Dlaczego bumerangi wracają mikrofalówka grzeje a stawy strzelają

Dlaczego skóra na palcach marszczy nam się w wannie, grzmot grzmi, a żarówka świeci?

Co sprawia, że ostra papryczka piecze, co dzieje się wewnątrz zegara kwarcowego i jak właściwie działają czujniki ruchu na podczerwień?

Zajdziesz tu odpowiedzi na te i mnóstwo innych pytań o naukowe wyjaśnienia otaczających nas zjawisk.

Oto książka dla ciekawych świata i wszystkich, którzy chcą pogłębić swoją wiedzę. Autor zabiera nas w naukową podróż, podczas której odkryjemy fascynujące zjawiska i technologie w świecie wokół nas oraz w podręcznych gadżetach, które traktujemy jak coś zupełnie oczywistego.

Poznanie naukowych podstaw ich działania to jednak nie tylko ciekawostki i wiedza bezużyteczna, to także nasze odkrycia w codziennym życiu, które pozwalają zrozumieć świat.

Odkryj zadziwiającą i wciągającą naukę w codziennym życiu!

Dr Marty Jopson studiował nauki przyrodnicze na Uniwersytecie Cambridge, a następnie uzyskał doktorat z biologii komórki. Jest stałym reporterem naukowym w programie The One Show na kanale BBC One, współpracował również m.in. z Discovery Channel i National Geographic.

Wstęp

Każdego dnia wokół nas roi się od fascynujących przykładów działania nauki. A mimo to często ich nie dostrzegamy. Nauka ukrywa się na widoku – obecna w codziennych zjawiskach i zamknięta w poręcznych gadżetach, które traktujemy jak coś oczywistego. Najciekawsze jej aspekty mamy dosłownie przed oczami – i kompletnie ich nie zauważamy.
Jednak gdy tylko zatrzymamy się na chwilę i zerkniemy pod powierzchnię, ze wszystkiego natychmiast zaczyna przebijać fascynujący blask naukowych ciekawostek . Weźmy choćby ostre jedzenie i pytanie, co tak naprawdę wywołuje uczucie pieczenia.
Działanie kapsaicyny – cząsteczki odpowiedzialnej za ostrość papryczek chili – zostało zbadane aż do poziomu molekularnego.
Ale to dopiero początek tej pikantnej opowieści . Istnieją też inne ostre związki, takie jak piperyna, gingerol, izotiocyjanian allilu czy łamiący język (i na chwilę go paraliżujący) hydroksy–α-sanshool. Każda z tych cząsteczek działa inaczej, ale wszystkie wpływają bezpośrednio na nasze nerwy, imitując ból.
Nawet najbardziej zwyczajne urządzenia techniczne, którym nie poświęcamy choćby chwili uwagi, potrafią skrywać zaska-kującą naukę. Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, co dzieje się wewnątrz zegara kwarcowego? A przecież system sprzężenia zwrotnego, który wprawia kryształ kwarcu w drgania, to dia-belnie sprytna konstrukcja. I nie ogranicza się ona wyłącznie do zegarków – znajdziemy ją w każdym smartfonie, komputerze i tablecie. A co z czujnikami ruchu na podczerwień – tymi, które są częścią każdego systemu alarmowego i po cichu obserwują nas w codziennym życiu? Ich geniusz tkwi we wnętrzu – dzięki sprytnemu połączeniu dwóch maleńkich kryształków czujnik może „widzieć” fragmenty spektrum, których nie dostrzegamy, a do tego reaguje wyłącznie na poruszające się źródła promieniowania podczerwonego powyżej określonej wartości.
