Weird Science

Niezwykłe barwy

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (2/2016):

Ilustracja

Ples M., Nie­zwy­kłe barwy. O barw­ni­kach roślin­nych, Bio­lo­gia w Szkole, 2 (2016), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 60-63

O barw­ni­kach roślin­nych

Zmysł wzroku możemy zde­fi­nio­wać jako zdol­ność do odbie­ra­nia bodźców wywo­ła­nych przez pewien zakres pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego wraz z czyn­no­ściami związa­nymi z ana­lizą tych bodźców. Pod względem ilo­ści zdo­by­wa­nych dzięki niemu infor­ma­cji wzrok jest naj­ważn­iej­szym zmy­słem czło­wieka. Zakres pro­mie­nio­wa­nia o dłu­go­ści w zakre­sie 400-700nm, na które jest czuły ludzki wzrok nazy­wamy świa­tłem widzial­nym. Ma to związek z występo­wa­niem w naszej siat­kówce trzech typów foto­re­cep­to­rów (poza nie­czu­łymi na barwę pręci­kami, odpo­wie­dzial­nymi za widze­nie w warun­kach sła­bego oświe­tle­nia) nazy­wa­nych czop­kami: czu­łych na świa­tło nie­bie­skie, czer­wone i zie­lone. Zakres widze­nia innych orga­ni­zmów może być zna­cząco różny od naszego.

Wśród niek­tórych kręgow­ców (ptaki, tro­pi­kalne ryby) możemy spot­kać bar­dziej zło­żone mecha­ni­zmy widze­nia barw niż u ludzi [1]. Jeśli cho­dzi o bez­kręgowce to trzeba wspom­nieć, że w prze­ci­wieńs­twie do naszego, wzrok psz­czół i trz­mieli jest wrażl­iwy na ultra­fio­let. Motyle z rodzaju (Papil­lio) posia­dają sześć typów foto­re­cep­to­rów [2]. Usto­nogi (Sto­ma­to­poda) dys­po­nują nato­miast aż 12 różn­ymi typami foto­re­cep­to­rów [3].

Zdol­ność do widze­nia barw jest przy­datna choćby dla­tego, że w przy­ro­dzie barwy występują w dużej obfi­to­ści, zarówno w świe­cie nie­o­ży­wio­nym, jak i oży­wio­nym. Pozo­sta­wia­jąc tym razem na boku faunę zaj­mijmy się zagad­nie­niem barw w świe­cie roślin.

Rośli­nom zaw­dzięczamy bar­dzo wiele barw­ni­ków. Wśród sub­stan­cji tych możemy wyróżnić chlo­ro­file, anto­cy­jany, karo­te­no­idy, ksan­to­file i beta­la­iny. Nie można też zapom­nieć o poma­rańczo­wej kur­ku­mi­nie otrzy­my­wa­nej z kłączy ostryżu dłu­giego (Cur­cuma longa) i nie­bie­skim indygo pozy­ski­wa­nym z liści indy­gow­ców (Indi­go­fera) z rodziny bobo­wa­tych (Faba­ceae).

Szcze­gól­nie inte­re­su­jące cechy mają barw­niki z grupy chlo­ro­fili i anto­cy­ja­nów. W warun­kach szkol­nych możemy z łatwo­ścią prze­pro­wa­dzić pro­ste doświad­cze­nia związane z izo­la­cją tych barw­ni­ków z mate­riału roślin­nego, a także zaob­ser­wo­wać niek­tóre z ich cie­ka­wych wła­ści­wo­ści.

Zie­lony czy czer­wony?

Chlo­ro­file to grupa orga­nicz­nych związ­ków che­micz­nych występu­jących u roślin, glo­nów i zdol­nych do pro­wa­dze­nia foto­syn­tezy bak­te­rii, np. u sinic (cyja­no­bak­te­rii Cya­no­bac­te­ria). Chlo­ro­file są odpo­wie­dzialne m.in. za zie­loną barwę liści roślin. Zie­lony kolor barw­ni­ków z tej grupy jest spo­wo­do­wany wysoką absorp­cją w czer­wo­nej i nie­bie­skiej czę­ści spek­trum świa­tła. Naj­niższą war­tość absorp­cji obser­wuje się w zie­lo­nej czę­ści widma świa­tła (około 550nm).

W foto­syn­te­zie chlo­ro­file pełnią bar­dzo ważną funk­cję: ule­gają wzbu­dze­niu pod wpły­wem świa­tła. Ener­gia wzbu­dze­nia jest następ­nie prze­ka­zy­wana do cen­trum reak­cji foto­u­kładu, skąd wybi­jane są elek­trony wyko­rzy­sty­wane w dal­szych eta­pach foto­syn­tezy.

