Tytuł oryginału

HANDYS, KOFFEE, EMOTIONEN

– wie man mit Chemie wirklich alles erklären kann

Copyright© 2019 Droemer Verlag.

All rights reserved by

Verlagsgruppe Droemer Knaur GmbH & Co. KG,

München

Projekt okładki:

Aleksandra Pągowska

Ilustracje w książce:

Claire Lenkova

Redaktor prowadzący:

Magdalena Gołdanowska

Joanna Maciuk

Redakcja:

Anna Płaskoń-Sokołowska

Korekta:

Małgorzata Denys

Konsultacja naukowa:

Mirosław Dworniczak

ISBN 978-83-8169-801-6

Warszawa 2019

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Dla mojej Mamy

Moi rodzice są najbardziej kochanymi rodzicami na świecie. Rzadko wygłaszam takie peany, ale jeśli chodzi o moich rodziców, mogę to zrobić z czystym sumieniem. Jako silny zespół zawsze odsuwali swoje interesy na dalszy plan we wspólnej walce o byt w wówczas jeszcze obcym kraju, aby mnie i mojemu bratu stworzyć nowy dom i zapewnić życie pełne przywilejów, którym możemy się cieszyć do dzisiaj. Często opowiadam wyłącznie o moim ojcu, który jest nie tylko cudownym ojcem i mężem – a także chemikiem – ale który też zainspirował mnie i mojego brata tak dalece, że oboje również zostaliśmy chemikami. Tę książkę jednak chciałabym zadedykować szczególnie mojej mamie. Bo to ona właśnie jest osobą, która ukształtowała mnie w zasadniczym stopniu, to ona zdecydowała się zostać w domu, aby z oddaniem i miłością zająć się mną i moim bratem. To ona każdego dnia tuliła mnie, wspierała i motywowała do dalszych działań. Dzięki jej macierzyńskiej trosce stałam się człowiekiem, którym jestem dziś. Gdyby nie moja mama, ta książka nigdy by nie powstała. Jeśli więc się wam spodoba, podziękujcie właśnie jej – mojej mamie.

WSTĘP

Byłam dość brzydkim dzieckiem. Kiedy przyszłam na świat, miałam żółtaczkę i nie chciałam ani jeść, ani pić. Moi rodzice bardzo się martwili i robili wszystko, aby możliwie najefektywniej mnie nakarmić – także wtedy, kiedy już byłam zdrowa. W efekcie stałam się koszmarnie grubym niemowlęciem. A w dodatku moje pierwsze włosy rosły tak, że przypominały fryzurę starszego pana z charakterystycznymi, niesymetrycznymi zakolami po obu stronach. Ale dla moich rodziców byłam oczywiście najpiękniejszym dzieckiem na świecie. Jako chemiczka czuję się czasami z moją chemią tak, jak matka z brzydkim dzieckiem, którego urodę może dostrzec tylko ona. Dla większości ludzi chemia jawi się jako brzydka, trująca i sztuczna. Jest znienawidzonym przedmiotem szkolnym, z którego nie można było szybko zrezygnować. Wmówić takim ludziom, że moje dziecko jest piękne – to niezła sztuka. Oni w najlepszym wypadku nie mają pojęcia o chemii i pytają bezradnie, robiąc wielkie oczy: A co się robi z tą chemią? Czasami, gdy słyszę to pytanie, mam ochotę chwycić rozmówcę za ramiona, potrząsnąć nim i krzyknąć: WSZYSTKO! Z chemią można robić WSZYSTKO! Jedno z moich najwcześniejszych skojarzeń, jeśli chodzi o chemię, to smaczne jedzenie. Mój ojciec, który także jest chemikiem – i znakomitym kucharzem − oświadczył mi kiedyś, że wszyscy chemicy potrafią dobrze gotować i że ten, kto tego nie umie, nie jest dobrym chemikiem. Kiedy jako trzynastolatka zaczęłam się interesować kosmetykami, ojciec także potrafił mi wszystko wyjaśnić. Na przykład to, jak wyglądają pigmenty, jak działa spray powiększający objętość włosów albo jaką wartość pH ma krem do twarzy. Chemia zawsze była częścią mojego życia i codzienności. Ale całkiem przepadłam z chwilą podjęcia studiów na wydziale chemii. Czy to w czasie picia kawy, mycia zębów czy też uprawiania sportu – natychmiast myślę o receptorach adenozyny, fluorkach i enzymach przemiany materii. W czasie słonecznego spaceru myślę o melatoninie i witaminie D. W czasie gotowania makaronu − o podniesieniu temperatury wrzenia i polimerach skrobiowych. Swoją drogą, ja też już umiem dobrze gotować, bo przecież w innym wypadku nie byłabym dobrą chemiczką.

