Czy człowiek może świecić? Wzbudzenie atomu i luminescencja wokół nas

Czas zająć się kolejnym zagadnieniem, które choć bywa odpowiedzialne za spektakularne zjawiska przyrody, szkolne podręczniki na ogół o nim milczą, a szkoda, bo stan wzbudzenia atomów możemy zobaczyć na własne oczy. Luminescencją, a po polsku po prostu jarzeniem, nazywamy świecenie substancji zachodzące pod wpływem różnych rodzajów energii z wyjątkiem cieplnej (wysokiej temperatury). Z tego też powodu luminescencję nazywa się też czasem zimnym świeceniem. Zapamiętajmy, ognisko to NIE przypadek luminescencji, bo to jest żarzenie, a luminescencja, to jarzenie, czyli świecą ciała zimne lub o względnie niewysokich temperaturach. Ciało, któremu dostarczamy energię w jakiejś formie oddaje ją w innej formie światła, które przecież też jest formą energii. Zależnie od rodzaju dostarczonej energii i od mechanizmu świecenia luminescencję dzieli się na rodzaje: fotoluminescencja, elektroluminescencja, elektronoluminescencja, krystaloluminescencja, tryboluminescencja, chemiluminescencja i inne rodzaje, ale o mniejszym znaczeniu praktycznym (np. radioluminescencja). Istotą zjawiska jest wzbudzenie elektronów pod wpływem pochłaniania energii, następnie elektrony powracając na niższe orbity emitują fotony, czyli cząstki światła. Zjawisko powrotu elektronów do stanu podstawowego nosi nazwę rekombinacji. Z kolei substancję wykazujące takie właściwości zwiemy luminoforami. Oczywiście, nie sposób jest wymienić wszystkich substancji o zauważalnych właściwościach luminescencyjnych, dlatego skupimy się głównie na tym, co na towarzyszy i jest najdostępniejsze. Odpowiedź na tytułowe pytanie poznany na samym końcu tego artykułu, więc zapraszam gorąco do lektury 🙂 Ponadto dowiemy się, czy istnieją żarówki energooszczędne.

ELEKTROLUMINESCENCJA

Na początek zajmiemy się elektroluminescencją. Jest to świecenie substancji pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Za odkrywcę tego zjawiska uważa się Henry’ego Josepha Rounda (1881 – 1966), który w 1907 zaobserwował świecenie karborundu  (węgliku krzemu SiC) w polu elektrycznym, natomiast sam termin elektroluminescencja został wprowadzony dopiero 30 lat później. Zjawisko jest szeroko wykorzystywane w lampach neonowych (reklamy świetlne). W lampach tych, zwanych zresztą jarzeniówkami lub neonówka czy świetlówkami, świeci rozrzedzony neon. Ze względu na pochłanianie energii z pola elektrycznego i następnie jej emisję w postaci światła następuje powrót elektronów i koniec świecenia, w tym momencie możliwa jest ponowna absorpcja energii i jej wypromieniowywanie. Świecenie neonu jest zatem serią rozbłysków i zgaśnięć zbyt szybkich żeby ludzkie oko je wychwyciło, ale niestety nie jest zbyt zdrowe dla oczu. Obecnie zjawisko elektroluminescencji jest szeroko wykorzystywane w diodach LED.

KATODOLUMINESCENCJA

Kolejnym rodzajem jest elektronoluminescencja, zwana także katodoluminescencją. Zjawisko to polega na emisji światła podczas bombardowania substancji elektronami. Ponieważ źródło elektronów stanowi anodę, a bombardowana i świecąca przy okazji substancja katodę, to ten rodzaj luminescencji nazwano katodoluminescencją. Zjawisko jest, a raczej było, szeroko wykorzystywanie w kineskopach, oscyloskopach. Na rysunku 3. widzimy zasadę działania kineskopu.

kineskop

Powierzchnia wewnętrzna ekranu jest pokryta luminoforem (4) i jest bombardowana elektronami (2), luminofor przejmuje część energii elektronów i wtedy następuje emisja światła. W kolorowych kineskopach luminofor można zobaczyć jako „plastry miodu”, są one widoczne z bliska na włączonym telewizorze. Nasz telewizor działał, gdyż sygnał z anteny był przetwarzany w strumień elektronów, który przechodził przez układ cewek (1 i 3) – silne pole magnetyczne uginało tor elektronów i zależnie od prędkości elektronów ich tor uginał się bardziej lub słabiej, co z kolei skutkowało tym, że w jedne miejsca ekranu (stanowiącego katodę) padało więcej elektronów, a w inne mniej, więc jedne świeciły jaśniej, inne ciemniej i te różnice w jasności świecenia układały się w obraz. Warto wiedzieć, że pierwszy odbiornik telewizyjny zbudowano już w 1927 roku, a pierwsze telewizory posiadały… silnik elektryczny!