Wyróżn­iamy chlo­ro­file a, b, c i inne. U wszyst­kich roślin pro­wa­dzących foto­syn­tezę występują chlo­ro­file a i b. Pozo­stałe można zna­leźć u niek­tórych glo­nów, a także bak­te­rii foto­syn­te­zu­jących.

W budo­wie cząsteczki każd­ego chlo­ro­filu można wyróżnić układ por­fi­ry­nowy (feo­por­fi­ryna). W cen­trum układu znaj­duje się atom magnezu związany z ato­mami azotu każd­ego z pier­ścieni. Por­fi­ryna two­rząca kom­pleks z magne­zem posiada zdol­ność do absorp­cji pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego w zakre­sie świa­tła widzial­nego. W cząstecz­kach więk­szo­ści typów chlo­ro­filu feo­por­fi­ryna wiąże się z fito­lem - nie­na­sy­co­nym alko­ho­lem diter­pe­no­wym (Rys.1) [4].

Ilustracja
Rys.1 – Struk­tura cząsteczki chlo­ro­filu a 
źródło: https://upload.wiki­me­dia.org/wiki­pe­dia/com­mons/3/33/Chlo­ro­phyll_a_struc­ture.svg, dostęp: 12.03.2016

Źródłem chlo­ro­filu do doświad­czeń mogą być jakie­kol­wiek zie­lone czę­ści roślin. Oczy­wi­ście naj­bar­dziej nadają się tu liście. Ja wyko­rzy­sta­łem świeże liście szpi­naku, ale można też użyć mro­żo­nych liści tej lub innych roślin (Fot.1).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Użyte w doświad­cze­niu liście szpi­naku

Dla łatwiej­szej pracy liście można pokroić w drob­niej­sze frag­menty, które należy prze­nieść do moździe­rza. Do eks­trak­cji chlo­ro­filu z liści nie możemy nie­stety użyć wody, ponie­waż chlo­ro­fil jest w niej prak­tycz­nie nie­roz­pusz­czalny. Z tego powodu liście w moździe­rzu zale­wamy nie­wielką ilo­ścią ace­tonu i ucie­ramy. Ace­ton co prawda nie jest tok­syczny, ale kla­sy­fi­kuje się go jako sub­stan­cję drażn­iąca lub mogącą spo­wo­do­wać tym­cza­sowe usz­ko­dze­nie zdro­wia. Jest to sto­sun­kowo lotna ciecz - należy uni­kać wdy­cha­nia par tego związku.

Ace­ton dobrze roz­pusz­cza chlo­ro­fil, więc po krót­kim cza­sie zaob­ser­wu­jemy, że ciecz nabiera zabar­wie­nia (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Eks­trak­cja chlo­ro­filu z liści

Uzy­skany w ten spo­sób ace­to­nowy roz­twór chlo­ro­filu należy prze­sączyć, by pozbyć się sta­łych zanie­czysz­czeń. Pow­stały kla­rowny roz­twór ma piękną zie­loną barwę, co można zoba­czyć na Fot.3.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Ace­to­nowy roz­twór chlo­ro­filu

Na razie nie zaob­ser­wo­wa­li­śmy niż zaska­ku­jącego. Spróbujmy jed­nak oświe­tlić otrzy­many roz­twór świa­tłem ultra­fio­le­to­wym (po uprzed­nim zaciem­nie­niu pomiesz­cze­nia). Można wtedy zau­wa­żyć, że ciecz zaczyna flu­o­ry­zo­wać świa­tłem o bar­wie kar­mi­nowo-czer­wo­nej (Fot.4). Roz­twór nie powi­nien być zbyt stężony, ponie­waż wtedy pro­mie­nio­wa­nie będzie bar­dzo sil­nie poch­ła­niane i flu­o­re­scen­cję zaob­ser­wu­jemy jedy­nie w przy­po­wierzch­nio­wych war­stwach cie­czy.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Flu­o­re­scen­cja roz­tworu chlo­ro­filu