Gdy już uda się zrozumieć podstawy, bardzo często trafiamy nagle na samą linię frontu nauki, miejsce, gdzie jedyna odpowiedź brzmi: „Tego jeszcze nie wiemy” . Od pomysłów na odzy-skiwanie platyny z miejskich zamiatarek po zagadkę, dlaczego ćmy krążą wokół światła – życie codzienne wciąż skrywa niezba-dane przez naukę obszary.
Ale czy naprawdę warto je zgłębiać? Na pierwszy rzut oka – niekoniecznie. To, czy wiesz, jak działa toster albo dlaczego siedzenie pod drzewem daje przyjemny chłód, pozornie nie ma większego znaczenia, bo to wszystko dzieje się niezależnie od naszej wiedzy. Jednak zrozumienie tych procesów może uczynić nasze życie ciekawszym i wzbogacić je.
W naszym świecie sterowanym technologią głębsze poznanie może prowadzić do bardziej świadomych decyzji. Czasem będą to z pozoru drobiazgi, które mogą okazać się kluczowe – na przykład: czym bezpiecznie wyjąć kromkę chleba, która utknęła w tosterze? Wiedza, że gołe druty z chromonikieliny przewodzą prąd z gniazdka, powinna przekonać cię, by zamiast metalowego noża użyć drewnianej łyżki albo pałeczki. Jeśli znasz zasadę działania tak prostego urządzenia, jakim jest toster, możesz bezpieczniej się z nim obchodzić i skuteczniej z niego korzystać. Podobnie świadomość, że roślinność obniża temperaturę otoczenia, staje się argumentem za tym, by w miastach tworzyć więcej zielonych przestrzeni.
Nie chodzi jednak tylko o naukę stosowaną w codziennych trikach i planowaniu przestrzeni miejskiej. Istnieje również powód mniej uchwytny, ale znacznie głębszy – nauka sprawia, że życie na co dzień staje się ciekawsze. Kiedy znasz kontekst i potrafisz coś wyjaśnić, twoje doświadczenie zyskuje zupełnie nową jakość. Nikt nie zaprzeczy, że to prawda w odniesieniu do sztuki czy literatury, ale to samo dotyczy nauki. Gdy dowiesz się, dlaczego skóra na twoich palcach marszczy się po długim siedzeniu w wannie, już nigdy nie spojrzysz na swoje „rodzynkowate” opuszki w ten sam sposób. Twoja kąpiel właśnie zrobiła się bardziej interesująca.
Ta książka ma odkryć przed tobą zadziwiającą i wciągającą naukę, która skłania do zastanawiania się nad tym, co dzieje się wokół ciebie. I wcale nie chodzi tu o zakurzoną wiedzę sprzed wieków. Aby znaleźć się na samym froncie naukowych odkryć, nie musisz podróżować na krańce świata, lecieć w kosmos ani zderzać cząstek z prędkością światła. Wystarczy, że się rozejrzysz i zanurzysz w subtelnościach i zawiłościach nauki w codziennym życiu.