NaCl
Fotografia 4

KRYSTALOLUMINESCENCJA

To świecenie podczas krystalizacji i narastania kryształów. Jeśli stan krystaliczny ma niższą energię niż r-r, lub innymi słowy: jeśli krystalizacja substancji jest procesem egzotermicznym, a tak jest w większości przypadków, to część energii jest wypromieniowywana w postaci światła. Właściwości takie wykazuje wiele substancji, jednak zazwyczaj luminescencja jest niezauważalna dla oka ludzkiego (ultrasłaba). Inaczej jest, gdy krystalizacja ma gwałtowny przebieg (krystalizacja z r-ru przesyconego). Krystaloluminoforem jest nawet sól kuchena NaCl. Jeśli do nasyconego r-ru NaCl dodać stężonego kwasu solnego tak, by ciecze się nie zmieszały i następnie wstrząsnąć probówką to następuje gwałtowna krystalizacja ze względu na przekroczony iloczyn rozpuszczalności, której towarzyszy niebieski błysk.Tak to opisuje większość książeczek z doświadczeniami, ale w praktyce okazuje się, że to zjawisko najłatwiej zaobserwować, gdy roztwór zawiera domieszki obcych jonów, które wywołują defekty w sieci krystalicznej strącającego się chlorku sodu, o czym polecam przeczytać na zaprzyjaźnionym portalu Weirdscience (http://weirdscience.eu/Krystaloluminescencja%20chlorku%20sodu.html) a samo zjawisko możemy zobaczyć poniżej na fotografii 4 wykonanej przez p. Marka Plesa.

TRYBOLUMINESCENCJA

tryboluminescencja
Fotografia 5

Jest to świecenie substancji pod wpływem wykonywania na niej pracy mechanicznej, takiej jak rozcieranie, łamanie itp. Do tego rodzaju luminoforów należy sacharoza, czyli zwykły spożywczy cukier, którego rozcieraniu czy mieleniu towarzyszy jasnozielony błysk. Zjawisko to zostało odkryte już w 1602 roku, podczas uderzenia młotkiem w głowę cukrową. Kolejnym przykładem jest kwas acetyloantranilowy, którego rozcieraniu towarzyszy fioletowe światło. Wzory obydwóch substancji możemy zobaczyć na rysunku 6.

strukturalne
Rysunek 6

Tryboluminescencja nie ogranicza się oczywiście tylko do tych dwóch substancji, ale w praktycznie każdym domu znajdziemy odrobinę cukru, a w warunkach laboratoryjnych otrzymamy kwas acetyloantranilowy. Kolor tryboluminescencji można zmienić dodając salicylanu metylu, znanego jako olejek przęślowy, o czym już jakiś czas temu napisałem w osobnym artykule (http://biomist.pl/chemia/doswiadczenia-chemiczne/cukier-i-salicylan-metylu/2852). Cukierki na gardło swój zapach zawdzięczają właśnie tej substancji, a podczas rozgryzania emitują niebieskie błyski, co widać w załączonym filmiku:

A dlaczego kolor uległ zmianie? Wynika to stąd, że poza zieloną barwą cukier podczas pękania kryształów emituje także niewidoczny dla ludzkiego oka sygnał ultrafioletowy, który pobudza z kolei salicylan metylu do fluorescencji, o której mowa jest poniżej. Co ciekawe, tryboluminescencję zaobserwujemy też w przypadku niektórych kopert i taśm klejących. Warstwa kleju składa się polimerów, i choć na pozór nie robi takiego wrażenia, to jednak polimery także potrafią się organizować w struktury krystaliczne. Ich łamaniu podczas otwierania koperty czy rozwijania taśmy klejącej towarzyszy czasem niebieska poświata. Jeśli macie łut szczęścia, to wasza koperta lub taśma ma takie właściwości.

Doświadczenia: do szklanki sypiemy nieco cukru i najlepiej przy świetle próbujemy go rozcierać zewnętrzną stroną łyżeczki po ściankach. Kiedy już poćwiczyliśmy gasimy światło (im ciemniej tym lepiej, najlepsze są pomieszczeni bez okien) i po chwili gdy wzrok już się przyzwyczai do ciemności znów rozcieramy cukier na ściankach i możemy zaobserwować zielone błyski w miejscu rozcierania. Możemy także wsypać trochę cukru do malaksera i włączyć go w ciemności. Na szalkę Petriego sypiemy kilka gramów kwasu acetyloantranilowego i nakładamy na to mniejszą szalkę Petriego dnem do dołu, tak by móc rozcierać kryształy kwasu. Rozcieranie prowadzimy w ciemności i obserwujemy fioletowe błyski, znacznie silniejsze niż w przypadku cukru, są one widoczne nawet podczas rozcierania przy świetle sztucznym, a także podczas potrząsania słoikiem ze związkiem.

FOTOLUMINESCENCJA

Jest to rodzaj luminescencji spowodowany absorpcją promieniowania widzialnego (VIS) lub ultrafioletowego (UV). Wyróżniamy dwa rodzaje tej emisji: fluorescencja i fosforescencja.

FLUORESCENCJA

fluorescencja
Fluorescencja fluoresceiny

Polega na emisji fotonów natychmiast po absorpcji, po ustaniu naświetlania emisja zanika w czasie rzędu 10-6 s (!!!), jest to zbyt krótko by oko ludzkie mogło ją zauważyć. Fluorescencja jest widoczna, jeśli naświetlać substancje ją wykazujące promieniami UV, gdyż wiele ciał naświetlanych tym promieniowaniem emituje promieniowanie widzialne (definicja luminescencji!). Wykazują ją niektóre gazy i pary, roztwory niektórych barwników organicznych oraz pewne substancje krystaliczne. Do barwników organicznych ją wykazujących należą fluoresceina i eozyna. Roztwory fluoresceiny wykazują bardzo mocną żółtą fluorescencję, widoczną nawet przy rozcieńczeniu 1 do 40 000 000 (!), co oznacza 1 g barwnika na 40 m3 wody! Jeszcze mocniejszą luminescencję wykazują r-ry riwanolu: 1: 100 000 000(!), czyli 1 g związku na 100 m3 wody! Fluoresceina i eozyna substancje należą do wskaźników fluorescencyjnych, mają zastosowanie w miareczkowaniu alkacymetrycznym, eozyna wykazuje zieloną fluorescencję przy pH>3,2. Znanych jest ponad 30 takich wskaźników. Ponadto związki takie mogą być używane w mikroskopii do wybarwiania komórek, kwasów nukleinowych, białek, przeciwciał itp. Ponadto fluoresceina jest używana jest w geologii i ochronie środowiska, śledzi się za jej pomocą cieki wodne i wycieki z rurociągów. Ale nie tylko, dnia 31.12.2010 w Kanadzie miał miejsce przypadek, że słoik z fluoresceiną wrzucony do rzeki wywołał mocne zaniepokojenie wśród mieszkańców okolic rzeki Goldstream, czego efekt możemy zobaczyć poniżej:

