуация такая, что мусор становится ценным сырьем в Восточной Азии. Дело в том, что китайцы вдохновились перспективой получать энергию благодаря сжиганию полимеров. Они построили громадное количество мусоросжигательных заводов. И в результате в Китае собственного мусора, который производят полтора миллиарда человек, стало не хватать. И они закупают мусор во Вьетнаме, в Таиланде, в окружающих странах, чтобы загрузить мусоросжигательные заводы, вырабатывающие энергию. У Китая вообще сейчас идея чистой энергии - это некая религия. Больше всего об этом кричали европейские страны, а реально дальше всех продвинулся в этом вопросе Китай.
Мария Баченина:
- А что такое чистая энергия?
Алексей Хохлов:
- Речь идет об энергии, которая получается не из ископаемых источников. Можно получать энергию из ветра, солнца и так далее. А можно - сжигая мусор. И это получило в международной практике название «чистая энергия». Хотя, конечно, если мы все посчитаем, то она далеко не чистая. Но Китай и Европа пошли по пути сортировки и сжигания. А, скажем, в России, США, Канаде, Бразилии сделали ставку на захоронение. Природа в конечном итоге все перемелет, полимеры деградируют.
Александр Сергеев:
- Только время жизни у них достаточно большое.
Алексей Хохлов:
- Большое, да. Но когда говорят, что натуральные полимеры быстрее деградируют, это не совсем так. Есть город Венеция. Он стоит на деревянных сваях…
Александр Сергеев:
- Привезенных из России.
Алексей Хохлов:
- Нет, это, конечно, байки. Они привезены из окрестных гор, но это действительно лиственница. И она до сих пор сохранила прочность. Когда речь идет о целлюлозе (а это самый распространенный биополимер), говорят, что ее можно деградировать с помощью ферментов. Но эти ферменты должны получить доступ к целлюлозе. А если целлюлоза окружена некой биооболочкой, это защищает ее от разложения. Тут не все так просто. Полимеры, в общем-то, безобидные, пусть лежат себе в земле, в конце концов они начнут разлагаться, ничего с ними особенного не произойдет.
Фото: Михаил ФРОЛОВ.
ТАК ЛИ СТРАШЕН ВЕЗДЕСУЩИЙ МИКРОПЛАСТИК?
Александр Сергеев:
- А как бы все-таки ускорить этот процесс - создать биоразлагаемые полимеры?
Алексей Хохлов:
- Есть такое направление - биоразлагаемые полимеры. В каких-то случаях они действительно важны. Что такое биоразлагаемый? Это значит, с помощью ферментов происходит более быстрое разложение. Обычно это происходит в специальных компостерах, где поддерживают высокую температуру. А в обычных природных условиях биополимеры типа целлюлозы (а это основной биополимер), разлагаются не так уж быстро. Давайте сравним: все говорят про 400 миллионов тонн полимеров произведенных химической промышленностью, а древесины производится в год 2,5 миллиарда тонн. В каждом доме мебель деревянная стоит и ничего с ней в течение многих лет не происходит.
Александр Сергеев:
- Сейчас много говорят про микропластик, который потенциально может представлять опасность…
Алексей Хохлов:
- Проблема микропластика возникает в результате того, что полимеры деградируют. Что можно сказать про микропластик? Конечно, когда он становится очень мелким, то может проникать в кровь, а еще более мелкие - через мембраны клетки. Но смотрите: частицы больше 5 микрон просто выводятся через пищевод. Микропластик размером меньше 5 микрон – это проблема, но в мире есть огромное количество других частиц такого размера. Это пыль, песок, сажа от автомобильных выхлопов. И это все дает микрочастицы, которые могут проникать в организм, иметь какие-то отрицательные последствия.
