Weird Science

Kasztanowiec - zwyczajny, ale niezwykły

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (4/2017):

Ilustracja

Ples M., Kasz­ta­no­wiec. Zwy­czajny, ale nie­zwy­kły, Bio­lo­gia w Szkole, 4 (2017), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 56-61

Rośliny jako wiel­kie króle­stwo orga­ni­zmów są nie mniej zróżn­i­co­wane niż zwie­rzęta. Możemy tutaj wska­zać olbrzy­mią ilość bar­dzo inte­re­su­jących z różn­ych powo­dów roślin.

Wiele z nich zaw­dzięcza swoją sławę nie­zwy­kłym na tle innych roślin zacho­wa­niom. Myślę, że z tego wła­śnie powodu są znane rośliny mięso­żerne, takie jak rosiczki Dro­sera, dzba­necz­niki Nepen­thes czy mucho­łówka Dio­naea.

Inte­re­su­jący jest też przy­pa­dek czułka wsty­dli­wego Mimosa pudica, który mimo, że nie jest rośliną mięso­żerną, to jest zdolny do wyko­ny­wa­nia całk­iem szyb­kich ruchów za pomocą swo­ich liści zło­żo­nych [1].

Inne rośliny mogą mieć szcze­gól­nie cie­ka­wie zbu­do­wane i efek­towne kwiaty, odz­na­czać się nie­ty­po­wym cyklem życio­wym itp. Trzeba jed­nak przy­znać, że zna­cze­nie wielu roślin opiera się na występo­wa­niu w nich okre­ślo­nych sub­stan­cji che­micz­nych, które mogą być wyko­rzy­sty­wane na różne spo­soby, np. jako środki lecz­ni­cze lub barw­niki.

Inne rośliny mogą mieć szcze­gól­nie cie­ka­wie zbu­do­wane i efek­towne kwiaty, odz­na­czać się nie­ty­po­wym cyklem życio­wym itp. Trzeba jed­nak przy­znać, że zna­cze­nie wielu roślin opiera się na występo­wa­niu w nich okre­ślo­nych sub­stan­cji che­micz­nych, które mogą być wyko­rzy­sty­wane na różne spo­soby, np. jako środki lecz­ni­cze lub barw­niki.

W dzi­siej­szym doświad­cze­niu chciałbym udo­wod­nić, że nawet tak pow­szech­nie spo­ty­kana roślina, jaką jest kasz­ta­no­wiec (Fot.1) może pomóc w uzy­ska­niu naprawdę cie­ka­wego i pięk­nego efektu, który pozwala na zapo­zna­nie się ze zja­wi­skami prze­miany ener­gii na pozio­mie wręcz mole­ku­lar­nym.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Ulist­niony pęd kasz­ta­nowca

Kilka infor­ma­cji

Myślę, że dosyć trudno by było zna­leźć osobę, która nie potra­fi­łaby roz­po­znać kasz­ta­nowca - choćby z powodu cha­rak­te­ry­stycz­nych liści i owo­ców. Przy­datne będzie jed­nak usy­s­te­ma­ty­zo­wa­nie potrzeb­nej wie­dzy.

Kasz­ta­no­wiec Aescu­lus jest więc rodza­jem drzew, a rza­dziej także krze­wów nale­żących do rodziny mydleńc­o­wa­tych Sapin­da­ceae. Do kasz­ta­now­ców zali­cza się ok. 25 gatun­ków euro­pej­skich, azja­tyc­kich, a także pocho­dzących z Ame­ryki Półn­oc­nej.

Warto zau­wa­żyć, że wszyst­kie występu­jące w Pol­sce gatunki kasz­ta­nowca zostały intro­du­ko­wane przez czło­wieka.

Wiele gatun­ków jest trak­to­wa­nych jako rośliny ozdobne i są sadzone jako drzewa par­kowe, ale­jowe oraz w przy­padku nasa­dzeń przy­drożn­ych. Mimo pew­nej kło­po­tli­wo­ści, związa­nej z dosyć sil­nym zaśmie­ca­niem oto­cze­nia liśćmi, toreb­kami nasien­nymi, a także samymi nasio­nami kasz­ta­nowce są ciągle popu­larne.