. Działanie takich wskaźników polega na tym, że np. dołączenie protonu pod wpływem kwasu zmienia właściwości spektroskopowe cząstki, i jest możliwa fluorescencja. Niektóre barwniki fluorescencyjne dodawane są do środków piorących, co sprawia, że ubrania fluoryzują w nadfiolecie, o czym mogą się przekonać bywalcy dyskotek… A poniżej możemy zobaczyć przykłady takich wskaźników:

wskaźniki

W przypadku kryształów fluorescencja jest spowodowana defektami w sieci krystalicznej, tzn. nie wykazują jej substancje czyste, ale za to substancja z domieszkami obcych drobin w sieci, które powodują jej defekty (przypomnijmy sobie krystaloluminescencję chlorku sodu), wtedy absorpcja promieniowania może wiązać się z emisją fali z zakresu widzialnego. Czysty kalcyt nie wykazuje fluorescencji, natomiast jeśli zawiera domieszki metali ziem rzadkich to wykazuje silną fluorescencję w UV. Tak zachowuje się wiele minerałów, jeśli zawierają domieszki. Często kolor tej luminescencji służy do określenia miejsca, z którego minerał pochodzi. Jest to spowodowane faktem, że w zależności od złoża geologicznego i od otoczenia chemicznego, w którym minerał wykrystalizował i jakie jony obce o podobnej budowie mogły zostać wbudowane do jego sieci. Można wykonać proste doświadczenie, aby się o tym przekonać: czysty bromek magnezu nie wykazuje fluorescencji, wystarczy jednak utrzeć go z maleńkim dodatkiem chlorku cyny i w sieci pojawiają się defekty, co sprawia, że związek ten wykazuje żółtą fluorescencję w UV. Do związków fluoryzujących w nadfiolecie należą także: antracen, fenatren, chryzen, perylen – węglowodory aromatyczne, ponadto niearomatyczny azulen, oraz niektóre pochodne tych węglowodorów, jak wspomniane riwanol, eozyna, fluoresceina, rodamina B. Ponadto fluoroforami są hemoglobina i chlorofil (patrz doświadczenia z luminolem niżej). Wzory strukturalne tych związków możemy obejrzeć na rysunku 9:

aromatyczne
Rysunek 9

Dość ciekawym przykładem fluoroforów są porfiryny obecne w skorupce jaja, ale tutaj też polecam zerknąć na zaprzyjaźnioną stronę: http://weirdscience.eu/Ab%20ovo.html

Doświadczenia

Porównać w świetle widzialnym i UV próbki węglowodorów aromatycznych oraz r-ry wskaźników fluorescencyjnych: antracen i fenatren świecą intensywnie na niebiesko, perylen na pomarańczowo, a jego r-r alkoholowy bardzo mocno świeci turkusowo, r-ry fluoresceiny świeci, eozyny i riwanolu świecą na zielono, r-r rodaminy B na pomarańczowo.

Uwaga: R-RY WSKAŹNIKÓW MUSZĄ BYĆ SILNIE ROZCIEŃCZONE.

Utrzeć 1 g krystalicznego bromku magnezu z odrobiną chlorku cyny. Porównać wygląd obu substancji w UV, nie widać świecenia. Utarty bromek jest zanieczyszczony i posiada defekty w sieci krystalicznej, co objawia się żółtą lumimescenją w UV.

Sprawdzić, że KCl i SbCl3 nie świecą w UV. Następnie probówkę napełnić do ok. połowy wysokości suchym KCl, na górę nasypać soli antymonu, po kilku minutach obserwować zachowanie się zawartości probówki w UV. Widać rozchodzącą się w dół świecącą strefę. Trójchlorek antymonu jest lotny i przenikając pomiędzy kryształami KCl powoduje defekty sieci, co jak w poprzednim przypadku objawia się świeceniem.

FLUORESCENCJA SENSYBILIZOWANA

Jest to fluorescencja wywołana energią wzbudzenia wydzieloną nie bezpośrednio w postaci promieniowania, ale najpierw przekazaną innej cząsteczce i następnie emisję światła przez tę drugą cząsteczkę. Przykładem takiej luminescencji świecenie mieszaniny par talu i rtęci. Same pary talu nie fluoryzują, jeśli jednak naświetlić mieszaninę par promieniowaniem o długości absorbowanej przez rtęć, to obserwuje się widmo talu. Rtęć pochłania energię promieniowania i przekazuje ją talowi, a ten z kolei emituje światło. Analogiczną sytuację mieliśmy przecież w mieszaninie cukru z salicylanem metylu, gdzie zamiast zielonkawej poświaty typowej dla cukru, obserwujemy niebieską typową dla salicylanu metylu.