Ludzie mają osobliwe wyobrażenie nie tylko o chemii, lecz także o ludziach, którzy się nią zajmują. „Wcale nie wyglądasz jak chemiczka” – słyszę często. Sukces The Big Bang Theory (Teoria Wielkiego Wybuchu) sprawił wprawdzie, że my, nerdowie, możemy już się pokazywać na salonach, ale jednocześnie umocnił wiele stereotypów, jak na przykład ten, że kompetencje zawodowe i społeczne kategorycznie się wykluczają. I jest to jeden z wielu stereotypów, z którymi, my, naukowcy musimy walczyć. Bo zgodnie z nim naukowcy to jakieś tajemnicze, nieznane istoty, których życie upływa w laboratoriach albo między regałami z książkami. Nikt nie wie, jak wyglądamy, czy może mamy jakieś hobby albo przyjaciół. Czy w ogóle naukowcy są ludźmi? Taaak… dokładnie nie wiadomo. Kiedy pisałam pracę doktorską, postanowiłam, że zdradzę tajemnicę, jaką kryją w sobie naukowcy, poprzez swój kanał na YouTube o nazwie The secret life of scientists – Tajemnicze życie naukowców. Chciałam, aby dzięki moim filmom wideo nauka otrzymała głos i twarz. Chciałam nie tylko uświadomić wszystkim, jak wspaniała jest nauka, lecz także, jak wspaniali są naukowcy. Ta misja przypomina pewien skomplikowany projekt badawczy, nad którym wciąż pracuję. A dziś tworzę na YT kanał mail Lab dla fanów i moderuję Quarks w rozgłośni WDR.

Dlaczego powstała ta książka? Bo chciałam się porządnie wyszaleć. To zaproszenie do świata moich myśli, jako chemiczki, a oprócz tego wgląd w codzienność youtuberki i dziennikarki piszącej o nauce. Przede wszystkim jednak chciałabym, abyście mogli ulec nieodpartemu urokowi chemii i dzięki tej publikacji spojrzeć jej prosto w oczy. Jeśli nie łudzi mnie moja wiara w ludzi i ich ciekawość, to po lekturze tej książki nie tylko zrozumiecie, że chemia naprawdę jest wszystkim (śmieszne!), ale też może nawet przyznacie, że ta nauka jest po prostu cudowna.

ROZDZIAŁ 1

OCD – OBSESSIVE CHEMICAL DISORDER

Tru, tu, tuu!!

Przerażenie niemal wyrzuca mnie z łóżka, a serce skacze mi do gardła.

– Matthiiiiiaaaas! – chciałabym wrzasnąć z oburzeniem, ale mój aparat mowy najwyraźniej jeszcze nie całkiem się uaktywnił. Moje ciało znajduje się na osobliwej granicy półsnu i walki wręcz, rzucam się więc na komórkę Matthiasa i wymachując dziko rękami, w końcu wyłączam ten okrutny budzik. Jest cholerna szósta rano.

Matthias ma okropny zwyczaj wstawania w nocy przynajmniej dwa razy w tygodniu, aby pójść pobiegać. Dla mnie, niestety, oznacza to, że muszę się obudzić tuż przed nim, aby mój dzień nie rozpoczął się od potyczki z hormonami stresu.

Najbardziej lubię, kiedy budzi mnie ledwo słyszalny dźwięk przypominający delikatny szept wróżki – w przeciwnym razie ranek zaczyna się od szaleńczego bicia serca. Matthias za to potrzebuje przynajmniej 100 decybeli i tego okropnego tru, tu, tuu!, aby móc się w ogóle obudzić. Dlatego z reguły nastawiam swój budzik minutę wcześniej, aby móc się przygotować na stres. Tyle że dziś nie miałam pojęcia o sportowych planach mojego męża.

Rozsuwam zasłony, aby obniżyć poziom melatoniny Matthiasa.

– Matthias – mówię.

– Hmm… − mruczy mój mąż, ciągle jeszcze w półśnie.

Niewiarygodne.

Melatonina nazywana jest czule hormonem snu. Powstaje ona w niewielkim gruczole zwanym szyszynką, który znajduje się w środku naszego mózgu. Przezwisko „hormon snu” nie jest przypadkowe, bo melatonina odgrywa ważną rolę w naszym całodobowym (circadian – z łac. circa dies – przez cały dzień) rytmie, inaczej mówiąc: w naszym rytmie snu i czuwania. Im wyższy poziom melatoniny, tym bardziej zmęczeni się czujemy. Ale z praktyki wiadomo, że światło pomocne jest w obniżeniu poziomu melatoniny. I najwyraźniej u Matthiasa powoli zaczyna to działać.

Zajrzeć do świata molekuł to dla mnie przymus, ale miły przymus. Można powiedzieć, że cierpię na zespół OCD – Obsessive Chemical Disorder. Kiedy wyobrażam sobie, jak wygląda codzienność ludzi, którzy nie są chemikami i w ogóle nie myślą o cząsteczkach, wydaje mi się to smutne. Nie wiedzą, co tracą. Bo wszystko to, co jest tak interesujące, w końcu daje się jakoś wytłumaczyć za pomocą chemii. Ostatecznie to wy, którzy czytacie te słowa, jesteście niczym innym jak właśnie kupkami molekuł, które rozmyślają o molekułach. To już jest niemal spirytualne.