Na tere­nie Pol­ski spot­kać można wiele gatun­ków kasz­ta­nowca. Są to:

Jako zado­mo­wiony antro­po­fit naj­czę­ściej występuje kasz­ta­no­wiec zwy­czajny. Jego uprawę w Euro­pie roz­po­częto w 1576 roku w ogro­dach cesa­rza Mak­sy­mi­liana II po spro­wa­dze­niu ze Stam­bułu. Pod koniec XVI wieku pierw­sze osob­niki tej rośliny zostały przy­wie­zione do Pol­ski z Austrii. Za cie­ka­wostkę należy uznać fakt, że aż do XIX wieku roz­pow­szech­niona była nie­po­prawna opi­nia o pocho­dze­niu kasz­ta­nowca zwy­czaj­nego z Indii.

Kasz­ta­no­wiec zwy­czajny dora­sta do 25 metrów. Jego korona jest gęsta, kopu­la­sta lub cylin­dryczna, a star­sza kora łusz­czy się pła­tami.

Cha­rak­te­ry­styczne liście kasz­ta­nowca są dło­nia­sto­zło­żone, zbu­do­wane z 5-7 list­ków (odw­rot­nie jajo­wa­tych) o dłu­go­ści do 25 cm (Fot.2). Cha­rak­te­ry­styczne jest to, że doj­rzałe pąki liściowe wydzie­lają sto­sun­kowo dużo lep­kiej wydzie­liny.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Liść zło­żony kasz­ta­nowca zwy­czaj­nego

Kwiaty tej rośliny two­rzą gęste, wie­cho­wate i wznie­sione kwia­to­stany (Fot.3). Ich dłu­gość może docho­dzić nawet do 30 cm.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Kwia­to­stan kasz­ta­nowca zwy­czaj­nego

Płatki kwia­tów są białe z żółt­ymi lub czer­wo­nymi plam­kami u nasady (Fot.4). Kasz­ta­no­wiec zwy­czajny kwit­nie w maju [3].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Kwiaty kasz­ta­nowca zwy­czaj­nego

Owoce kasz­ta­nowca często same bywają nazy­wane kasz­ta­nami. Z bota­nicz­nego punktu widze­nia są to kol­cza­ste torebki o śred­nicy do około 5cm, zawie­ra­jące od jed­nego do trzech nasion. Poja­wiają się we wrze­śniu i paździer­niku. Nasiona są bogate w skro­bię i bywają zja­dane przez zwie­rzęta łowne, np. jele­nie, sarny i dziki [4].

Kasz­ta­no­wiec jest także rośliną lecz­ni­czą. Roślina działa prze­ciw­za­pal­nie, prze­ciw­bak­te­ryj­nie, roz­kur­cza­jąco, prze­ciw­kr­wo­tocz­nie, popra­wia stan naczyń krwio­no­śnych [5]. Przy wyko­rzy­sta­niu w lecz­nic­twie nie można pomi­nąć jed­nak faktu, że owoce tej rośliny są tru­jące, ponie­waż zawie­rają związki z grupy sapo­nin powo­du­jące hemo­lizę czer­wo­nych krwi­nek.

Doświad­cze­nie i obser­wa­cje

Aby zaob­ser­wo­wać inte­re­su­jącą nas wła­ści­wość kasz­ta­nowca potrzebny będzie nam nie­wielki frag­ment zdrew­nia­łego pędu tej rośliny (Fot.5).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Frag­ment gałązki kasz­ta­nowca

Naj­le­piej wyko­rzy­stać odci­nek żywej gałązki, którą należy oczy­ścić z liści. Zasto­so­wa­nie suchej, mar­twej gałązki przy­nosi często dużo gor­sze rezul­taty.

Następ­nie gałązkę trzeba nieco zestru­gać wraz z naj­bar­dziej powierzch­nio­wymi war­stwami, tak by uzy­skać nieco wiórów (Fot.6).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Wióry

Osobno należy przy­go­to­wać 50cm3 alka­licz­nego roz­tworu poprzez roz­pusz­cze­nie kilku gra­nu­lek wodo­ro­tlenku sodu NaOH w wodzie desty­lo­wa­nej.

