Lumina vie: chimia bioluminescenţei

Manifestările bioluminescente constituie una dintre minunile lumii naturale. Frumuseţea pură a luminilor din dansul aerian al licuricilor, sau strălucirea valurilor albastre cauzate de planctonul din ocean, au fascinat oamenii de milenii. Deşi încă găsim încântare vizuală în astfel de manifestări, acum suntem capabili să înțelegem chimia care stă la baza acestora – şi chiar o putem adapta pentru a fi utilizată în laborator sau în practică.

O multitudine de organisme, de la insecte, peşti şi moluşte, la bacterii şi plancton, pot face lumină – lucru ştiut de mii de ani. Autorul roman Pliniu-cel-Bătrân descria un crustaceu comestibil, Pholas dactylus, care emitea lumină atunci când era mâncat. Tot din însemnările lui Plinius aflăm şi despre o ciupercă de copac, Omphalotus olearius, care produce incandescenţă pe timp de noapte.

Dar poate că cele mai spectaculoase manifestări de bioluminescenţă provin de la planctonul dinoflagelat, care produce valurile albastre strălucitoare văzute uneori pe suprafața oceanului. Forme mai exotice de bioluminescență se găsesc în adâncurile oceanului; acolo unde nu ajunge deloc lumină de la soare, multe specii şi-au confecţionat propria lumină. Admirabil este peștele-pescar, care foloseşte o lumină suspendată pe propriul craniu pentru a ademeni prada până chiar în dreptul dințiilor săi.

Bioluminescenţa – lumina produsă de oragnismele vii – este prezentă adesea în natură, dar ce avantaje aduce ea speciei care o produce? De fapt, sunt mai multe avantaje, precum:

• Aposematismul (aparenţa de toxicitate) – pentru a părea necomestibil prădătorilor potenţiali. Exemple: licuricii Photinus ignitus şi Lucidata atra.
• Apărare – pentru a speria pradătorii prin emiterea unui impuls luminos în apropiere. Exemplu: mictofidele (peşte-lanternă).
• Curtarea – pentru a comunica înainte sau în timpul împerecherii. Exemplu: licuricii.
• Momeală – pentru a atrage prada potenţială la sursa de lumină. Exemplu: peştele-pescar.
• Camuflaj – pentru a ajuta animalul să se confunde cu mediul înconjurător. După cum se poate vedea, un animal marin va arăta mai închis pe fundalul apei luminoase de la suprafaţă, astfel că producând propria lumină îl va ajuta să se ascundă de predători potenţiali. Exemplu: calmarii, precum Abralia verany.

Culori strălucitoare

În natură, bioluminescenţa produce diferite culori, însă cele mai răspândite sunt albastrul, verdele şi galbenul. Culoare distinctă pe care o specie o emite depinde de mediul în care aceasta a evoluat. Emisia albastră are loc de obicei în adâncimile oceanului, lumina verde se întâlneşte la speciile trăind dealungul liniei de coastă marină, iar galbenul (şi vernilul) este tipic în apele dulci şi la speciile terestre.

Care sunt procesele chimice care produc de fapt bioluminescența? Și cum se obțin diferitele culori – albastru, verde, galben?

Din punct de vedere chimic, cele mai multe fenomene de bioluminescență se datorează reacțiilor de oxigenare: oxigenul reacţionează cu substanţele numite luciferine, iar aceasta produce energie sub formă de lumină. Reacțiile sunt catalizate de enzime denumite luciferaze. În acest proces, luciferinele se oxigenează, devinind oxiluciferine. După cum arată tabelul 1, luciferinele folosite de diferitele specii vii și oxiluciferinele care rezultă din reacţie pot fi destul de variate din punct de vedere chimic.

Tabelul 1: Diferitele luciferine şi oxiluciferine găsite în speciile bioluminescente

Specia bioluminescentă	Luciferina	Oxiluciferina
Dinoflagelatele	Luciferina dinoflagelată  C33H3806N4Na2
Calmarii, anumiţi creveţi, anumiţi peşti	Celenterazina C26H2103N3
Licuricii	Luciferina licuriciului C11H8N2O3S2

Aceste reacții sunt foarte eficiente, aproximativ 98% din energia implicată fiind eliberată ca lumină. Aspectul este uimitor dacă facem comparaţia cu eficiența becului tradițional cu incandescență, care poate scădea până la 2%, şi care pierde multă energie sub formă de căldură.

Așa cum se poate observa la diferite specii, anumite luciferine pot produce lumină având mai multe culori (vedeţi tabelul 2). De asemenea, anumite substanțe suplimentare emițătoare de lumină, sau fluorofori, pot schimba culoarea luminescenței. Meduza Aequorea victoria conține un astfel de fluorofor, cunoscut sub numele de 'proteina verde fluorescentă' (GFP). GFP absoarbe lumina albastră produsă prin reacția inițială și o re-emite la o lungime de undă mai mare, ca lumină verde, astfel încât meduza produce o bioluminescență verzuie.

Tabelul 2: Culorile unor luciferine specifice

Luciferina	Luminescenţa maximă (nm)	Culoarea aproximativăw1
Luciferina licuriciului	560 (at pH=7.1)	Verde
	615 (at pH=5.4)	Portocaliu
Luciferina bacteriană	490	Turcuaz
Luciferina dinoflagelată	474	Albastru
Celenterazina	450-480 as an anion	Albastrui spre turcuaz
	400 in the –COOH form	Purpuriu

În ultimele decenii, sistemul particular al bioluminescenței a găsit o utilizare importantă în cercetarea științifică: gena care codifică GFP este acum folosită ca "etichetă" genetică pentru a urmări anumite proteine şi pentru a descoperi când sunt exprimate anumite gene. Pentru că GFP strălucește verde în lumină albastră sau ultra-violetă, este foarte ușor de detectat (vedeţi Furtado, 2009). Această cercetare a fost considerată atât de importantă încât a primit Premiul Nobel pentru chimie în 2008^w2.

Din fericire, este destul de uşor să replicăm în laborator tipul de reacţie chimică care generează bioluminescenţă, aşa cum ne arată şi activitatea şcolară descrisă mai jos:

Activitate didactică: bioluminescenţa în laborator

În această lecţie, elevii pot vedea o reacție de luminescență având loc atunci când se amestecă reactivii chimici. Ingredientul cheie este luminolul, o substanță sintetică chemoluminescentă, care produce o strălucire albastră când reacționează chimic. Cu toate că reacțiile luminolului și a luciferinei sunt diferite – reacția de oxidare a luminolului este catalizată de fericianura de potasiu, ci nu de o enzimă (pentru mai multe detalii, vedeţi Welsh, 2011) – rezultatul este același: luminescența.

Partea finală a activităţii de laborator trebuie să se desfăşoare într-o locaţie întunecoasă, pentru a putea evidenţia lumina.

Materiale

• 1 g luminol (5-amino-2,3-dihidroftalazină-1,4-dione) C₈H₇N₃O₂
• 50 ml hidroxid de sodiu (NaOH) soluţie 10%
• 50 ml cianură ferică de potasiu (K₃[Fe(CN)₆]) soluţie 3%
• Aproximativ 0,5 g cianură ferică de potasiu (K₃[Fe(CN)₆]), solidă
• 3 ml apă oxigenată (peroxid de hidrogen) (H₂O₂), soluţie 30%
• Apă distilată
• Pahare gradate
• Pâlnie
• Pâlnie
• Mensure

Procedura de lucru

1. Într-un pahar gradat dizolvaţi 1 gram de luminol în 450 mililitri de apă distilată.
2. Adăugaţi 50 ml de soluţie hidroxid de sodiu 10% şi amestecaţi.
3. Luaţi 50 ml din soluţia rezultată şi adăugaţi-o peste 350 ml de apă distilată în alt pahar. Aceasta va fi de acum Soluţia A.
4. Într-un al treilea pahar, amestecaţi 50 ml de soluţie de cianură ferică de potasiu 3% cu 350 ml de apă distilată şi cu 3 ml de soluţie peroxid de hidrogen 30%. Aceasta va fi Soluţia B.Pour equal amounts of Solutions A and B into separate cylinders.
5. Turnaţi cantităţi egale din Soluţiile A şi B în mensure separate.
6. Puneţi cinaură ferică de potasiu într-un balon şi puneţi pâlnie la acest balon.
7. Mutaţi balonul într-o locaţie întunecoasă.
8. Trunaţi Soluţiile A şi B în balon în acelaşi timp, şi priviţi ce se întâmplă.

Se va produce pe loc o încântătoare luminescenţă de culoare albastră!

9. Eliminarea deşeului: După încheierea experimentului se va încălzi soluția finală într-o hotă până când volumul său ajunge la 1/8 din cantitatea inițială, apoi se varsă soluția rămasă în rezervorul de reziduuri confecţionat din metal greu.

Ce s-a întâmplat?

Oxidarea luminolului are loc în câteva etape.

1. În timpul preparării Soluţiei A (pasul 2), luminolul reacţionează cu baza (OH^-):

2. Când se prepară Soluţia B (pasul 4), peroxidul de hidrigen se descompune şi formează radicalul anion de superoxid O₂^.-. Această reacţie este catalizată de ionul de hexacianoferat (III).
3. Când Soluţiile A şi B se amestecă (pasul 8), luminolul este oxidat de anionul de hexacianoferat (III), formând un radical anion:

Deci ionul hexacianoferat are un dublu rol: el catalizează formarea anionului radical de superoxid, O₂^. , dar şi oxidează luminolul într-un radical anion. Fierul trebuie să fie într-o formă complexă, precum [Fe(CN)₆] ³, pentru a preveni precipitarea de Fe(OH)₃ în mediul puternic alcalin.

4. Anionul radical de luminol reacţionează cu anionul radical de superoxid, O₂^.-:

   

5. Compusul rezultat este instabil şi se descompune producând azot dar şi o formă ionizată de aminoftalat:

   

6. Compusul ionic se transformă apoi şi ajunge într-o formă stabilă prin emiterea unei diferenţe de energie sub formă de lumină:

   

Întrebări pentru dezbatere

• În reacţia luminolului, de unde provine energia emisă sub formă de lumină?
• Care este rolul ferocianurii de potasiu? În reacţiile de luminescenţă naturală, ce substanţă joacă acest rol?
• Care substanţă este responsabilă de oxidare în reacţia luminolului? Este la fel în cazul fenomenului natural?

Extensie

Există o mulţime de informaţii disponibile despre bioluminescenţă (vedeţi secţiunea de resurse pentru exemple). Elevii pot continua această lecţie cu cercetări proprii.

De exemplu:

• Aplicări ale bioluminescenţei în natură. Găsiţi cât mai multe motive pentru care bioluminescenţa este o adaptare utilă. Pentru ficare tip de adaptare identificaţi câteva specii care beneficiază de ea.
• Chimia bioluminescenţei. Aflaţi despre câteva reacţii specifice de chemoluminescenţă care au loc în natură. Cât de asemănătoare sunt ele cu reacţia luminolului?
• Culorile bioluminescenţei. Căutaţi informaţii despre cum se produc culorile.
• Evoluţia bioluminescenţei. A evoluat în mai multe etape sau doar într-una?
• Folosirea luminolului în investigaţii criminalistice. Aflaţi cum este folosit luminolul în analizele judiciare şi despre chimia acestei utilizări (vedeţi şi Welsh, 2011).