Jak więc wygląda mój poranek od strony cząsteczek?

O tym, czy dobrze się nam rano wstaje, decydują przede wszystkim dwie molekuły. Jednej – a mianowicie melatoniny – potrzebujemy mniej, drugiej zaś więcej: jest to hormon stresu − kortyzol. Rankiem jest on wydzielany przez nasz organizm automatycznie. Samo określenie „hormon stresu” brzmi stresująco, ale w ilościach umiarkowanych kortyzol po prostu pomaga nam ruszyć z miejsca. Ów sympatyczny dodatkowy serwis naszego ciała zwykle nawet nie potrzebuje budzika. Owo budzikowe tru, tu, tuu! stanowiło dla mnie lekkie przegięcie i wywołało prawdziwą reakcję typu fight-or-flight − walka albo ucieczka. To sprawdzony od pradawnych czasów, bardzo zmyślny system alarmowy na wypadek zagrożenia życia. Ogólnie rzec biorąc, stres, podobnie jak ból, jest bardzo pożądaną reakcją naszego organizmu. I podczas kiedy ból daje nam do zrozumienia, że dzieje się coś złego, stres pomaga ratować nasze życie. Wyobraźcie sobie, że żyjecie w epoce kamienia łupanego i stajecie na drodze tygrysowi szablozębnemu (prawidłowo powinno się powiedzieć „kot szablozębny”, ale dla podkreślenia dramatyzmu sytuacji pozostańmy przy tygrysie). Znaleźlibyście się w głupiej sytuacji, gdyby wasze ciało nie wydzieliło słusznej wiązki hormonów stresu, dzięki której mogliście błyskawicznie zareagować. W efekcie oznaczało to, że należało natychmiast wyciągnąć dzidę (walka) albo zwiać na najbliższe drzewo (ucieczka)!

Musimy wyjść z założenia, że tygrys szablozębny także reaguje zgodnie ze schematem reakcji fight-or-flight, chociaż do dziś nie wyjaśniono, czy wówczas ludzie rzeczywiście figurowali w karcie dań tygrysów szablozębnych. Bądź co bądź człowiek też był drapieżnikiem i takie coś mogło być po prostu spotkaniem dwóch myśliwych, którzy czuli do siebie wzajemny respekt. W każdym razie reakcja fight-or-flight jest starsza niż człowiek i jest „zainstalowana” także w organizmach wielu zwierząt, jako coś w rodzaju systemu alarmowego. A jak funkcjonuje ów system alarmowy? Oczywiście poprzez molekuły. Cząsteczki, które drzemią sobie w naszym organizmie, najpierw musi obudzić bodziec. W epoce kamienia łupanego mógł to być właśnie jakiś szablozębny osobnik − dziś jest to upiorny budzik Matthiasa. Jego sygnał akustyczny prowadzi najpierw do tego, że mózg uruchamia impuls nerwowy, który biegnie błyskawicznie poprzez rdzeń kręgowy i dociera do nadnercza. A nadnercze wraz z szyszynką należą do najważniejszych fabryk hormonów naszego ciała. Ów impuls nerwowy powoduje, że nadnercze wydziela prawdopodobnie najważniejszy hormon stresu: adrenalinę, która szybko zostaje wpompowana do krwiobiegu i dzięki niemu dociera do różnych organów. A hormon to nic innego jak substancja semiochemiczna, czyli molekuła, która przenosi najważniejsze wieści − w tym wypadku wieść brzmi: „PANIKA!”.

Kiedy adrenalina mknie przez krwiobieg, choć równie szybko zanika, na wojnę wywołaną stresem zbroi się już następny hormon: ACTH (Adrenocorticotropes hormon) – hormon adrenokortykotropowy. Jest on produkowany przez przysadkę mózgową i poprzez krwiobieg także dociera on do nadnercza, bazowego obozu wojny fight-or-flight.

Natychmiast po dotarciu hormon ten wyzwala cały łańcuch przeróżnych reakcji chemicznych. Z przyjemnością wyobrażam sobie to jako typowe sceny z filmów wojennych. Po alarmie wywołanym przez pierwszego posłańca, czyli adrenalinę, hormon ACTH zostaje dowódcą wojsk i wznosząc zaciśniętą pięść, wydaje pierwszy okrzyk bojowy. Mobilizuje w ten sposób armię i rozpoczyna się bitwa. Wreszcie do krwiobiegu dostaje się drugi hormon stresu – kortyzol – i on także rusza w drogę do przeróżnych organów.

Hormony mogą wywołać bardzo dużo różnych reakcji naszego organizmu. Do reakcji fight-or-flight należą m.in. podwyższony puls, lepsze ukrwienie mięśni (biegiem!), słabsze ukrwienie systemu trawiennego (rzucić wszystko, bo teraz mamy coś ważniejszego do zrobienia!), głębszy oddech, rozszerzone źrenice, poty, gęsia skórka i zwiększona uważność.