Trzeba przy tym zacho­wać ostrożn­ość, ponie­waż sam wodo­ro­tle­nek sodu, jak i jego roz­twory są sil­nie żrące i mogą powo­do­wać np. nie­bez­pieczne usz­ko­dze­nia skóry i oczu.

Do tak przy­go­to­wa­nego bez­barw­nego roz­tworu należy wpro­wa­dzić uzy­skane wcze­śniej wióry i zamie­szać. Ciecz dosyć szybko nabiera przy tym barwy bru­nat­nej, ciem­nie­jącej z cza­sem (Fot.7).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Wyciąg z drewna kasz­ta­nowca

Pow­stały w ten spo­sób wyciąg trzeba dosyć szybko odsączyć od sta­łych pozo­sta­ło­ści i przy­stąpić do dal­szych obser­wa­cji, ponie­waż może być nie­tr­wały.

Sub­stan­cję tę należy trak­to­wać ostrożnie jako poten­cjal­nie nie­bez­pieczny odczyn­nik che­miczny, ponie­waż niek­tóre z sub­stan­cji zawar­tych w drew­nie kasz­ta­nowca są szko­dliwe.

Po zaciem­nie­niu pomiesz­cze­nia i oświe­tle­niu alka­licz­nego wyciągu z drewna kasz­ta­nowca świa­tłem ultra­fio­le­to­wym można dostrzec, że roz­bły­skuje on pięk­nym, bar­dzo jasnym świa­tłem o bar­wie nie­bie­skiej! Inten­syw­ność tak pow­sta­łego świa­tła jest dosyć duża – Fot.8 przed­sta­wia efekt roz­pusz­cze­nia w 60cm3 wody desty­lo­wa­nej zale­d­wie 1-2 kro­pli wyciągu.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Efekt po oświe­tle­niu roz­tworu świa­tłem UV

Co cie­kawe, zaob­ser­wo­wane zja­wi­sko nie jest jedyną zaska­ku­jącą wła­ści­wo­ścią uzy­ska­nej sub­stan­cji. Oka­zuje się, że inten­syw­no­ścią świe­ce­nia roz­tworu można tutaj mani­pu­lo­wać poprzez zmianę odczynu śro­do­wi­ska. Przy już lekko zasa­do­wym cha­rak­te­rze (pH7) roz­twór w cza­sie naświe­tla­nia świa­tłem UV emi­tuje bar­dzo jasne świa­tło (Fot.9A). Jeśli jed­nak zakwa­simy go deli­kat­nie np. nie­wiel­kim dodat­kiem kwasu octo­wego CH3COOH (np. ocet spo­żyw­czy) lub innego to inten­syw­ność bla­sku dra­stycz­nie spada (Fot.9B).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Wpływ pH roz­tworu na uzy­skany efekt UV; A – roz­twór zasa­dowy, B – roz­twór kwa­śny

Przed­sta­wione tu obser­wa­cje nie wyczer­pują oczy­wi­ście cało­ści zagad­nie­nia i można zapro­jek­to­wać wiele dal­szych inte­re­su­jących doświad­czeń. Zachęcam przy­kła­dowo do spraw­dze­nia wpływu barwy świa­tła wzbu­dza­jącego na występo­wa­nie świe­ce­nia wyciągu z kasz­ta­nowca i jego inten­syw­ność. Cie­kawe może być też eks­pe­ry­men­to­wa­nie z mate­ria­łami i sub­stan­cjami blo­ku­jącymi pro­mie­nie ultra­fio­le­towe, np. fil­trami och­ron­nymi.

Wyja­śnie­nie

Wiemy, że każde ciało o tem­pe­ra­tu­rze wyższej od zera abso­lut­nego wysyła tzw. pro­mie­nio­wa­nie ter­miczne [6]. W tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej mak­si­mum emi­sji pro­mie­nio­wa­nia ter­micz­nego przy­pada w zakre­sie dłu­go­ści fal elek­tro­ma­gne­tycz­nych odpo­wia­da­jących pod­czer­wieni.