W szkol­nych rea­liach, gdzie cza­sem trudno o możl­i­wość zaciem­nie­nia całego pomiesz­cze­nia wygod­niej jest posłu­żyć się wskaźn­i­kiem lase­ro­wym. Musi to być jed­nak półp­rze­wod­ni­kowy laser nie­bie­ski, a raczej fio­le­towy (λ=405nm). Nie można tu wyko­rzy­stać bar­dziej popu­lar­nych wskaźn­i­ków o świe­tle czer­wo­nym lub zie­lo­nym. Przy oświe­tle­niu roz­tworu chlo­ro­filu nie­bie­skim lase­rem można z łatwo­ścią zau­wa­żyć bar­dzo inten­sywną flu­o­re­scen­cję na dro­dze wiązki świa­tła (Fot.5).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Flu­o­re­scen­cja roz­tworu chlo­ro­filu pod wpły­wem świa­tła lase­ro­wego

Flu­o­re­scen­cja, jako jeden z rodza­jów lumi­ne­scen­cji, polega na emi­sji świa­tła przez wzbu­dzony atom lub cząsteczkę. W tym przy­padku, cząsteczka chlo­ro­filu zostaje wzbu­dzona do wyższego stanu ener­ge­tycz­nego kosz­tem ener­gii pada­jącego świa­tła. Stan wzbu­dzony jest jed­nak nie­tr­wały - cząstka w bar­dzo krót­kim cza­sie prze­cho­dzi więc z pow­ro­tem do stanu pod­sta­wo­wego. Różn­ica ener­gii między odpo­wied­nim sta­nem wzbu­dzo­nym a pod­sta­wo­wym zgod­nie z zasadą zacho­wa­nia ener­gii musi zostać oddana do śro­do­wi­ska. W tym przy­padku dzieje się to także na spo­sób świa­tła. Dla­czego jed­nak barwa emi­to­wa­nego świa­tła jest czer­wona? Dzieje się tak, ponie­waż część ener­gii zostaje roz­pro­szona w cza­sie opi­sy­wa­nych pro­ce­sów i prze­ksz­tałca się na przy­kład w cie­pło. Z tego powodu emi­to­wane w wyniku flu­o­re­scen­cji świa­tło musi mieć niższą ener­gię niż poch­ło­nięte, czyli być prze­su­nięte względem niego w kie­runku czer­wo­nego krańca widma. Zja­wi­sko to nazy­wamy prze­su­nięciem Sto­kesa [5].

W ten pro­sty spo­sób udo­wod­ni­li­śmy, że cząsteczki chlo­ro­filu można wzbu­dzić do wyższych sta­nów ener­ge­tycz­nych za pomocą świa­tła. Jest to istotna ana­lo­gia do roli chlo­ro­fili w foto­syn­te­zie, z tą różn­icą, że w rośli­nach ener­gia wzbu­dze­nia nie jest tra­cona poprzez emi­sję świa­tła, lecz prze­no­szona na inne cząsteczki i następ­nie wyko­rzy­stana w syn­te­zie potrzeb­nych orga­ni­zmowi związ­ków che­micz­nych.

Różn­o­barwne anto­cy­jany

Anto­cy­jany są liczną grupą orga­nicz­nych związ­ków che­micz­nych. Z che­micz­nego punktu widze­nia należy zali­czyć je do fla­wo­no­i­dów będących gli­ko­zy­dami. Rolę agli­ko­nów pełnią w nich anto­cy­ja­ni­dyny - naj­czę­ściej cyja­ni­dyna, pelar­go­ni­dyna lub del­fi­ni­dyna [6].

Anto­cy­jany są natu­ral­nymi barw­ni­kami występu­jącymi w rośli­nach. Ich barwa jest bar­dzo zróżn­i­co­wana: od czer­wo­nej, przez nie­bie­ską, aż do fio­le­to­wej. Bada­nia nad anto­cy­ja­nami roz­po­czął w 1914 roku nie­miecki che­mik Richard Mar­tin Will­stät­ter, lau­reat Nagrody Nobla z roku 1915 [7]. Zwy­kle uważa się, że anto­cy­jany pełnią w orga­ni­zmach roślin funk­cje och­ronne.

Znamy dziś przy­najm­niej kil­ka­set anto­cy­ja­nów - różnią się one od sie­bie rodza­jem anto­cy­ja­ni­dyny oraz rodza­jem, liczbą i miej­scem przy­łącze­nia reszty cukro­wej i jej mody­fi­ka­cjami.

Barw­niki anto­cy­ja­nowe występują w owo­cach wielu roślin: aro­nii, czar­nego bzu, czar­nej porzeczki, żura­winy, gra­natu i innych. Znaj­dują one zasto­so­wa­nie w prze­my­śle far­ma­ceu­tycz­nym i spo­żyw­czym.