W efekcie tych reakcji organizmu, które są wynikiem działania moich hormonów stresu, jestem oczywiście natychmiast całkowicie rozbudzona, ale uczucie zagrożenia życia nie jest przyjemne. Nie mogę jednak robić wyrzutów cząsteczkom. Naszym ciałem rządzi chemia, której dążeniem jest przetrwanie. Biedne molekuły stresu nie wiedzą, że budzik Matthiasa nie stanowi zagrożenia życia. One chcą tylko pomóc. Nasze życie jest pełne stresu – szkoła, praca, relacje międzyludzkie − ale tylko niewiele sytuacji stanowi prawdziwe zagrożenie życia. Chroniczny stres szkodzi jednak zdrowiu. Abyśmy nie zwariowali − my i nasze molekuły – system stresu ma na szczęście ujemne sprzężenie zwrotne, które troszczy się o to, aby nasze ciało nie eskalowało i nie wpadło w panikę. Zawdzięczamy to m.in. kortyzolowi – hormonowi stresu obdarzonemu dużą samodyscypliną. Podczas gdy adrenalina wręcz wdziera się do krwiobiegu, a potem równie szybko zanika, kortyzol zostaje w systemie nieco dłużej. Ostatecznym efektem jego działania jest zahamowanie wydzielania ACTH – a poprzez to także jego produkcji.

Perfekcyjna i prawidłowa chemia poranna powinna więc wyglądać następująco: jeszcze w czasie drzemki pierwsze promienie słońca padają na moje powieki i siatkówkę oczu, która poprzez nerw oczny jest połączona z mózgiem. Po otrzymaniu takiego sygnału w szyszynce powstrzymana jest produkcja hormonu snu – melatoniny. Szyszynka zwana jest czasami trzecim okiem, ponieważ bezpośrednio łączy się z mózgiem za pomocą nerwu wzrokowego. Brzmi to nieco ezoterycznie, ale coś jest na rzeczy. U płazów szyszynka rzeczywiście jest swoistym trzecim okiem, ponieważ jest ona wrażliwa na światło. Mój poziom melatoniny powoli więc opada, a organizm w tym czasie wydziela przyjemną ilość kortyzolu. Wówczas w najlepszym wypadku człowiek budzi się sam.

Matthias jest niewiarygodnie wrażliwy na światło podczas snu, dlatego nigdy nie śpi bez opaski na oczy. Ponieważ blokuje w ten sposób wszelkie światło dzienne, poziom jego melatoniny rankiem nie opada tak szybko. Sztuczne zaciemnienie jest tak samo mylące dla naszego całodobowego rytmu jak sztuczne światło. Jedno i drugie jest obecne w naszym życiu, a to zaburza rytm naszego wewnętrznego zegara. Zgodnie z moją hipotezą Matthias wcale nie potrzebuje tego upiornego budzika – wystarczy, że po prostu przestanie używać opaski na oczy. On jednak jest zdania, że jego system melatoniny jest zbyt wrażliwy i bez tego wyłożonego miękką watą cuda na nosie po prostu nie mógłby się wyspać. To, co nam obojgu utrudnia argumentację, to fakt, że melatonina być może wcale nie jest hormonem snu. Na przykład jej poziom wzrasta nocą u zwierząt aktywnych o tej porze doby – jest to więc raczej hormon czuwania. Myszy laboratoryjne często prawie nie wytwarzają melatoniny po genetycznej mutacji, a mimo to zwierzęta te sypiają całkiem normalnie. Czyli całkiem odwrotnie! Czy więc organizm jednak nie jest zmęczony w efekcie działania melatoniny? No ale z drugiej strony istnieją liczne opracowania, które dowodzą, że melatonina pomaga w terapii przy leczeniu bezsenności czy chronicznie późnego zasypiania. Hm… I co teraz? Badacze snu rzeczywiście nie są zgodni co do tego, jaki jest związek melatoniny ze snem. I dopóki się nie wyjaśni, czy melatonina rzeczywiście przyczynia się do występowania uczucia zmęczenia, Matthias i ja możemy długo dyskutować na temat jego okularów do spania.

No cóż, już w pierwszym rozdziale chcę was o coś poprosić: kto pragnie zrozumieć naukę, powinien się odzwyczaić od szukania łatwych odpowiedzi. Z początku wydaje się, że to bardzo męczące, ale mogę wam coś obiecać: naukowy sposób myślenia nie czyni tego świata bardziej suchym, lecz bardziej kolorowym i cudownym (w sensie dosłownym: pełnym cudów). Zgódźmy się więc najpierw co do tego, że melatonina nie jest hormonem snu, lecz raczej hormonem nocy, który tłumaczy naszemu ciału to, co widzą oczy: robi się ciemno.

