Canlı ışık: biyolüminesanın kimyası Teach article

Çeviri: Hikmet Geçkil ve Esmanur Eren. Biyolüminesanı inceleyerek kimya derslerinizi aydınlatabilirsiniz.

Denizanasının bir
biyolüminans resmi.

Resim Chris Favero’in izniyle;
resmin kaynağı: Flickr

Biyoluminisan (biyoişıma) görüntüleri dünyanın doğa harikalarından biridir.  Ateş böceklerinin dans ışıkları ya da okyanus planktonlarının oluşturduğu mavi dalgaların saf güzelliğine binlerce yıldır insanlar hayranlık duymaktadır. Hala bu tür görüntüleri görsel bir zevk olarak bulurken, son yıllarda bu oluşumun kimyasını anlayabilir ve laboratuarda veya başka bir yerde kullanmak üzere adapte edebiliyoruz.

Böceklerden, balıklara ve yumuşakçalardan bakteri ve planktonlara kadar ışık üretebilen geniş bir organizma çeşitliliğinin olduğu binlerce yıldan beri bilinmektedir. Romalı yazar Pliny the Elder yenildiğinde korkutucu şekilde ışık yayan kabuklu bir deniz canlısı (Pholas dactylus) tanımlamıştır. Pliny ayrıca akşamları harika parlaklık üreten bir ağaç mantarı olan Omphalotus olearius’u da kaydetmiştir.

Belki de en muhteşem Biyoluminan görüntüler dinoflagellat planktonundan gelen görüntülerdir. Bu plankton, bazen okyanus yüzeyinde görülen mavi parlak dalgaları oluşturur. Biyolüminanın daha egzotik formları okyanus derinliklerinde, fazla güneş ışığı almayan yerlerde bulunur. Bazı türler kendi özel ışıldamalarını yaparlar. Ünlü fener balığı avlarını cezp etmek için doğrudan dişlerinden sarkan bir ışık kullanır.

Ateşböcği; Photinus pyralis
Resim Terry Priest’in izniyle;
resmin kaynağı: Flickr

Biyolüminesan (canlı organizmalar tarafından ışık üretilmesi ) doğada epey yaygındır. Peki, bu durum bunu kullanan türlere nasıl bir avantajlar sağlıyor? Pek çok avantajı arasında aşağıdakiler özellikle öne çıkmaktadır.

  • Aposematizm ( zehirli görünüm): potansiyel yırtıcılara karşı yenilemez görünmek. Örnek; ateşböcekleri Photinus ignitus ve Lucidata atra.
  • Savunma: yakın mesafeden parlak bir flaş yayarak yırtıcılardan korunmak. Örnek; bir fener balığı veya ışıldak balığı.
  • Kur yapma: çiftleşme sırasında ya da öncesinde iletişim kurmak. Örnek; ateşböcekleri.
  • Cezp etmek: avı ışık kaynağına çekmek. Örnek; fenerbalığı.
  • Kamuflaj: hayvanın çevresi (arka zemin) ile uyumlu olmasını sağlamak. Aşağıda görüldüğü gibi bir deniz hayvanı su yüzeyinin parlaklığına karşın koyu görünür. Böylece kendi ışığını üretmek potansiyel avcılardan gizlenebilir. Örnek: Abralia verany gibi mürekkep balıkları.

Parlayan renkler

Doğada, biyolüminesan farklı renkler üretir: çoğunlukla mavi, yeşil ve sarı. Türün evrildiği ortama bağlı olarak yansıttığı ışığın kendine özgü bir rengi vardır. Mavi ışıma genellikle derin okyanuslarda oluşur, kıyı boyunca yaşayan türlerde yeşil ışıma, sarı ve yeşil ışıma tipik olarak tatlı su ve karasal türlerde görülür.

Biyolüminesan oluşumunun kimyası nedir? Ve nasıl farklı renkler (mavi, yeşil, sarı) elde edilebilir?