Słodka sprawa

Soczyste, słodkie truskawki, ciasto jeszcze ciepłe po wyjęciu z piekarnika i – mój ulubiony – miód prosto z plastra… Większość z nas uwielbia słodkie smaki, i to do tego stopnia, że ich poszukiwanie wydaje się wbudowane w nasz mózg. A jednak zdolność odczuwania słodkości jest zaskakująco niespecyficzna – dajemy się nabrać całemu mnóstwu związków chemicznych, które nie mają z cukrem praktycznie nic wspólnego.
Co więcej, jeśli chodzi o poziom słodyczy, to zwykły cukier – czyli sacharoza – wcale nie jest aż tak bardzo słodki. Najsłodszym dotąd odkrytym związkiem chemicznym jest lugdunam – około 250 000 razy słodszy od sacharozy. Sprawia chemikom nie lada kłopot, bo pod względem struktury nie przypomina żadnego innego znanego im cukru. To problematyczne, bo zwykle chemiczne receptory działają na zasadzie rozpoznawania małego fragmentu cząsteczki – wystarczy, że kilka atomów ułoży się we właściwy sposób. Nazywa się to modelem klucza i zamka. Reszta cząsteczki może wyglądać zupełnie inaczej – ważne, by klucz pasował do zamka. Tymczasem sacharoza i lugdunam najwyraźniej nie dzielą tego samego klucza.
Samo pojęcie „cukru” obejmuje grupę związków chemicznych – łańcuchów atomów węgla zawierających tlen, często tworzących pierścień. Najprostsze cukry, takie jak glukoza i fruktoza, to pojedyncze pierścienie. Dwa takie cukry mogą się ze sobą łączyć, budując związki takie jak sacharoza, czyli fruktoza sklejona z glukozą. Wszystkie te substancje mają wspólne cechy strukturalne i łatwo zrozumieć, dlaczego odbieramy je jako słodkie – mają odpowiedni klucz.
Ale gdy spojrzymy na zamienniki cukru, zaczyna robić się ciekawie. Każdy zna słodziki takie jak aspartam, obecny w wielu produktach spożywczych, w tym w napojach typu „light”. Zdaniem wielu osób zamienniki cukru to czysta chemia, zwykłe wynalazki z laboratorium. Tymczasem natura wyprzedziła przemysł dietetyczny o kilka milionów lat i takie słodziki można znaleźć w bardzo zaskakujących miejscach.
Mój osobisty faworyt – bo zupełnie mnie zaskoczył podczas wyjazdu terenowego z ekologii – można znaleźć nad morzem.
Podczas spaceru po skalistym wybrzeżu wypatrujcie wodorostów o nazwie Saccharina latissima, znanych też jako kelp cukrowy. Kiedy już się wie, czego szukać, łatwo je rozpoznać. Są brązowe, mają długie, jednolite, niepodzielone blaszki, często o długości dwóch metrów i szerokości od 10 do 15 centymetrów.
Ich boczne krawędzie są charakterystycznie płaskie lub lekko pofalowane, a środek wyraźnie pomarszczony. Jeśli pozwoli się takiemu wodorostowi wyschnąć, na jego powierzchni pojawia się biały proszek – słodki, z morską nutką. Zanim jednak zaczniesz lizać wodorosty, sprawdź je w porządnym atlasie. Choć kelp jest popularny w Japonii, inne kraje podchodzą do niego z większą rezerwą.
Możesz też sięgnąć po glicyryzynę – związek występujący w korzeniach Glycyrrhiza glabra, rośliny znanej pod nazwą lu-krecja gładka, używanej do produkcji charakterystycznych czarnych cukierków. Glicyryzyna jest „zaledwie” 50 razy słodsza od sacharozy, ale za to jej smak długo utrzymuje się na języku, co jest jedną z jej cech charakterystycznych. Warto jednak zachować umiar w jej spożywaniu – może podnosić ciśnienie krwi i działać przeczyszczająco.
Ostatni przykład słodzika z naturalnego źródła to znana ci zapewne stewia, a dokładniej: glikozydy stewiolowe, związki chemiczne pozyskiwane z południowoamerykańskiej rośliny zwanej miodowym liściem. Są one około 150 razy słodsze od sacharozy, odporne na wysoką temperaturę, nie rozkładają się w kwasach i nie fermentują pod wpływem drożdży. Dzięki temu idealnie nadają się jako dodatek do żywności. Do tego stopnia, że zarówno Coca-Cola, jak i PepsiCo zaczęły produkować słodziki na bazie stewi.
Co łączy te bezcukrowe zamienniki cukru? Wszystkie mają jedną wspólną cechę – strukturalnie przypominają sacharozę.
Nic więc dziwnego, że nasze kubki smakowe odbierają je jako słodkie – każdy z nich posiada klucz do „zamka słodyczy”. Ale jak to możliwe, że super słodki lugdunam też tak działa? Tutaj z pomocą przychodzą teorie naukowe. Najnowsza z nich to tak zwana wielopunktowa teoria połączeń (ang. multipoint at-tachment theory), opracowana przez biologów z Uniwersytetu w Lyonie. Zakłada ona, że receptor odpowiedzialny za wykrywanie słodkiego smaku na języku nie rozpoznaje jednej dużej struktury, lecz aż osiem mniejszych rozproszonych obszarów.
Wygląda na to, że cząsteczka nie musi mieć wszystkich ośmiu kluczy, by została uznana za słodką. Nie jest to więc już klasyczny model klucza i zamka, tylko raczej drzwi z mnóstwem zamków i breloczek z pękiem miniaturowych kluczyków. Taka koncepcja elegancko wyjaśnia, dlaczego lugdunam, mimo że zupełnie nie przypomina sacharozy, nadal wywołuje wrażenie słodyczy. Obie cząsteczki otwierają wystarczającą liczbę „zamków słodyczy”, by nasz język zarejestrował je jako słodkie. Możliwe, że otwierają różne zestawy tych zamków, ale okazuje się, że nasz język to nie jakiś specjalnie wybredny koneser, a cukier cukrowi nierówny.