Długo trwający eksperyment stanowiłby wyjaśnienie dla Matthiasa i mojej osobistej dysputy na temat melatoniny. A przy okazji światło budzącego się dnia padłoby na siatkówkę Matthiasa… Problemem jednak jest to, że eksperymenty, w których bierze udział dwóch uczestników, statystycznie rzecz biorąc, nie są zbyt wiarygodne. A więc pozostaje nam dyskusja.

Idę do kuchni, aby zrobić sobie kawę. Idealnie byłoby wypić pierwszą kawę nie natychmiast, lecz dopiero godzinę po wstaniu z łóżka. A to dlatego, że już poranna dawka kortyzolu jest dla naszego organizmu środkiem pobudzającym. Kofeina także motywuje ciało do produkcji kortyzolu. Świetnie − można by pomyśleć − a więc po prostu podwyższam mój własny poziom kortyzolu za pomocą filiżanki kawy! Niestety (a może na szczęście) nasze ciało tak nie funkcjonuje, bo lubi utrzymywać równowagę. Trzeba więc liczyć się z tym, że z czasem organizm przyzwyczai się do kawy w taki sposób, że sam obniży poranny stres. Dlatego lepiej poczekać, aż wydzielona przez organizm dawka kortyzolu samoczynnie ulegnie zmniejszeniu – trwa to mniej więcej godzinę – i dopiero potem podnieść jej poziom dawką kofeiny.

Ponieważ jednak czuję się tak, jakby cały mój poranny kortyzol błyskawicznie, w ciągu jednej minuty wyparował, sięgam po kawę, aby zwalczyć zmęczenie, które znów mnie dopadło.

Jeśli nie jest wam za gorąco, to też przynieście sobie filiżankę kawy, herbaty albo jakiegoś gorącego napoju, który będziecie mogli sączyć w czasie lektury kolejnych fragmentów. Nie ma bowiem nic lepszego niż gorący napój, aby móc zajrzeć do świata molekuł. Kiedy stawiam przed sobą filiżankę parującej kawy, po chwili stół pod filiżanką też staje się gorący. A jeśli poczekam dłużej, kiedyś w końcu kawa stanie się zimna. Czy zastanawialiście się kiedyś, gdzie właściwie znika ciepło?

W tym momencie poruszamy kolejny z moich ulubionych tematów – a mianowicie model cząsteczkowy. Nie brzmi to z początku zbyt ekscytująco, ale poczekajcie – daję gwarancję fascynacji.

Model cząsteczkowy mówi: każda materia we wszechświecie składa się z „cząsteczek”. Mogą to być atomy, mogą to być też molekuły – jeśli chodzi o model cząsteczkowy, nawet nie musimy wiedzieć, jak dokładnie wyglądają owe „cząsteczki”. I mimo tego mocno uproszczonego sposobu obserwacji możemy w ten sposób częściowo (cząsteczkowo, ha, ha) zadziwiająco dobrze opisać nasz świat. Tak jak na przykład moją kawę.

Kiedy pijcie swoją kawę, pijecie cząsteczki kawy. Albo cząsteczki herbaty – jeśli to ją wybraliście. Wyobraźmy więc sobie te cząsteczki jako drobniutkie kuleczki, których nie można dostrzec gołym okiem. W rzeczywistości są to głównie cząsteczki wody, troszkę kofeiny (albo teiny, która nawiasem mówiąc, składa się z takich samych molekuł) i jeszcze kilka innych cząsteczek, jak choćby składniki aromatów. Owe cząsteczki znajdują się w ciągłym ruchu. Można to dostrzec, mimo że cząsteczek nie da się zobaczyć gołym okiem.

Jak to zrobić? Nic łatwiejszego: postawcie na stole szklankę wody z wodociągu i wlejcie do niej kroplę kawy (jeszcze lepiej to widać, gdy do wody wlejemy kroplę atramentu, ale skoro akurat pijecie kawę…). Także wtedy, kiedy w ogóle nie będziecie ruszać szklanki, kwestią czasu jest rozpuszczenie się kropli kawy w wodzie, nawet bez mieszania. Być może zaobserwowanie takiego zjawiska wcale was nie powali, ale uświadomcie sobie, co właściwie się dzieje w tej szklance wody! Chaotyczna szamotanina i ruch, prawdziwe cząsteczkowe party! I właśnie na to party chciałabym was zaprosić – bo dokładnie tutaj zaczyna się prawdziwa chemia.

Poza tym szklanka wody, filiżanka kawy, stół, podłoga, na której stoi stół, powietrze − i oczywiście także my – wszystko składa się z cząstek. I one także są w ciągłym ruchu! Coś takiego jak bezruch praktycznie nie istnieje. Dokładnie w tym momencie wszędzie – w waszej filiżance, pod waszymi stopami i w waszym ciele – odbywa się cząstkowe party, tylko wy nie możecie tego zobaczyć.

