Учёные нашли у пчёл необычный пластик, способный заменить полиэтилен
Американские учёные обнаружили, что некоторые пчёлы способны производить природный материал, напоминающий обычный полиэтилен, но разлагающийся в почве значительно быстрее. За четыре месяца содержание этого полимера в оболочках пчелиных гнёзд снизилось с 73 до 40% их массы. Открытие может помочь в создании новых видов биоразлагаемого пластика, который не будет сохраняться в окружающей среде столетиями.
Необычный материал производят одиночные земляные пчёлы вида Colletes inaequalis, которых также называют целлофановыми пчёлами. В отличие от медоносных пчёл, они не живут в ульях большими семьями, а строят отдельные гнёзда под землёй. Внутренние стенки ячеек самки покрывают тонкой полимерной плёнкой, защищающей потомство от влаги и неблагоприятных условий. По своим свойствам такое покрытие напоминает пластик, хотя создаётся непосредственно организмом насекомого.
Исследование провели специалисты Виргинского политехнического университета и Университета Теннесси при участии коллег из Миннесотского университета. Группа под руководством Джонатана Кута и Лоры Руссо изучила оболочки пчелиных гнёзд, собранные в двух районах штата Теннесси в 2023, 2024 и 2026 годах. Учёные исследовали химический состав, молекулярную структуру и изменения материала после пребывания в почве.
Выяснилось, что пчёлы производят природный полиэфир, кристаллическая структура которого напоминает полиэтилен — один из самых распространённых синтетических пластиков. Из полиэтилена изготавливают упаковку, контейнеры, бутылки и множество других изделий. Ежегодно в мире производится около 160 млн тонн этого полимера, а его разложение в окружающей среде может занимать столетия.
Пчелиный материал оказался примерно на 60% кристаллическим. Кроме того, исследователи обнаружили признаки поперечных химических связей между полимерными цепями. Обычно подобные особенности повышают устойчивость пластика к разрушению, поскольку делают структуру более плотной и ограничивают доступ воды и микроорганизмов. Однако природный полиэфир пчёл продемонстрировал противоположное поведение.
При изучении гнёзд разного возраста оказалось, что доля полиэфира в свежих оболочках составляет около 73% их массы, а спустя четыре месяца пребывания в почве снижается приблизительно до 40%. Это изменение отражает существенное разрушение полимерного компонента, хотя не означает, что вся оболочка потеряла 33% первоначальной массы. Наблюдения за материалом продолжались до 11 месяцев и подтвердили его дальнейшее разрушение в естественных условиях.
Исследователи предполагают, что разложению способствуют ферменты эстеразы, способные расщеплять эфирные связи в полимерных цепях. Активность таких ферментов обнаружили как в свежих оболочках гнёзд, так и в образцах возрастом четыре месяца. Дополнительную роль может играть необычное строение кристаллических областей, оставляющее химические связи доступными для воздействия ферментов и воды. Точный механизм разрушения материала пока не установлен.
Научный интерес представляет сочетание устойчивости и способности к разложению. Многие искусственные полиэфиры, разработанные как экологичная замена полиэтилену, плохо разрушаются в обычной почве и требуют специальных условий промышленного компостирования. Пчёлы же создают защитную оболочку, которая сохраняет необходимые свойства во время развития потомства, но постепенно разрушается после выполнения своей функции.
Авторы исследования не планируют использовать пчёл для промышленного производства пластика. Их задача — выяснить химические принципы образования и разрушения природного полимера, чтобы впоследствии воспроизвести их в лаборатории. Пока учёные не получили синтетический аналог с подтверждёнными характеристиками, пригодный для массового изготовления упаковки и других изделий.
Исследование в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.