Kimyasal olarak, çoğu biyolüminesan oksitlenme tepkimeleri nedeniyle oluşur. Oksitlenme tepkimeleri: oksijen lüsiferin denilen maddeler ile tepkimeye girer ve ışık formunda enerji üretilir. Tepkime lüsiferaz denilen bir enzim tarafından katalizlenir. Bu süreçte lüsiferin oksitlenerek oksilusiferin formuna dönüşür. Tablo 1 de görüldüğü gibi farklı türler tarafından kullanılan lusiferin ve elde edilen oksilusiferin kimyasal olarak oldukça çeşitlendirilebilir.

Biyolüminans türleri

Lusiferin

Oksilusiferin

Tablo1: Çeşitli biyolüminesan türlerde bulunan farklı lusiferin ve oksilusiferin

Dinoflagellatlar

Dinoflagellat lusiferin

C33H3806N4Na2

Mürekkep balıkları, bazı karidesler, bazı balıklar

Coelenterazin

C26H2103N3

Ateşböcekleri

Ateşböceği lusiferin

C11H8N2O3S2

Tepkimeye katılan enerjinin % 98’nin ışık olarak serbest bırakılması, bu tepkimelerin çok verimli olduğunu göstermektedir. Bunu, enerjinin büyük miktarlarını ısı ve sadece % 2’sini ışık olarak salan bir ampulle karşılaştırdığımızda, verimi daha net görmüş oluruz.

Farklı türlerde oluşmalarının yanı sıra, lusiferinler birden fazla ışık rengi üretebilirler (tablo 2 de görüldüğü üzere). Ek ışık yayan maddeler veya floroforlar aynı zamanda ışımanın rengini değiştirebilir. Aequorea Victoria denizanası, yeşil florasan proteini (GFP) olarak bilinen bir tür bir florofor içerir. GFP ilk reaksiyonda üretilen mavi ışığı emer ve daha uzun bir dalga boyunda onu yeşil ışık olarak yeniden yayar. Bu yüzden denizanası yeşil biyoparlaklık üretir.

Lusiferin

Luminescence maximum (nm)

Yaklaşık renk w1

Tablo 2: Belli bazı lusiferlerin renkleri
Ateşböceği lusiferini 560 (pH=7’de) Yeşil
Green

615 (pH=5.4’de) Turuncu
Orange

Bakteriyel lusiferin 490 Turkuaz
Turquoise

Dinoflagella lusiferin 474 Mavi
Blue

Coelenterazin 450-480 bir anyon olarak Turkuaz mavi
Blue to turquoise

COOH formunda 400 Mor
Purple

Son yıllarda, bu özel biyoparlaklık sistemi bilimsel araştırmalarda önemli bir kullanım bulmuştur. GFP’yi kodlayan gen şimdi belirli proteinleri izlemek ve belirli genlerin ne zaman ifade edildiğini göstermek için bir genetik “etiket” olarak kullanılmaktdır. Çünkü, GFP mavi veya UV ışığı altında yeşil renkte parladığından, algılamak çok kolaydır (bkz Furtado, 2009). Bu çalışma, 2008’de Kimya Nobel Ödülünü alacak kadar önemli kabul edildiw2.

Neyse ki bizim için biyoışımaya neden olan kimyasal tepkimeleri laboratuarda yapmak, aşağıdaki etkinlikte gösterildiği gibi oldukça kolaydır.

Öğrenci aktivitesi: laboratuarda biyolüminesan görüntüleme

Bu aktivitede öğrenciler, kimyasal ajanları birbirleriyle karıştırdığında gerçekleşen ışıma reaksiyonunu görebilirler. Anahtar madde luminoldür. Luminol sentetik bir kemiluminesandır ve kimyasal tepkimeye girdiğinde mavi ışık üretir. Luminol ve lusiferin farklı reaksiyonlara sahip olmalarına rağmen aynı ışıldama sonuçlarına sahiptirler. (luminolün oksitlenme tepkimesi bir enzimden ziyade potasyum ferrisiyanürle katalizlenir).

Son aşamada daha çok ışık gösterisi yapabilmek için aktivite karanlık bir ortamda gerçekleştirilir.

Malzemeler

  • 1 g luminal (5-amino-2,3-dihydrophthalazine-1,4-dione)
  • 50 ml sodium hidroksit( NaOH ) % 10’luk solüsyon
  • 50 ml potasyum ferricyanide (K3[Fe(CN)6])  %3 ‘lük solüsyon
  • Yaklaşık 0.5 g potasyum ferricyanide (K3[Fe(CN)6])
  • 3 ml hidrojen peroksit (H2O2) % 30’luk solüsyon
  • Distile su
  • Beher
  • Huni
  • Silindir
  • Balon joje

Prosedür

 Güvenlik notu

Koruyucu gözlük, laboratuar önlüğü ve güvenlik eldivenleri giyilmelidir. % 30’luk hidrojen peroksit çözeltisi kullanılırken dikkatli olunmalıdır. Çünkü; katalizör varlığında şiddetli reaksiyon gösterebilir. 3 ml’lik solüsyonu aldıktan sonra şişeyi hemen kapatınız.

Aynı zamanda genel general Science in School güvenlik notlarına da bakınız.

  1. Bir beherin içerisinde, 1 g luminol 450 ml distile su ile çözünür.
  2. 50 ml %10 sodyum hidroksit solüsyonu eklenir ve karıştırılır.
  3. Elde edilen çözeltiden 50 ml alınır ve 350 ml distille su ile başka bir behere aktarılır. Bu artık solüsyon A’dır.
  4. Üçüncü beherde, 50 ml % 3 potasyum ferrisiyanit solüsyonu, 350 ml distile su  ve 3 ml %30 hidrojen peroksit solüsyonu karıştırılır. Bu da solüsyon B’dir.
  5. Solüsyon A ve B’den eşit miktarlarda farklı silindirlere dökülür.
  6. Huni yardımıyla balon jojeye biraz potasyum ferrisiyanit aktarılır.
  7. Balon joje karanlık bir yere kaldırılır.
  8. Solüsyon A ve B aynı anda balon joje içerisine dök ve gözlemle.

Harika bir mavi biyolüminesan ışık hemen gözlemlenecektir.

  1. İmha etme: Konsantrasyon hacmi başlangıç hacminin 1/8 kadarı olana kadar bir çeker ocak içerisinde solüsyonu ısıt,sonra kalan solüsyonu ağır metal atıkları içeren bir tanka dök.

Neler oluyor?

Luminol oksitlenmesi çeşitli aşamalardan oluşur.

  1. Lolüsyon A hazırlanırken (basmak 2), luminol baz (OH) ile tepkime verir:
Step 1
  1. Solüsyon B hazırlandığında (basamak 4), hidrojen peroksit süperoksit radikal anyonu O2.- oluşturmak için parçalanır. Bu reaksiyon hekzasiyanoferrat (III) iyonu tarafından katalizlenir.
  2. Solüsyon A ve B karıştırıldığında (basamk 8), luminol hekzasiyonaferrat (III) anyonu tarafından oksitlenir ve radikal bir anyon oluşur.
Step 3

Hekzasiyanoferrat (III) iyonu burada iki rol oynar: superoksit radikal anyonu (O2.) oluşumunu katalizler ve aynı zamanda luminolu radikal bir anyona oksitler. Demir, oldukça alkalı bir ortamda Fe(OH)3 çökelmesini önlemek için, [Fe(CN)6]3 formunda olması gerekir.

  1. Luminol radikal anyonu ve süperoksit radikal anyonu (O2.-) daha sonra reaksiyona girerler.
Step 4
  1. Elde edilen bileşik kararsızdır olup, azot ve aminofıtalat’ın uyarılmış iyon formunu oluşturmak üzere parçalanır.
Step 5
  1. Uyarılmış form daha sonra kararlı formlara bozunur ve enerji farkı ışık olarak yayılır:
Step 6
 

Tartışma soruları

  • Luminol reaksiyonunda, ışık için enerji nereden gelir?
  • Potasyum ferrisiyanidin rolü nedir? Doğal ışıma (biyolüminesan) reaksiyonlarında hangi madde bu rolü oynar?
  • Hangi madde luminol reaksiyonunun oksidasyonundan sorumludur? Bu doğada da aynı mı?

Extension

There is a great deal of information available about bioluminescence (see the resources section for examples). Students can follow up this activity with some research of their own. For example:

  • Uses of bioluminescence in nature. Find more reasons why bioluminescence is a useful adaptation. For each adaptation, identify some species that benefit from it.
  • Bioluminescence chemistry. Find out about some specific chemiluminescence reactions that occur in nature. How similar are they to the luminol reaction?
  • Bioluminescence colours. Find out more about how they are produced.
  • Evolution of bioluminescence. Has it evolved many times or just once?
  • Uses of luminol in crime-scene investigations. Find out how luminol is used forensically and the chemistry of this use (e.g. see Welsh, 2011).
     

Studying chemistry with Pliny the Elder

This activity is part of a larger interdisciplinary project, developed together with 14- to 15-year-old students, to explore ancient scientific techniques. Pliny the Elder (23-79 AD) was a Roman author and naturalist whose encyclopaedia, Naturalis Historia, brought together much of the scientific knowledge of the time. We began each topic by discussing a passage from Naturalis Historia and then worked out how to recreate either the experiment described in the text or something similar.

In this way, the students began in the same pre-scientific state as Pliny and, through laboratory work and discussion, gained modern scientific knowledge on each of the topics. The process motivated even the most unenthusiastic students.

Other activities in the project include synthesising indigo (Farusi, 2012), recreating ancient perfumes (Farusi, 2011), preparing glass tesserae with boric acid and preparing iron-gall ink (Farusi, 2007). The whole project was presented at the international Science on Stage festivalw3 in Copenhagen, Denmark, in 2011.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Institution

Science on Stage

Author(s)

Gianluca Farusi, Italya da Avenza-Carrara da Galileo Galilei teknik okulda (Istituto Tecnico Industriale) kimya dersi vermektedir. 2004’ten beri ayrıca, tıbbi kimya ve teknolojideki derece programı için İtalya Pisa Üniversitesi’nde stoikiometri üzerine dersler de vermektedir. Bunun yanı sıra, Italyan yönetici projesi ‘Insegnare Scienze Sperimentali’(deneysel bilimleri öğretme) ‘de bölgesel öğretmendir ve bölgesel REACH (kimyasalların kaydı, değerlendirilmesi, yetkilendirilmesi ve kısıtlanması)’da orta öğretim okulu öğretmenidir. Gianluca 20 yıldır öğretmenlik yapmaktadır ve öğrencilerinin zor bir kimyasal konsepti anladıklarında yüzlerinde oluşan sevinci görmekten büyük haz duymaktadır.

Susan Watt bağımsız bir bilim yazarı ve editördür. İngiltere’de Cambridge Üniversitesinde doğa bilimleri eğitimi almıştır ve birkaç İngiliz yayınevi ve bilim kuruluşu için çalışmıştır. Özel ilgi alanları bilim felsefesi ve fen eğitimidir.


Review

Biyolüminan binlerce yıldır insanlarda hayranlık uyandırmıştır ve özelliklede okyanus araştırma projeleri başta olmak üzere, araştırmaların popüler konusu olmaya devam etmektedir. Organizmalar tarafından ışık üretimine yol açan kimyasal reaksiyonlar, biyokimyaya mükemmel bir örnektir. Bu makalede anlatılan pratik etkinlik, öğrencileri eğlendirmek ve bilimsel tartışmaları sağlamak için faydalıdır.


Marie Walsh, Limerick Teknoloji Enstütüsü, Irlanda




License

CC-BY-NC-SA