Można by zapytać, dlaczego mamy sobie wyobrażać świat składający się z malutkich cząstek, skoro w ogóle nie można ich dostrzec (a byłoby to niezłe przedstawienie, tak uważam). A więc odpowiadam: dzięki temu można na przykład wyjaśnić, jak powstają różne stany skupienia – stały, ciekły i gazowy. To, czy materia jest w stanie stałym, ciekłym czy gazowym, zależy od tego, jak ruchliwe są jej cząsteczki.

Moja filiżanka do kawy jest w stanie stałym, ponieważ jej atomy poruszają się nieznacznie – są ze sobą połączone poprzez wiązania. O wiązaniach chemicznych pomówimy dokładnie potem, na razie wyobraźmy sobie sytuację molekularną następująco: jesteście na koncercie i stoicie w tłumie ludzi. W ścisku z ledwością możecie się poruszać. Ale oczywiście mimo to podskakujecie w rytm muzyki. W ten sposób właśnie możecie sobie wyobrazić cząstki ciała stałego takiego jak filiżanka kawy. W ciekłej zawartości filiżanki, czyli w kawie, cząstki są bardziej ruchliwe, nawet jeśli silnie oddziałują na siebie nawzajem. Na koncercie znaleźlibyśmy się w strefie zwanej moshpit, tuż przy scenie, gdzie wszyscy skaczą jak oszaleli. Najbardziej szalone są jednak molekuły powietrza w postaci gazowej, które wówczas wdychamy. Poruszają się one, w ogóle nie uwzględniając innych towarzyszących im cząsteczek. Należałoby wielokrotnie powiększyć teren, na którym odbywa się koncert, aby wszyscy widzowie mogli biegać dookoła i wywijać koziołki, nie wchodząc sobie w drogę.

Aby móc lawirować między różnymi stanami skupienia, trzeba zmieniać temperaturę − to znamy z wody. Jeśli podgrzejemy wodę w stanie stałym, czyli lód, roztopi się i przejdzie w stan ciekły; jeśli podgrzejemy ją jeszcze bardziej, woda wyparuje i przyjmie postać gazu. Zaś w zetknięciu z chłodną powierzchnią, na przykład z lustrem w łazience, para się skropli, czyli przejdzie w stan ciekły. Jeśli będziemy dalej schładzać wodę, zamarznie – i powstanie lód.

Dlaczego o tym wszystkim mówię? Bo mam dla was małe odkrycie: temperatura to nic innego jak ruch cząstek. Im bardziej gorąco, tym ruch jest szybszy, a im zimniej, tym wolniejszy. Czy nie jest fajnie znać termodynamiczną definicję temperatury? Czy nie sądzicie, że to bardziej zadowalające niż temperatura oznaczona na termometrze?

O wiele więcej sensu ma to wtedy, kiedy przyglądamy się filiżance parującej kawy: kawa jest gorąca, a to znaczy, że molekuły wody poruszają się szybko i uderzają o siebie nawzajem. Te, które wyparowują, są tak szybkie i potrzebują tak dużo miejsca, że już z samej potrzeby ruchu opuszczają filiżankę i przechodzą w stan gazowy.

A jak ciepło pochodzące z kawy przechodzi na filiżankę i stamtąd dalej, na kuchenny stół? Przenoszenie ciepła to efekt zderzeń między cząstkami i przenoszenia energii wynikłej z ruchu. Cząsteczki kawy szusują w filiżance i uderzają o jej brzeg. I zupełnie jak w przypadku elektrycznych samochodzików na skutek tych uderzeń w ruch wprawiane są także cząsteczki filiżanki, które zaczynają się poruszać coraz szybciej. Cząsteczki filiżanki uderzają w cząsteczki kuchennego stołu i te też poruszają się coraz szybciej. A ponieważ przewodzenie ciepła zawsze zachodzi w kierunku miejsca o niższej temperaturze, stół pod filiżanką z kawą robi się coraz cieplejszy.

Teraz rozumiemy więc także, dlaczego kawa w którymś momencie staje się zimna: dzieje się tak z tego samego powodu, dla którego wprawione w ruch wahadło w końcu się zatrzymuje. I tak jak w przypadku elektrycznych samochodzików przy każdym uderzeniu uderzające o siebie cząsteczki kawy przyhamowują, aż wreszcie wszystkie osiągają temperaturę pomieszczenia czy też jego „prędkość”.

Wszystkie cząsteczki − jak też cały wszechświat wraz z tym, co stanowi jego zawartość − działają zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki. Możemy tu postawić znak równości z zasadą zachowania energii, która mówi, że energia nigdy nie może być stworzona bądź zniszczona, lecz jedynie jej forma może być zamieniona w inną. Można też powiedzieć inaczej: całkowita ilość energii zawsze jest taka sama. Jeśli jedna cząstka zyskuje energię, taka sama jej ilość musi być utracona gdzieś indziej. Jeśli jedna cząstka przy uderzeniu przenosi część swojej energii na inną cząstkę, która dzięki temu uzyskuje większą prędkość, prędkość pierwszej cząstki spada. Gdyby tak nie było, energia powstawałaby z niczego − a to nie jest możliwe. Także zamiar zniszczenia energii zaprzecza zasadom termodynamiki. Można doprowadzić do pasji chemików albo fizyków, mówiąc, że ktoś „trwoni energię”. (Spróbujcie, jeśli znacie jakiegoś chemika albo fizyka).