Chemia puszystych ciast

Moim zdaniem nie ma nic bardziej satysfakcjonującego niż kawałek świeżego, pulchnego ciasta i kubek gorącej herbaty.
Upieczenie takiej lekkiej i puszystej perły sztuki cukierniczej jest zaskakująco proste. Potrzebujesz dwóch rzeczy: czegoś, co wyprodukuje mnóstwo pęcherzyków gazu, i czegoś, co uwięzi je w cieście. Drugą część zadania niemal zawsze załatwia jajko – niezastąpiony składnik wiążący i stabilizujący strukturę.
Jeśli chodzi o pęcherzyki, to mamy tu kilka możliwości. Oczywiście można wprowadzić powietrze, ubijając jajka, ale znacznie łatwiej i pewniej jest wykorzystać odrobinę chemii. Do większości moich wypieków używam mąki z proszkiem do pieczenia, który samodzielnie produkuje potrzebne pęcherzyki gazu.
Proporcja to około 5 g proszku na każde 100 g zwykłej mąki pszennej. Co sprawia, że proszek do pieczenia jest mistrzem wytwarzania bąbelków?
Składa się on z dwóch kluczowych składników. Pierwszy, to wodorowęglan sodu – oficjalnie nazwany tak przez IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry, Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej), a zwany potocznie sodą oczyszczoną, sodą kuchenną albo po prostu bicarbem.
Druga część nazwy odnosi się do związku chemicznego sodu i nie jest szczególnie ekscytująca. Cała magia tkwi w wodorowęglanie. Gdy rozpuści się go w czymś kwaśnym, powstaje kwas węglowy, który błyskawicznie rozpada się na wodę i dwutlenek węgla. A wszystkie bąbelki w cieście to właśnie pęcherzyki CO₂.
Ciekawostka: wodorowęglan sodu rozkłada się również pod wpływem temperatury powyżej 50°C. Część proszków do pieczenia ma tak zwane podwójne działanie – reagują zarówno z kwasem, jak i z ciepłem piekarnika.
Prawdziwy spryt proszku do pieczenia ujawnia się jednak dopiero po dodaniu drugiego składnika: wodorofosforanu sodu.
Brzmi to strasznie skomplikowanie, ale to po prostu suchy kwas w proszku. Po zmieszaniu z wodą tworzy lekko kwaśny roztwór, porównywalny z odrobiną soku z cytryny – tyle że bez zapachu.
Oba te składniki proszku do pieczenia są zupełnie bierne, dopóki leżą razem w paczce. Ale gdy wrzucimy je do czegoś wilgotnego – mleka, jajek, wody – zaczyna się reakcja. Kwas lekko zakwasza ciasto, a soda zaczyna produkować dwutlenek węgla.
Dlatego, kiedy już dodasz płyn do mąki z proszkiem, nie ma co się ociągać, trzeba włożyć ciasto jak najszybciej do piekarnika, zanim bąbelki uciekną. Jeśli surowe ciasto będzie zbyt długo stało na blacie, to po puszystości. Może i wyjdzie smaczne, ale pod względem struktury nie będzie to już ciasto marzeń.