Dosko­na­łym źródłem odpo­wied­nich do pro­po­no­wa­nego doświad­cze­nia anto­cy­ja­nów są liście czer­wo­nej odmiany kapu­sty warzyw­nej gło­wia­stej (Bras­sica ole­ra­cea var. capi­tata). Umyte liście należy pociąć na nie­wiel­kie frag­menty (Fot.6).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Pocięte liście czer­wo­nej kapu­sty

Eks­trak­cję pro­wa­dzimy jak uprzed­nio, roz­cie­ra­jąc mate­riał roślinny w moździe­rzu. Tym razem możemy użyć wody, ponie­waż anto­cy­jany są w niej dobrze roz­pusz­czalne. Pole­cam wyko­rzy­stać wodę desty­lo­waną. Po prze­sącze­niu wyciąg z liści kapu­sty ma barwę fio­le­tową (Fot.7).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Roz­twór anto­cy­ja­nów

Jak już wspom­nia­łem, anto­cy­jany są czułe na pH śro­do­wi­ska. Spróbujmy to spraw­dzić. Uzy­skany roz­twór anto­cy­ja­nów wystar­czy roz­lać do kilku pro­bówek lub innych naczyń, a następ­nie dodać do każdej z nich po parę kro­pli roz­cieńczo­nych roz­two­rów np. kwasu chlo­ro­wo­do­ro­wego HCl, kwasu boro­wego H3BO3, wodo­ro­węglanu sodu NaHCO3 i wody amo­nia­kal­nej NH3(aq). Jako próbę kon­trolną naj­le­piej zasto­so­wać wodę desty­lo­waną.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Barwy roz­tworu anto­cy­ja­nów w zależn­o­ści od pH; A – kwas chlo­ro­wo­do­rowy HCl, B – kwas borowy H3BO3, C – woda H2O, D – wodo­ro­węglan sodu NaHCO3, E – woda amo­nia­kalna NH3(aq)

W śro­do­wi­sku o odczy­nie neu­tral­nym (pH=7) i zbli­żo­nym roz­twór anto­cy­ja­nów pocho­dzących z czer­wo­nej kapu­sty jest fio­le­towy (Fot.8C). W sil­nie kwa­so­wym śro­do­wi­sku kwasu sol­nego anto­cy­jany przyj­mują barwę czer­woną (Fot.8A). Kwas borowy także powo­duje wyraźną zmianę barwy na mali­nową (Fot.8B). Słabe zasady w rodzaju wodo­ro­węglanu sodu powo­dują pow­sta­nie nie­bie­skiego zabar­wie­nia (Fot.8D), nato­miast bar­dziej zasa­dowa woda amo­nia­kalna zie­lo­nego (Fot.8E).

Jak widać, badane anto­cy­jany są wydaj­nymi wskaźn­i­kami odczynu śro­do­wi­ska i to dzia­ła­jącymi w sze­ro­kim zakre­sie pH: od wyraźnie kwa­śnego, przez neu­tralne, aż do sil­nie zasa­do­wego. Zaska­ku­jące jest, że doda­tek kwasu boro­wego powo­duje wyraźną zmianę barwy roz­tworu, pod­czas gdy jest on tak sła­bym kwa­sem, że jego wła­ści­wo­ści kwa­sowe trudno stwier­dzić przy uży­ciu dostęp­nych na rynku uni­wer­sal­nych papier­ków wskaźn­i­ko­wych.

Nie­stety, roz­twór anto­cy­ja­nów otrzy­many w tak pro­sty spo­sób jest nie­tr­wały i nie można go zbyt długo prze­cho­wy­wać. Dzieje się tak naj­praw­do­po­dob­niej z powodu zanie­czysz­czeń enzy­ma­tycz­nych pocho­dzących z wyko­rzy­sta­nego mate­riału roślin­nego. By wydłu­żyć trwa­łość barw­nika konieczne jest kło­po­tliwe oczysz­cza­nie roz­tworu. Z racji niskiej ceny i dużej dostęp­no­ści surowca przy­go­to­wy­wa­nie kapu­ścia­nego wskaźn­ika zaw­sze na świeżo nie spra­wia pro­blemu.

Można też spróbo­wać wyko­rzy­stać roz­twory anto­cy­ja­nów otrzy­mane z innych roślin.

Zachęcam Czy­tel­nika, by prze­pro­wa­dził swoje opi­sane doświad­cze­nia i w razie potrzeby odpo­wied­nio je zmo­dy­fi­ko­wał według wła­snego uzna­nia. Jak widać, możl­i­wo­ści są naprawdę duże nawet przy wyko­rzy­sta­niu bar­dzo pro­stych środ­ków.

Lite­ra­tura:

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