Zanim ruszymy dalej w rytmie mojego dnia, przedstawię wam jeszcze jeden interesujący eksperyment z modelem cząsteczkowym – możliwe, że najciekawszy ze wszystkich. Gdziekolwiek teraz siedzicie, otaczające was przedmioty odczuwacie jako różniące się temperaturą: ciepłe albo zimne. Ale w zamkniętym pomieszczeniu wszystkie przedmioty mają przecież taką samą temperaturę, a mianowicie temperaturę pomieszczenia. Dlaczego więc metalowa łyżka jest wyraźnie chłodniejsza niż drewniany stół?

No dobrze, jedna rzecz w tym pomieszczeniu nie ma temperatury pomieszczenia – jest to wasze ciało. Ono ma własną temperaturę i jest ona wyższa niż temperatura pomieszczenia (przynajmniej mam nadzieję, że tak właśnie jest). To, co czujecie, kiedy dotykacie łyżki czy drewnianego stołu, to nic innego, tylko temperatura waszego własnego ciała! Kiedy ciepło waszego ciała jest szybko odprowadzane, dotykany przedmiot odczuwacie jako zimny, kiedy zaś będzie ono odprowadzane powoli, czujecie, że ów przedmiot jest ciepły. Kiedy więc biorę do ręki łyżkę, atomy mojej dłoni uderzają w cząsteczki łyżki i wprowadzają je w ruch. Im szybciej poruszają się atomy metalu łyżki, tym cieplejsza robi się łyżka. Metal jest dobrym przewodnikiem ciepła: kiedy w atomy metalu uderzają atomy moich palców, ten ruch jest szybko rozprowadzany w łyżce. A dlaczego metal jest tak dobrym przewodnikiem ciepła? To zależy od rodzaju wiązań chemicznych wewnątrz metalu. W rozdziale 8 przyjrzymy się im dokładniej. Ale najpierw wyobraźcie sobie, że wiązania chemiczne w metalu to rusztowanie do wspinaczki wykonane z lin. Jeśli dziecko w czasie wspinaczki skacze na jednej z lin albo huśta się na niej, ruch ten szybko przechodzi na całe rusztowanie. Drugie dziecko − znajdujące się po drugiej stronie rusztowania – też będzie się huśtać. Jednocześnie ruch skaczącego dziecka będzie tłumiony, bo zadziała zasada zachowania energii: przenosi ono energię swojego ruchu na sieć całego rusztowania i na drugie dziecko i w efekcie jego własne ruchy będą zwalniać. Patrząc od strony termodynamiki, należy to wytłumaczyć w następujący sposób: wolniejszy, bardziej pozbawiony energii – chłodniejszy.

Istnieją też rusztowania do wspinaczki wykonane ze sztywnych elementów. Kiedy jedno dziecko podskakuje na jednym z nich, nie ma to zbyt wielkiego wpływu na drugie dziecko na tym samym rusztowaniu. Ruchy pierwszego dziecka prawie nie będą wytłumione ani też dokądkolwiek przenoszone, dlatego też będą szybsze, a dziecko w efekcie będzie bardziej rozgrzane. Takie rusztowanie dobrze obrazuje zły przewodnik ciepła – drewno. Jeśli położycie rękę na drewnianym stole, wprowadzicie w ruch tylko te jego atomy, które znajdują się w bezpośredniej bliskości ręki. Ruch nie rozchodzi się dobrze w drewnie, a ono samo jest odczuwane jako cieplejsze niż metalowa łyżka.

Jeśli temperatura nie jest niczym innym niż jedynie ruchem cząsteczek, można lepiej zrozumieć drugą zasadę termodynamiki. Mówi ona, że ciepło zawsze przechodzi od ciepła do zimna, nigdy odwrotnie. Jeśli włożysz butelkę coli do wiadra pełnego kostek lodu, to nie zimno z lodu popłynie w stronę coli, lecz na odwrót: ciepło z butelki popłynie w stronę kostek lodu, one się ogrzeją, a butelka poprzez to się schłodzi. Jeżeli więc kiedyś usłyszycie, jak ktoś mówi: Zamknij okno, bo zimno wchodzi do środka − zaprzeczcie tej termodynamicznej bzdurze i powiedzcie: Masz chyba na myśli to, że ciepło wychodzi na zewnątrz! A jeśli do tego będzie was irytowało, że ktoś mówi o „trwonieniu energii”, możecie niepostrzeżenie wmieszać się między nerdów. Gratulacje − właśnie opanowaliście wprowadzenie do fizykochemii! I stało się to, jeszcze zanim zdążyłam wypić swoją kawę.