Мы посмотрели совсем недавно Москву-реку, подсчитали сколько там частиц полимеров микронного размера. Их, казалось бы, много - десятки тысяч штук на литр. Но если вы пересчитаете в граммы, то на входе в Москву, у нас получилось 270 нанограмм на литр, на выходе - 360 нанограмм на литр. Это очень маленькие числа. Если вы цианистый калий в такой концентрации выпьете, с вами ничего не будет, только здоровее станете. Безусловно, это вещь, которую надо исследовать. Ученые должны этим заниматься. Но они не должны пугать население. Уверяю вас, микропластик – это последняя из проблем, о которой надо волноваться.
Доктор физико-математических наук Алексей Хохлов
Фото: Михаил ФРОЛОВ.
ИСКУССТВЕННАЯ КЛЕТКА ПОМОЖЕТ ПОНЯТЬ КАК ЗАРОДИЛАСЬ ЖИЗНЬ
Александр Сергеев:
- Жизнь тоже определяется длинными молекулами - ДНК, РНК - они состоят из звеньев, чередующихся определенным образом. Насколько наука, связанная с созданием новых полимеров, помогает в изучении биополимеров, которые лежат в основе жизни?
Алексей Хохлов:
- Действительно, биополимеры лежат в основе жизни. И ДНК, и РНК, и белки, и полисахариды – это полимеры. Именно благодаря действию полимеров возникает жизнь. Мы с вами состоим на 60 процентов из воды, но почти все ценное - это полимеры. Природа не случайно выбрала именно их как строительные материалы. Это еще требует своего объяснения, как зарождалась жизнь на Земле, как эти полимерные цепи росли, взаимодействовали, как появилась впервые возможность репликации.
Мария Баченина:
- Вы придерживаетесь какой теории появления жизни на планете? Как появилась жизнь на нашей планете? Из космоса прилетела? Или в этом биологическом бульоне возникли молекулы?
Алексей Хохлов:
- Это произошло в процессе эволюции. Элементарные процессы жизни зародились на Земле где-то уже 4 миллиарда лет назад. Представьте себе, миллиарды лет - это же громадные временные отрезки. И все это время работала дарвиновская эволюция и в конечном итоге привела к появлению более сложных явлений жизни. Как возникла первая клетка - это очень сложный вопрос. Недавно впервые синтезировали искусственную клетку из имеющихся биологических молекул. Она уже демонстрирует какие-то элементы жизни. Сейчас, по-моему, достигнуто несколько циклов дарвиновской эволюции - буквально три-четыре цикла.
Александр Сергеев:
- Искусственная клетка размножается?
Алексей Хохлов:
- Да, размножается. В таких экспериментах очень сильно помогает искусственный интеллект, поскольку позволяет создать подходящие условия для работы клетки. Но ИИ - это палка о двух концах. С одной стороны это очень хороший помощник, с другой - мы сейчас понимаем насколько опасно использование искусственного интеллекта для создания вирусов. Это уже реализовано в одном из институтов в Калифорнии. Ученые разработали большую языковую модель, но не для обычного человеческого языка, а для языка нуклеотидов - языка, из которого состоит цепь ДНК. Это же тоже текст, но в четырехбуквенном алфавите - аденин, тимин, гуанин, цитозин. Языковой модели дали задание: синтезируй вирусы, которые убивают кишечную палочку. Искусственный интеллект выдал несколько сот вариантов. Из них 16 оказалось действительно удачными и кишечную палочку уничтожали.
Мария Баченина:
- А почему вы начали с того, что это опасно?
Александр Сергеев:
- А потому что они могут убивать не кишечную палочку.
Алексей Хохлов:
- Представьте себе, что какая-нибудь группа преступников, поставила цель создать смертоносный вирус. Это вполне возможно с помощью методов искусственного интеллекта. Поэтому в сфере регулирования ИИ необходимо найти решение, которое поможет такие риски свести к минимуму.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ
Троянский конь в «мусорной» ДНК: Что помешало шимпанзе стать такими же умными, как человек
Россия на втором месте в мире по количеству замороженных людей: воскрешения ждут 109 человек
СЛУШАЙТЕ ТАКЖЕ
Иисус Христос действительно ходил по воде. Теперь это научно доказано