Jak nadać chrupkość krewetkom

Bez względu na to, czy nazywasz je chipsami krewetkowymi, krakersami z krewetek czy prażynkami, jedno jest pewne: gdy pojawią się na stole w azjatyckiej knajpie, znikają szybciej, niż zdążysz zapytać, z czego są zrobione. A jednak – tak, one naprawdę zawierają krewetki! Jak na produkt, który wygląda na mocno przetworzony, lista jego składników jest zadziwiająco krótka. Krewetki stanowią około 10–15%, a reszta to skrobia z tapioki. I tu zaczynają się kulinarne cuda: jak z prostych składników powstaje chrupiący balonik? Pierwszym krokiem jest zro-bienie krążka ze skrobi.
Kluczowy składnik – skrobia z manioku – sam zawiera kilka naukowych niespodzianek i pochodzi z bulw manioku. Te przypominające bataty korzenie są podstawą diety całych populacji ludzi w tropikach. Zaskoczeniem może być fakt, że maniok to jednocześnie bogate źródło cyjanku! Może on prowadzić do ostrych lub chronicznych zatruć. Istnieją różne odmiany manioku: gorzki i słodki – te pierwsze są groźne dla zdrowia i zawierają linamarynę, czyli glukozę przyczepioną do cyjanku. Kiedy obierasz lub kroisz korzeń, aktywują się enzymy, które rozkładają linamarynę i uwalniają cyjanek. Dlatego ekstrakcja skrobi z manioku musi obejmować „odtrucie”. Najpierw maniok zostaje starty, co uruchamia reakcję. Potem na kilka dni wszystko ląduje w wodzie. Cyjanek się rozpuszcza, a wymiana wody pozwala skutecznie go wypłukać. Na koniec papkę się odciska i wyrzuca, a biały płyn pozostawia do odparowania. Zostaje czysty, bardzo drobny proszek – skrobia.
Krakersy krewetkowe można zrobić samemu . Wystarczą mielone krewetki, skrobia i odrobina wody, następnie należy uformować z tego wałek i ugotować go na parze. W efekcie powstaje wyjątkowo mało apetyczny kleisty glut, który trzeba suszyć przez kilka dni, potem pokroić w cienkie plasterki i znów suszyć.
W końcu otrzymujemy twarde półprzezroczyste krążki przypominające plastik. Ale jeśli wrzucić je na gorący olej… puff! – chrupiący krewetkowy balonik gotowy.
Proces przemysłowy jest jeszcze bardziej skomplikowany.
Najważniejsza jest wilgotność: musi być perfekcyjna. Używa się suchego proszku z krewetek, skrobi i odrobiny wody. Całość trafia do prasy, która jednocześnie kompresuje i podgrzewa mieszankę. Ciśnienie w tej prasie jest ogromne, nawet dwie tony na centymetr kwadratowy. Pod wpływem temperatury i ciśnienia skrobia topnieje i zmienia się w termoutwardzalny materiał, czyli substancję, która mięknie pod wpływem ciepła, ale po ostygnięciu jest twarda jak skała. Maszyna wyrzuca z siebie cienkie, białe, półprzezroczyste dyski. Można je kupić w sklepach z azjatycką żywnością. Przechowywane w szczelnym opakowaniu będą mieć naprawdę długi termin przydatności do spożycia.
Wspomniałem, że kluczowa jest zawartość wody na początku procesu. Gdy wrzucasz krążek ze skrobi na gorący olej, wewnątrz tej skrobiowej masy musi znajdować się odpowiednia ilość wody.
Po wrzuceniu na olej dzieją się dwie rzeczy. Po pierwsze – termoutwardzalna skrobia nagrzewa się i ponownie staje się miękka oraz płynna. Po drugie – niewielka ilość uwięzionej wody zamienia się w parę i zwiększa swoją objętość. Gdy te drobinki wody przekształcają się w bąbelki pary wodnej otoczone cienką warstwą skrobi, płaski dysk nadyma się i przekształca w znajomą chrupką przekąskę. Wtedy, zanim skrobia zdąży zbrązowieć, należy błyskawicznie wyłowić prażynkę z oleju. W trakcie stygnięcia masa znów twardnieje i staje się krucha. Ale zamiast litego krążka mamy teraz masę napowietrzoną – chrupką i absolutnie pyszną. Może się wydawać, że to bardzo niszowy sposób gotowania, ale dokładnie ten sam proces wykorzystuje się przy produkcji wielu codziennych produktów spożywczych i nie tylko – od dmuchanych płatków śniadaniowych, przez popcorn, aż po te napompowane „robaczki” z pianki, które upycha się w pudełkach, żeby zabezpieczyć zawartość podczas transportu. Czyli to jednak nic takiego nadzwyczajnego.