Matthias wchodzi do kuchni i przepraszającym gestem gładzi mnie po głowie.

– Przepraszam, zapomniałem ci powiedzieć, że idę dziś pobiegać.

– Już dobrze – odpowiadam. – I tak muszę znów dopasować mój rytm snu.

W weekendy uwielbiam się wysypiać. Zawsze wtedy przechodzę w stan, który określam jako socjalny jet lag. Mój okołodobowy rytm nie rozróżnia oczywiście weekendów od dni powszednich. Weekendy to supersprawa, ale jednocześnie nowoczesna konstrukcja społeczna, z którą moje ciało nie za bardzo wie, co robić. Nasz naturalny poziom melatoniny jest mniej lub bardziej zależny od słońca, a jednak gdy ono wschodzi, jestem śmiertelnie zmęczona, za to wieczorem o wiele za późno kładę się do łóżka. Moje życie z kawą, sztucznym światłem i upiornymi budzikami ciągle dostarcza mojemu ciału fałszywych bodźców. Badacze zaobserwowali, że jeden tydzień mieszkania pod namiotem w przyrodzie, z dala od kawy, sztucznego światła i komórek, pozwala na nowo dopasować poziom melatoniny do czasu słonecznego. Niestety − nie lubię sypiać w namiocie.

To jednak rzeczywiście osobliwa sprawa: nasz wewnętrzny zegar funkcjonuje także bez światła. Na ziemi, której doba trwa 24 godziny, rozwinęliśmy się tak, że nasz wewnętrzny zegar ustawiony jest − z małymi odchyleniami − na dobę trwającą właśnie 24 godziny. Światło pomaga nam ustawić nasz wewnętrzny zegar, zsynchronizować dni i – na przykład dopasować się do jet lagu po dalekiej podróży samolotem.

W 2017 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny otrzymało trzech amerykańskich badaczy, którzy odkryli tajemnicę naszego wewnętrznego zegara. Umieścili oni muszki owocówki w dwóch osobnych pomieszczeniach, które opisali jako Nowy Jork i San Francisco, oraz zaaranżowali oświetlenie pomieszczeń zgodnie z rytmem słońca obu położonych na wybrzeżu miast. Co jakiś czas muszki były umieszczane w „samolocie” (szklany pojemnik) i podróżowały do drugiego „miasta”. Amerykanie obserwowali, jak muszki radziły sobie z jet lagiem trwającym trzy godziny, i ustalili, że za wewnętrzny zegar odpowiadają dwa różne geny. A jeśli chodzi o geny, chemia zaczyna być naprawdę ciekawa! Nasze DNA to nie tylko same molekuły – nasze geny zawierają zakodowane informacje o tym, co jest nam potrzebne do życia, a także wiadomości na temat naszego wewnętrznego zegara. Owe kody mogą być odczytywane i tłumaczone, co przekłada się na produkcję protein. Mówiąc inaczej: geny mają swój plan, a proteiny wcielają go w życie. (Proteiny, czyli białka, to bardzo sprytne molekuły, o których dowiemy się nieco więcej w dalszej części książki). Oba zegarowe geny produkują więc dwie zegarowe proteiny. W ciągu dnia stężenie obu białek początkowo rośnie. Potem jednak łączą się one w całość i po stworzeniu takiego teamu są w stanie wcielić w życie właściwy plan genów, którym jest zahamowanie własnej produkcji. Tak, dobrze przeczytaliście. Proteiny te są produkowane po to, aby powstrzymać własną produkcję. Powodują one, że ich własnych genów nie można już „odczytać”. Podobnie jak w przypadku kortyzolu i stresu, mamy tu do czynienia z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Jeśli nowe zegarowe proteiny nie są już produkowane, ich stężenie spada. W końcu jest ono tak niskie, że odczytanie genów nie będzie zahamowane – i wówczas produkcja protein rozpoczyna się na nowo. Całkowity cykl trwa właśnie 24 godziny. Dzień i noc są więc zakodowane w naszych genach.

Ja jednak czuję, że z moimi genami coś jest nie w porządku. Jestem przekonana, że moje ciało zaprogramowane jest na dzień trzydziestogodzinny – potrzebne mi są o wiele dłuższe dni i o wiele więcej snu. Chciałabym się poddać jakimś badaniom w tym kierunku.

– Muszę już iść – mówi Matthias.

Moja komórka wibruje. Ze zdziwieniem stwierdzam, że to Christine. O tej porze już nie śpi?

„Zdaje mi się, że Jonas umarł”, pisze.

„Zaraz do ciebie zadzwonię”, odpisuję.

Matthias, już w stroju do biegania, wsuwa głowę przez otwarte drzwi i pyta, czy ma wziąć klucz.

– Nie – odpowiadam. – I zamknij drzwi, ciepło ucieka!

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI