Tradus de Mircea Băduţ.
Daţi strălucire lecţiilor de chimie folosind bioluminescenţa.
Pentru imagine mulţumim lui
Chris Favero; sursa imaginii:
Flickr
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.
Photinus pyralis
Pentru imagine mulţumim lui
Terry Priest; sursa imaginii:
Flickr
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:
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.
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.
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 2008w2.
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:
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.
se recomandă participanţilor să poarte ochelari de protecţie, halat de laborator şi mănuşi de protecţie. O atenţie specială se va acorda manipulării soluţiei de 30% peroxid de hidrogen, deoarece aceasta reacţionează violent în prezenţa anumitor catalizatori. Închideţi sticla de îndată ce aţi scos cei 3 ml de soluţie necesari în experiment.
Consultaţi şi recomandările generale de siguranţă ale revistei Science in School.
Se va produce pe loc o încântătoare luminescenţă de culoare albastră!
Oxidarea luminolului are loc în câteva etape.
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.
Există o mulţime de informaţii disponibile despre bioluminescenţă (vedeţi secţiunea de resurse pentru exemple). Elevii pot continua această lecţie cu cercetări proprii.
De exemplu:
Activitatea aceasta face parte dintr-un proiect interdisciplinar mai amplu, pus la punct cu elevi de 14-15 ani pentru a explora tehnici străvechi. Pliniu-cel-Bătrân (23-79 e.n.) a fost scriitor roman şi naturalist, iar enciclopedia sa, Naturalis Historia, a reunit multe dintre cunoştiinţele ştiinţifice ale vremii. În această activitate didactică am început fiecare subiect discutând un pasaj din Naturalis Historia şi apoi am încercat să recreem experimentele descrise în acel text sau am realizat experimente similare.
În acest fel elevii au pornit de la aceeași stare pre-științifică ca Pliniu și, prin munca de laborator și prin discuții, au dobândit cunoștințe științifice moderne pe fiecare dintre subiectele studiate. Procesul a fost motivaţional chiar și pentru elevii mai puţini entuziaşti.
Alte activități în cadrul proiectului includ sintetizarea indigoului (Farusi, 2012),recrearea de parfumuri antice (Farusi, 2011), ), prepararea de hipercuburi de sticlă cu acid boric, și prepararea cernelii de fier-tanin (Farusi, 2007).). Întregul proiect a fost prezentat pe Scena Festivalului Internațional de Ştiinţăw3 iîn Copenhaga, Danemarca, în 2011.