FOSFORESCENCJA

zjawisko to różni się tylko tym od fluorescencji, że czas emisji światła jest znacznie dłuższy niż w poprzednim przypadku. Zdarza się, że jest widoczna nawet po kilku miesiącach od ustania naświetlania. Przykładem jest kalcyt, czyli węglan wapnia. Innymi przykładami są siarczek wapnia i siarczek baru, substancje te, z dodatkiem pewnych aktywatorów są podstawowymi składnikami świecących w ciemności farb, a te są używanie podczas produkcji znaków ewakuacyjnych, które możemy znaleźć na klatkach schodowych czy korytarzach budynków użyteczności publicznej. Ponadto produkuje się świecące kamienie ogrodowe, zabawki itp. Już w 1602 V. Casciaroli (z zawodu szewc) wytworzył tzw. kamienie bolońskie (Bologna phosphorus), które po naświetleniu świeciły w ciemności. Był to właśnie siarczek baru BaS, powstały poprzez wyprażenie barytu (mineralnego siarczanu baru BaSO4) z mąką, a o otrzymywaniu siarczków także piszę w osobnym artykule:http://biomist.pl/chemia/doswiadczenia-chemiczne/siarczki-i-wielosiarczki-proste-sposoby-otrzymywania/2562 .

UWAGA: zjawiskiem fotoluminescencji nie jest pozorne świecenie znaków drogowych gdy oświetlą je światła samochodów, gdyż świecą one tylko światłem odbitym (refleks).

Doświadczenia: kryształ kalcytu naświetlić za pomocą lampy błyskowej (lampy małych aparatów cyfrowych są zbyt słabe) i zaobserwować trwającą kilka sekund zieloną fosforescencję, UWAGA: podczas błysku lampy oczy muszą być zamknięte, by uniknąć oślepienia! To samo wykonujemy błyskając sobie w zęby, również obserwujemy trwające kilka sekund zielone świecenie zębów. Kilka gramów kwasu borowego stopić w dodatkiem 1-2 mg fluoresceiny, stop wylać na podłoże, fosforescencja jest widoczna nawet po naświetleniu żarówką, ale lepiej ponownie użyć lampy błyskowej, obserwuje się żółtozieloną fosforescencję. Można także stopić landrynkę z riwanolem i powtórzyć czynności.

A czy wiecie, jak zaimponować gościom na imprezie? To wam powiem: zgasić światło, błysnąć lampą błyskową prosto w usta i szeroko się uśmiechnąć. Oczywiście wszyscy muszą mieć zamknięte oczy podczas błysku!

CHEMILUMINESCENCJA

Brandt

Pewnego wieczoru roku pańskiego 1669 niemiecki alchemik Hennig Brandt wszedł do swojego laboratorium i zauważył coś, co na zawsze odmieniło jego życie. Oto proszek, którego otrzymał małą ilość dzień wcześniej – świecił w ciemności. Nie wiedział on jednak, że przyczyną tego zjawiska jest reakcja chemiczna tego proszku z tlenem, a samo zjawisko zwiemy dzisiaj chemiluminescencją, bo tak nazywamy proces chemiczny podczas przebiegu którego następuje wydzielenie energii na sposób światła. Tajemniczy proszek został nazwamy fosforem, od greckiego phosphoros, oc oznacza światło niosący. Warunkiem emisji światła jest powstanie produktu wzbudzonego, a świecenie następuje podczas powrotu elektronów na niższe orbity (rekombinacji). Rodzajem chemiluminescencji jest także bioluminescencja, która jest niczym innym, jak tylko reakcją chemiczną z wydzielaniem światła, przeprowadzaną przez żywe organizmy. Jako pierwszy zjawisko chemiluminescencji zaczął badać Fritz Haber (1869 – 1934), urodzony we Wrocławiu (ówczesne Breslau), pracujący w Niemczech, który w 1918 dostał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za opracowanie syntezy amoniaku (proces Habera-Boscha). Zazwyczaj energia reakcji chemicznej jest wydzielana w postaci ciepła. W niewielu przypadkach energia powstająca w reakcji zostaje zużyta bezpośrednio na wzbudzenie układu elektronowego cząsteczki produktu reakcji. Aby zaszła taka reakcja, znaczna część jej energii  (entalpii) musi ulec przekształceniu w energię wzbudzenia produktu, a ten w procesie rekombinacji, czyli powrotu do stanu podstawowego emituje światło. Minimalna energia reakcji odpowiada różnicy energetycznej poziomu podstawowego i pierwszego wzbudzonego (E2-E1). Dobrymi akceptorami są cząsteczki mające nisko położone wzbudzone poziomy energetyczne i stąd też w większości reakcji związanych z emisją światła o wysokim natężeniu biorą udział duże cząsteczki organiczne.

Wydajność kwantowa określa część energii reakcji, która jest wypromieniowywana w postaci światła, a tym samym określa prawdopodobieństwo zajścia emisji promienistej. Wydajność kwantowa jest równa jedności, gdy zajściu jednego elementarnego aktu reakcji towarzyszy emisja jednego kwantu światła. W przypadku utleniania luminolu w środowisku wodnym wynosi ona zaledwie ok. 0,1%, a w rozpuszczalnikach organicznych ok. 1%, natomiast reakcja enzymatycznego utleniania lucyferyny przekracza 90% wydajności kwantowej (!), co oznacza, że prawie cała energia reakcji jest wypromieniowywana w postaci światła. Pośród reakcji przeprowadzanych warunkach laboratoryjnych najwydajniejsze są: utlenianie CaSi2 oraz utlenianie szczawianów organicznych. W przypadku, gdy świecenie roztworu zachodzi w okolicach elektrody podczas przepływu prądu elektrycznego to mówimy o zjawisku elektronochemiluminescencji (ECL). Właściwości takie wykazują np. jony Dy czy Eu warunkach obecności nadtlenku wodoru lub nadsiarczanu potasu.