Ist­nieją jed­nak także inne mecha­ni­zmy pozwa­la­jące na emi­sję pro­mie­nio­wa­nia, a wywo­łane przy­czyną odmienną niż pod­grza­nie ciał do odpo­wied­nio wyso­kiej tem­pe­ra­tury. Zja­wi­ska takie zbior­czo nazywa się lumi­ne­scen­cją, tj. zim­nym świe­ce­niem.

Lumi­ne­scen­cje można podzie­lić w zależn­o­ści od czyn­nika wywo­łu­jącego emi­sję pro­mie­nio­wa­nia. Wyróżnia się więc np. che­mi­lu­mi­ne­scen­cję, gdzie świa­tło pow­staje w wyniku pew­nych reak­cji che­micz­nych. Jako przy­kład należy podać tu sze­roko sto­so­waną w cza­sie wykła­dów i demon­stra­cji reak­cję utle­nia­nia lumi­nolu C8H7N3O2. Dużo sła­biej znane są che­mi­lu­mi­ne­scen­cyjne wła­ści­wo­ści natu­ral­nie występu­jących w her­ba­cie poli­fe­noli, łatwej w syn­te­zie lofiny C21H16N2, silok­senu Wöh­lera Si6O3H6 będącego przy­kła­dem tzw. związ­ków krze­mo­or­ga­nicz­nych, sin­gle­to­wej odmiany tlenu i innych sub­stan­cji [7] [8] [9]. Innym rodza­jem lumi­ne­scen­cji jest try­bo­lu­mi­ne­scen­cja wywo­łana czyn­ni­kami mecha­nicz­nymi – do emi­sji wyraźn­ego świa­tła docho­dzi np. w cza­sie roz­cie­ra­nia krysz­ta­łów związku kom­plek­so­wego mie­dzi [Cu(NCS)(py)2(PPh3)], ale też zwy­kłego cukru spo­żyw­czego, czyli sacha­rozy C12H22O11 [10] [11].

W przy­padku foto­lu­mi­ne­scen­cji przy­czyną wywo­łu­jącą świe­ce­nie jest ener­gia świetlna. Tak więc w obrębie foto­lu­mi­ne­scen­cji można wyróżnić flu­o­re­scen­cję i fos­fo­re­scen­cję. Flu­o­re­scen­cja zanika prak­tycz­nie natych­miast po usta­niu pro­mie­nio­wa­nia wzbu­dza­jącego, zaś fos­fo­re­scen­cja może trwać dłuższy czas. Wła­ści­wo­ści fos­fo­re­scen­cyjne wyko­rzy­stuje się przy wytwa­rza­niu farb świe­cących, które emi­tują świa­tło po uprzed­nim napro­mie­nio­wa­niu [12].

Teraz możemy już stwier­dzić, że w przy­padku wyciągu uzy­ska­nego z gałązki kasz­ta­nowca mogli­śmy zaob­ser­wo­wać flu­o­re­scen­cję. Dzieje się tak, ponie­waż w tkan­kach oma­wia­nej rośliny występują sto­sun­kowo duże ilo­ści pew­nego związku che­micz­nego – esku­liny C15H16O9. Jest to gli­ko­zyd, czyli związek zło­żony z czę­ści cukro­wej i agli­ko­no­wej. Wzór struk­tu­ralny esku­liny przed­sta­wia Rys.1.

Ilustracja
Rys.1 – Esku­lina

Wiele gli­ko­zy­dów wyka­zuje dzia­ła­nie bio­lo­giczne i ma zna­cze­nie far­ma­ko­lo­giczne.