Chemiluminescencją nie jest spalanie! Chemiluminescencja znalazła zastosowanie w produkcji źródeł światła, często w postaci lasek, które świecą przez ok. 2 dni. Zawierają one szczawiany organiczne (patrz doświadczenia poniżej) oraz utleniacz (zwykle H2O2). Utleniacz jest zatopiony w szklanej rurce, jej przełamanie powoduje wymieszanie się substratów i zaczyna zachodzić reakcja, podczas której wydziela się światło.

UWAGA: w internecie można znaleźć film, wg którego napój Mountain Dew po dodaniu sody oczyszczonej i wody utlenionej zaczyna intensywnie świecić na jasnozielono. Jest to nieprawda a sam filmik to tzw. FAKE! Z kolei ja swego czasu otrzymałem sporo pytań od młodych pasjonatów doświadczeń, dlaczego im to doświadczenie nie wychodzi.  Zainteresowanym proponuję doświadczenia, które nie są żadną ściemą 🙂

DOŚWIADCZENIA

Reakcja podchlorynu sodu z nadtlenkiem wodoru:

Zaczniemy od doświadczenia, które możemy wykonać w domu, pod warunkiem jednak, że zaopatrzymy się w tzw. chlor do basenów w tabletkach i perhydrol (30-35% roztwór H2O2, do nabycia w drogeriach i aptekach). Niestety, ale nie nadaje się do tego woda utleniona z domowej apteczki, bo zawiera po prostu za mało nadtlenku wodoru i efekt będzie rozczarowujący. Zatem do szklanki lub zlewki wlewamy perhydrolu do ok 1/4 jej wysokości i w CIEMNOŚCI dodajemy do niej tabletkę chloru do basenów. Obserwujemy piękne czerwone światło towarzyszące reakcji:

Tabletki chloru do basenów zawierają związek o zawiłej nazwie (spróbujcie to powiedzieć na głos!) – dich­lo­ro­i­zo­cy­ja­nu­ronian sodu C3N3O3Cl2Na. Związek ten w kontakcie z wodą ulega reakcji z wytworzeniem jonów podchlorynowych (podchloryn sodu jest składnikiem wybielaczy i środków czyszczących na bazie chloru). Oczywiście równania uwzgledniają jonową budowę odpowiednich substancji:

NaDCU hydroliza

Powstający jon chloranowy (I) reaguje z nadtlenkiem wodoru:

utlenianie

powstały jon nadchloranowy (I) rozpada się dając tlen w stanie wzbudzonym:

rozpad
I to właśnie ten tlen podczas powrotu do stanu podstawowego emituje czerwone światło. Z kolei sumaryczne równanie reakcji możemy w sposób cząsteczkowy zapisać następująco:

sumaryczne

I choć woda się skróciła, a w rzeczywistości się zużyła i odtworzyła, to nie należy mylić tej reakcji z katalizą.

WIĘKSZA ILOŚĆ DOŚWIADCZEŃ ZOSTANIE OPUBLIKOWANA W OSOBNYM UZUPEŁNIENIU DO NINIEJSZEGO ARTYKUŁU

BIOLUMINESCENCJA

bioluminescencja

Jest to odmiana chemiluminescencji. Polega na emisji światła podczas reakcji biochemicznych. Zdolność do bioluminescencji posiadają wszystkie (!) żywe komórki. Wszystkie żywe organizmy wykazują bioluminescencję, jest ona zbyt słaba by ją zauważyć (ultrasłaba). W przyrodzie jest grupa gatunków, która charakteryzuje się mocną luminescencją, taką, którą jesteśmy w stanie dostrzec. Należą tu organizmy należące do różnych grup, od jednokomórkowych do kręgowców. Emisja światła jest często reakcją enzymatyczną, polegającą na utlenianiu lucyferyny przez lucyferazę, tak dzieje się u świetlików. Łacińskie Lucifer oznacza „światło niosący” i jest dokładnym odpowiednikiem greckiego słowa phosphoros.

Reakcja utlenienia lucyferyny:

lucyferyna

Ta reakcja jest alternatywną drogą oddychania komórkowego, stąd zdolności do bioluminescencji posiadają organizmy tlenowe. Inną reakcją, podczas której następuje świecenie jest reakcja utlenienia aldehydów tlenem w obecności flawonomononukleotydu oraz ATP. Reakcji tej towarzyszy emisja fali o długości 490 nm, czyli niebieskiego. Mino że stężenie reagentów jest granicznie małe, rzędu 10-6 mol/dm3, intensywność świecenia jest duża, co wynika z wysokiej wydajności kwantowej, np. świetliki (robaczki świętojańskie) są widocznie tuż po zachodzie słońca.

Bioluminescencja jest najstarszą znaną ludzkości formą luminescencji, bo obserwowana przez ludzkość, odkąd tylko istnieje. Praludzie widzieli przecież świecące owady, grzyby, próchniejące pnie czy jeszcze organizmy. Spójrzmy co napisał Słowacki w „Beniowskim”:

„Próchno świecące księżycowo w korze

Zda mi się pełne widm, pokus i gwaru…”

Rola wytwarzania światła przez organizmy zwykle związana jest z celami rozrodczymi (zwabienie partnera, jak w przypadku robaczków świętojańskich), lub służy do zdobywania ofiar, nie zawsze jednak jej biologiczna rola jest wyjaśniona, jak i mechanizm jej powstawania. Badania nad tym zjawiskiem rozpoczął w 1885 francuz Du Boi. Już pod koniec XIX wieku udało się stwierdzić, że kwant energii świetlnej o długości fali 500 nm odpowiada syntezie 6 cząsteczek ATP.

Świecące bakterie i glony

Do gatunków charakteryzujących się zdolnością do wytwarzania światła należą bakterie odpowiedzialne za gnicie mięsa i ryb, mówiąc wprost: gnijące mięso i ryby świecą w ciemności (!), jeśli mają dostęp do tlenu i odpowiednią temperaturę, by się szybko namnożyć. Bakterie takie mogą się rozwinąć nawet w ludzkich ranach.

Hodowla świecących bakterii w warunkach laboratoryjnych

Hodowla Photobacterium phosphoreum (fotografie zaczerpnięte ze strony http://www.biology.pl/bakterie_sw/bakterie_sz.html):

bakterie

bakterie2

https://i2.wp.com/biomist.pl/wp-content/uploads/2015/08/toalet.gif?w=1170

Zaniepokojenie i zdziwienie pasażerów statków budzi czasami zielone światło, które pojawia się przy spłukiwaniu toalet. Przyczyną tego zjawiska są bakterie świecące, które rozwijają się w wodzie morskiej używanej do tego celu na statkach.

A skoro wspomniałem już, że gnijące mięso i ryby potrafią świecić, to spójrzmy teraz na pewne wieści prasowe:

Środa, 16 sierpnia 2006:

 Kiedy mięso świeci

„W mojej lodówce przepaliła się żarówka. Kiedy otworzyłam ją w nocy zobaczyłam fosforyzujące kości w żeberkach. Wyjęłam je z lodówki, ale one nadal świeciły. Byłam w szoku” – opowiada dziennikowi.Z takim przypadkiem inspektorzy pilskiego Sanepidu spotkali się po raz pierwszy. Nie znamy przyczyny, dla której to mięso mogło świecić – mówi dyrektor pilskiego Sanepidu Dorota Majewska. Żadnego sygnału jednak nie bagatelizujemy i jak najszybciej przeprowadzimy kontrolę w tym sklepie. Być może jej wyniki wyjaśnią sprawę – dodaje. Kierownik higieny radiacyjnej na województwo wielkopolskie Grażyna Grobelna, uspokaja: Żeby ustalić, czy mięso jest napromieniowane, nie wystarczy licznik Geigera. Potrzebne są drobiazgowe badania. Wątpię jednak, by fosforyzujące kości miały jakikolwiek związek z napromieniowaniem. To nie jest tak, że jak coś jest napromieniowane, to świeci – dodaje rozmówczyni dziennika. Pierwszy raz słyszę o takim przypadku. Moim zdaniem, żeberka nie miały prawa świecić. To musiała być kwestia załamania się światła – mówi „Gazecie Poznańskiej” poznański lekarz powiatowy Ireneusz Sobiak.

01.04.2001

Śledzie w poświacie

W nocy poszłam do kuchni. W ciemności zobaczyłam światło: miskę i śledzie otaczała fosforyzująca biało-zielona poświata – opowiada. Przerażona czytelniczka obudziła męża i razem zeszli do ciemnej piwnicy: postanowili sprawdzić, czy ryby rzeczywiście świecą. – Połyskiwały jak nafosforyzowane wskazówki zegarka. Nie mam wątpliwości: to był fosfor. Jestem przecież chemikiem – mówi pani Apolonia. Specjaliści z Instytutu Żywności i Żywienia twierdzą, że mimo zawartości fosforu w rybim mięsie ryby nie powinny świecić. – Nigdy się z czymś takim nie spotkałam. Nie sądzę, żeby można to było tłumaczyć zawartością fosforu, bo w śledziu jest go tylko 200-300 miligramów na 100 gramów. Więcej fosforu ma np. karp, a już najwięcej jest go w migdałach, orzechach czy wiórkach kokosowych. A przecież taki migdał nie świeci – mówi dr Irena Nadolna z Instytutu Żywności i Żywienia.

Cóż, tutaj można się zastanawiać, ze względu na datę, czy był to średnio udany żart na prima aprilis, bo biorąc pod uwagę uwagę wypowiedź pani z Instytutu Żywności i Żywienia – zaczynam się uśmiechać (i załamywać przy okazji).

Australia, 21.XI.2005:

Świecące w nocy wieprzowe mięso, jakie w ostatnim czasie pojawiło się w Australii, nie jest szkodliwe dla zdrowia – zapewniają zaniepokojonych konsumentów władze. Lepiej jednak wyrzucić świecące schabowe – radzą przedstawiciele rządowego resortu ds. żywności.

Przykre jest, że gdybyśmy przenieśli się wstecz o jakieś 100 lat, to prawie każda gospodyni by wiedziała, że mięso się trochę popsuło. Ale takie teraz mamy czasy oświecone, że zamykamy się w betonowych dżunglach, najbardziej to nas interesują najnowsze modele smartfonów i obejrzenie na FB najnowszej słitfoci w lustrze koleżanki, niż ta natura, która tak naprawdę nas otacza, a którą coraz mniej znamy i to co naturalne i normalne – staje się czymś tak niezwykłym, że stawia na nogi sanepid czy inspekcję weterynaryjną. A zobaczmy co o tym napisał w 1667, czyli trzy i pół wieku temu Robert Boyle:

„Niejeden kawałek mięsa jeszcze wieczorem świecił, zanim ugotowany następnego dnia stanowił apetyczny i smaczny posiłek”

Gnijące ryby świecą tak jasno, że dawniej umożliwiały odczytanie nocą godziny na zegarku. Tak działo się w miastach portowych, w których pobliżu portu walały się niegdyś odpady rybne, a latarni jeszcze wtedy nie było i ich światło nie zagłuszało światła odpadków. Ludzka wyobraźnie jest bez granic. Dzięki rozwojowi inżynierii genetycznej udało się wyizolować z bakterii geny odpowiedzialne za bioluminescencję, a następnie wszczepiono je roślinom nie posiadającym zdolności świecenia. Otrzymano m.in. soję o świecących na niebiesko korzeniach gdy odczuwa niedobór azotu (!). Obecnie opracowywana jest metoda badania stopnia skażenia wód w zależności od szybkości zaniku bioluminescencji.Do jasno świecących organizmów należą także glony z grupy bruzdnic, Żyją one zwykle w tropikalnych morzach, ale czasem pojawiają się w Bałtyku, należy do bruzdnica Alexandrium ostenfeldii, która raz na kilka lat zakwita w… Bałtyku! Ostatni przypadek pojawienia się tej bruzdnicy w Bałtyku miał miejsce 27.VIII.2012 na w Zatoce Puckiej, od 2001 roku w tamtych okolicach obserwowano to zjawisko czterokrotnie, poniżej fotografia wykonana w 2001 roku przez pracowników Stacji Morskiej podczas jednej z takich nocy (fotografia dzięki uprzejmości pracownika SM):

SM

Tymczasem bardziej na co dzień atrakcją Karaibów są świecące zatoki:

Karaiby

Na te zatoki natknął się także Krzysztof Kolumb, co spowodowało to strach wśród jego załogi, a dla innych stało się pewno zachętą do tworzenia fantastycznych opowieści i legend o zamorskich krainach, potworach morskich i innych cudach rzekomo tam widzianych. Z kolei Benjamin Franklin w 1753 roku pisał:

„To jest prawie niemożliwe, żeby tak małe organizmy, które są ledwo dostrzegalne nawet przez najlepsze okulary, mogły wydzielać tyle światła”

Świecące grzyby

Zdolność do świecenia posiada ponad 40 gatunków znanych grzybów. Do takich gatunków należy pospolita w naszych lasach opieńka miodowa – pasożyt drzew oraz boczniak. Mocno świecą ryzomorfy opieńki – fragmenty grzybni spełniające rolę korzeni. Wystarczy zerwać kawałek kory z zainfekowanego pnia i naszym oczom ukaże się zielone światło. Jest ono na tyle intensywne, że umożliwiało odczytanie nocą listu, jak to robili żołnierze w okopach podczas pierwszej wojny światowej. Rozłupany pień zaatakowany przez opieńkę, z lewej zdjęcia przy lampie błyskowej, z prawej bez lampy:

opieńka

Znane są liczne owady świecące, każdy zna robaczka świętojańskiego. No, przynajmniej ze słyszenia, gdyż na pewnym wykładzie okazało się, że jestem jedynym na sali, który miał okazję go widzieć. W Polsce znane natomiast znane są 3 gatunki owadów świecących, a już w Niemczech znany jest owad wydzielający światło w dwóch kolorach: zielonym i czerwonym. Robaczek świętojański pospolity jest w czerwcu, a świeciuch późnym latem. Atrakcją Nowej Zelandii są świecące jaskinie, w których żyje pewien gatunek muchówki. Larwy tego gatunku produkują świecącą lepką nić, która światłem zwabia owady. Im głodniejsza larwa tym światło mocniejsze.

Świecące ryby i meduzy

Ryby takie żyją przeważnie w morskich głębinach, często w symbiozie ze świecącymi bakteriami. W tym przypadku luminescencja również związana jest ze zwabianiem ofiary. W XVIII wieku próbowano zastosować w sztolniach angielskich kopalń świecące ryby, niestety ryby te nie były w stanie w nich przeżyć.Świecąca ryba głębinowa zwana maszkarą (jak widać nie jest zbyt sympatyczna, zresztą jak większość ryb głębinowych), jej ciało pokryte jest świecącymi punktami, natomiast świecący wyrostek nad okiem służy do zwabiania ofiar:

rybka
meduza

Znana jest jaszczurka pokryta ze zdolnością świecenia, jednak nie została do tej pory sklasyfikowana. Nie jest wyjaśniona tajemnica błysków kwiatów geranium, pierwszy raz zaobserwowane pod koniec XIX prze botaników, jednak od ok. 100 lat botanika się tym nie zainteresowała. Ciągle nie znany też rzeczywistej liczby gatunków zamieszkującej naszą planetę, mimo że nauka opisała ich ponad półtora miliona. Szacuje się, że może ich być nawet 20 razy więcej, więc sporo odkryć jeszcze przed nami, również w dziedzinie bioluminescencji i luminescencji ogólnie.

Odpowiedź na pytanie zawarte w tytule

Pora teraz poznać na nie odpowiedź. Człowiek nie tyle może świecić, co po prostu świeci, bowiem i w organiźmie człowieka zachodzą reakcje luminescencyjne. Niestety, ze względu na bardzo małą skalę tych reakcji, ta luminescencja jest tak słaba, że po prostu niedostrzegalna, nawet gdybyśmy mieli znacznie czulszy wzrok. Ale jest na to rada, znaczy rozwiązanie zastępcze – zawsze możemy zacząć świecić przykładem.

Czy istnieją żarówki energooszczędne?

Nie istnieją. Żarówka, jak sama nazwa wskazuje – świeci pod wpływem wysokiej temperatury, rozgrzanie jej pochłania ok. 95% całkowitej pobieranej przez nią energii. Natomiast energooszczędne źródła światła ulegają jarzeniu – czyli luminescencji, świeceniu w niskich temperaturach, dlatego są energooszczędne właśnie. Klasyczna tzw. powszechnie  żarówka energooszczędna (zapewne ze względu na jej zbliżony kształt) jest niczym innym jak zminiaturyzowaną i nieco poprawioną wersją zwykłej neonówki – dlatego zarówno zarówno jedna jak i druga zawierają RTĘĆ, bo to to domieszka par rtęci czyni je użytecznymi źródłami światła. Jeszcze mniej energii pochłaniają źródła światła oparte o LED – ale to także nie jest żarzenie, a jarzenie. Osobiście preferuję używanie nazwy jarzeniówka w stosunku do nowych źródeł światła. Nic nie jest bez wad, prawdziwe żarówki, ale żarówki-żarówki, choć prądożerne (woltyżery?) świecą, bo się żarzą, to jednak emitują światło mniej męczące i zdrowsze dla oczu. No a Słońce wysyła do nas światło żarowe czy jarzeniowe, jest zimne czy też ma tysiące stopni Celsjusza? Jeśli potrafimy odpowiedzieć na to pytanie, że Słońce świeci od bardzo wysokiej temperatury, to teraz odpowiedzmy sobie na pytanie, które źródła światła są bardziej zbliżone do słonecznego i dlaczego prawdziwa żarówka mniej męczy wzrok i mniej mu szkodzi niż „żarówka” energooszczędna? Po prostu żarówka emituje światło o widmie bardziej zbliżonym do słonecznego, przy którym nasze oczy pracują najlepiej. I pewien paradoks na koniec: jakiś czas temu była nagonka z „żarówki” energooszczędne, ze względu na zawartą w nich rtęć, a nie widziałem i nie słyszałem nigdy chyba nagonki na klasyczne neonówki, które tej rtęci zawierają nawet 20 razy więcej, a nieraz porozbijane można je w śmieciach zobaczyć…

CZY TEN ARTYKUŁ OKAZAŁ SIĘ POMOCNY? MASZ DODATKOWE SUGESTIE ALBO PYTANIA? NAPISZ DO NAS! A MOŻE CHCESZ TEŻ O CZYMŚ NAPISAĆ I OPUBLIKOWAĆ? DOŁĄCZ DO NAS! REDAKCJA@BIOMIST.PL 

Kategorie: Artykuły chemiczne,Chemia,Ciekawostki chemiczne,Ciekawostki z chemii i nauk przyrodniczych,Inne artykuły

6s Komentarzy

  1. "Człowiek nie tyle może świecić, co po prostu świeci, bowiem i w organiźmie człowieka zachodzą reakcje luminescencyjne. Niestety, ze względu na bardzo małą skalę tych reakcji, ta luminescencja jest tak słaba, że po prostu niedostrzegalna,"

    Nie macie racji. Głowa człowieka może świecić i to promieniami niczym na świętych obrazach.. Miałam niemiłą okazję to zobaczyć. Powiecie Państwo, że jakaś nawiedzona religijnie to pisze lub chora psychicznie. Zdarzenie miało miejsce przed 28 laty w ZSRR. Obudziłam się w nocy, stojąc przed dużym lustrem zauważyłam, że moja głowa świeci niczym żarówka. Wystraszyłam się i natychmiast wróciłam do łóżka. Do dziś zastanawiam się co było tego przyczyną. Stąd moje wejście na tę stronę. Jestem osobą w wieku mocno dojrzałym i nie robię sobie żartów. Może jakiś tutejszy biochemik jest w stanie to wyjaśnić?

  2. witam, jestem ciekawa czy w domowych warunkach, albo w warunkach ciemni można zarejestrować "ludzką" bioluminescencję? Mam na myśli fotografię na długim czasie naświetlania w jakimś zupełnie zaciemnionym miejscu. Byłam ciekawa i próbowałam ale niestety nic nie udało mi się sfotografować, słaby sprzęt i domowe studio i zaledwie kilkuminutowy czas naświetlania. Gdzieś wyczytałam że gdyby się nie myć jakiś czas to łatwiej zaobserwować ale nie wiem czy stać mnie na takie poświecenie : )

  3. Czesc prosze o pomoc info. Luminescencja oto mi chyba chodzi . Swiatło padające . z latarki na powierzchnie np. materiału pokrytym jakąś substancją , jest wchłoniete i swieci zielonkawym światłem prze jakaś chwile w ciemniśći, rysując swiatłem latarki jakieś koła tworzą obraz który powoli zanika . Czy jest taka substancja , farba , jak sie nazywa ,maxbukow@onet.pl

Pozostaw odpowiedź