Esku­lina jest gli­ko­zy­dem kuma­ry­no­wym, czyli jej agli­kon (esku­le­tyna) jest zbu­do­wany w opar­ciu o szkie­let kuma­ryny. To wła­śnie dla­tego esku­lina jest zdolna do flu­o­re­scen­cji - jest to cecha wspólna wielu pochod­nych kuma­ry­no­wych. Poza kasz­ta­now­cem związek ten występuje też w daf­ni­nie, czyli ciem­no­zie­lo­nej żywicy waw­rzynka wil­cze­łyko Daphne meze­reum. Tu jed­nak ostrze­że­nie przed próbami wyko­rzy­sta­nia tej rośliny w doświad­cze­niu: waw­rzy­nek jest bar­dzo sil­nie tru­jący. Zje­dze­nie kil­ku­na­stu doj­rza­łych owo­ców może spo­wo­do­wać śmierć doro­słego czło­wieka, dla dziecka spo­ży­cie nawet 1-2 owo­ców może być śmier­telne. Cała roślina jest nie­bez­pieczna - sam kon­takt liści ze skórą może spo­wo­do­wać bole­sne obrzęki i pęche­rze [13]. Dodat­kowo roślina pod­lega czę­ścio­wej och­ro­nie [14].

Mecha­nizm obser­wo­wa­nego zja­wi­ska można wyja­śnić na pod­sta­wie prze­mian ener­ge­tycz­nych zacho­dzących w skali mole­ku­lar­nej. Cząsteczka esku­liny w nor­mal­nych warun­kach występuje przez więk­szość czasu w sta­nie pod­sta­wo­wym, o naj­niższej ener­gii. Może ona jed­nak zostać wzbu­dzona przez poch­ło­nięcie pro­mie­nio­wa­nia o okre­ślo­nej dłu­go­ści fali, a więc i o pew­nej ener­gii. W ten spo­sób cząsteczka prze­cho­dzi do stanu wzbu­dzo­nego, tj. o wyższej ener­gii. Jest to jed­nak sytu­a­cja nie­tr­wała, ponie­waż bar­dzo szybko zostaje przyw­rócony stan pod­sta­wowy. Różn­ica ener­gii musi ulec wypro­mie­nio­wa­niu w postaci świa­tła widzial­nego.

Ponie­waż jed­nak żaden rze­czy­wi­sty pro­ces nie zacho­dzi z całk­o­witą wydaj­no­ścią, to część ener­gii wzbu­dze­nia jest roz­pra­szana np. na sku­tek drgań ter­micz­nych i świa­tło wypro­mie­nio­wane ma niższą ener­gię, a więc więk­szą dłu­gość fali niż świa­tło wzbu­dza­jące. Zja­wi­sko to nazywa się prze­su­nięciem Sto­kesa [15]. Zau­ważmy, że w tym przy­padku prze­su­nięcie Sto­kesa jest sto­sun­kowo nie­wiel­kie, ponie­waż zarówno świa­tło wzbu­dza­jące (bli­ski ultra­fio­let) i emi­to­wane (nie­bie­ski) znaj­dują się na tym samym krańcu widma świa­tła widzial­nego.

Także wiele innych sub­stan­cji wyka­zuje flu­o­re­scen­cję: mle­czan eta­kry­dyny (rywa­nol) C18H21N3O4, flu­o­re­sce­ina C20H12O5, roda­mina B C28H31N2O3Cl i inne.

Cie­ka­wostką może być tu fakt, że związki kuma­ry­nowe sto­suje się jako czyn­nik robo­czy w nowo­cze­snych typach lase­rów nazy­wa­nych lase­rami barw­ni­ko­wymi [16].

Esku­lina znaj­duje także zasto­so­wa­nie w mikro­bio­lo­gii. Za jej pomocą można doko­nać iden­ty­fi­ka­cji pew­nych rodza­jów bak­te­rii, np. ente­ro­ko­ków. Metoda ta jest oparta na zdol­no­ści tych mikro­or­ga­ni­zmów do hydro­lizy oma­wia­nego związku, na sku­tek czego pow­staje glu­koza i esku­le­tyna. Tą drugą wykrywa się następ­nie dzięki reak­cji z trój­do­dat­nimi jonami żelaza Fe3+. Pow­staje wtedy kom­pleks barwy ciem­no­o­liw­ko­wej do czar­nej.

Jak widać nawet tak zda­wa­łoby się zwy­kła roślina, jaką jest kasz­ta­no­wiec może być źródłem bar­dzo cie­ka­wych doświad­czeń, obser­wa­cji i spo­strze­żeń.

Lite­ra­tura:

Auto­rem foto­gra­fii i rysun­ków jest Marek Ples.

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa