Weird Science

Pierścienie Lieseganga

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (6/2022):

Ilustracja

Ples M., Pier­ście­nie Lie­se­ganga, Bio­lo­gia w Szkole, 6 (2022), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 53-56

Samo­or­ga­ni­za­cja

Samo­or­ga­ni­za­cją lub ina­czej samo­po­rząd­ko­wa­niem (cho­ciaż tą drugą nazwą w niek­tórych dzie­dzi­nach nazywa się także pokrewne, ale nieco inne pro­cesy) nazy­wamy ogół zja­wisk, w których ele­menty układu zło­żo­nego ule­gają jakie­muś rodza­jowi spon­ta­nicz­nego upo­rząd­ko­wa­nia. Efek­tem jest pow­sta­nie zor­ga­ni­zo­wa­nych struk­tur prze­strzen­nych lub kore­la­cji w prze­strzenno-cza­so­wych pod wpły­wem oddzia­ły­wań zacho­dzących pomiędzy samymi ele­men­tami układu, a także między ukła­dem a jego oto­cze­niem.

Zja­wi­ska samo­or­ga­ni­za­cji, cho­ciaż do nie­dawna nie­do­ce­niane, to są naj­wy­raźn­iej pow­szechne w natu­rze i wydają się pełnić donio­słą rolę w zróżn­i­co­wa­nych pro­ce­sach. Tego rodzaju feno­meny możemy zaob­ser­wo­wać poczy­na­jąc od skali mole­ku­lar­nej począw­szy, kiedy pod uwagę bie­rzemy spój­nie zacho­wu­jące się układy che­micz­nie, aż do kosmicz­nej - między innymi ksz­tałt pier­ścieni wokółp­la­ne­tar­nych (np. ota­cza­jących Saturna) lub roz­miesz­cze­nie galak­tyk także są wyni­kiem pew­nych rodza­jów samo­or­ga­ni­za­cji.

Bio­rąc pod uwagę układy bio­lo­giczne w odnie­sie­niu do zja­wi­ska samo­or­ga­ni­za­cji warto wspom­nieć choćby o budo­wie wiru­sów. Jak wiemy, w naj­o­gól­niej­szym ujęciu poje­dyn­cza jed­nostka struk­tu­ralna więk­szo­ści wiru­sów jest zbu­do­wana z otoczki białk­o­wej, czyli kap­sydu (skła­da­jącego się z pow­ta­rzal­nych pod­jed­no­stek - kap­so­me­rów) zamy­ka­jącej w sobie mate­riał gene­tyczny. Oka­zuje się jed­nak, że mate­riał ten jest zbyt skąpy, aby pomie­ścić infor­ma­cję o kon­struk­cji całego kap­sydu - jest w nim zako­do­wana budowa jedy­nie poje­dyn­czego kap­so­meru. Pod­jed­nostki te łączą się w kap­syd już w spo­sob nie­jako bierny, na zasa­dzie samo­or­ga­ni­za­cji [1].

Inte­re­su­jącym prze­ja­wem samo­or­ga­ni­za­cji jest ist­nie­nie che­micz­nych reak­cji oscy­la­cyj­nych. Mia­nem tym okre­śla się grupę reak­cji che­micz­nych, w których niek­tóre zależn­o­ści kon­cen­tra­cji pro­duk­tów i sub­stra­tów od czasu nie mogą zostać opi­sane funk­cją mono­to­niczną, czyli rosnącą lub male­jącą), lecz ich prze­bieg ma cha­rak­ter oscy­la­cji [2].

Dziś znamy już pewną ilość dobrze zba­da­nych przy­kła­dów che­micz­nych pro­ce­sów oscy­la­cyj­nych. W porów­na­niu jed­nak z ogółem wszyst­kich reak­cji che­micz­nych, czy nawet ich typów, reak­cje takie sta­no­wią zni­komą mniej­szość, wydają się więc nam ciągle czymś egzo­tycz­nym [3].

Feno­men two­rze­nia się tzw. pier­ścieni lub pasm Lie­se­ganga jest wła­śnie przy­kła­dem samo­or­ga­ni­za­cji w for­mie che­micz­nej reak­cji oscy­la­cyj­nej. Co więcej, pier­ście­nie Lie­se­ganga są pierw­szym odkry­tym przy­kła­dem tego zja­wi­ska. Reak­cje te jako pierw­szy opi­sał Carl Runge, a dokład­niej zba­dał je na początku XX wieku Raphael Lie­se­gang [4].

Przy­go­to­wa­nie układu fizy­ko­che­micz­nego, w którym może dojść do samo­or­ga­ni­za­cji i wytwo­rze­nia pier­ścieni (czy raczej pasm) Lie­se­ganga nie jest skom­pli­ko­wane i możemy je prze­pro­wa­dzić w naszej pra­cowni przy­rod­ni­czej. Może to być jed­no­cze­śnie punk­tem wyjść do dys­ku­sji nad rolą tego typu pro­ce­sów w zja­wi­sku zwa­nym przez nas życiem.

Czego potrze­bu­jemy?

By przy­go­to­wać oma­wiane doświad­cze­nie potrze­bu­jemy jedy­nie kilku łatwych do zdo­by­cia sub­stan­cji:

Żela­tyna to natu­ralne roz­pusz­czalne białko uzy­skane w wyniku czę­ścio­wej hydro­lizy kola­genu pocho­dzącego z kości, skóry i skórek oraz ścięgien zwie­rząt. W jej skład wcho­dzi głów­nie gli­cyna C2H5NO2, pro­lina C5H9NO2 i hydrok­sy­pro­lina C5H9NO3. Roz­pusz­czona w wodzie two­rzy układ kolo­i­dalny, łatwo prze­cho­dzący w żel przy obni­żo­nej tem­pe­ra­tu­rze. Żela­tyna nie posiada zapa­chu, smaku ani koloru. Sprze­da­wana jest w for­mie płat­ków, proszku lub list­ków. Żela­tyna ma sze­ro­kie zasto­so­wa­nie zarówno w kuchni, jak i w prze­my­śle spo­żyw­czym. Sto­so­wana jest jako emul­ga­tor oraz jako zagęst­nik w licz­nych wyro­bach, min. far­ma­ceu­ty­kach i kosme­ty­kach.

Chlo­rek kobaltu(II) jest nie­or­ga­nicz­nym związ­kiem che­micz­nym z grupy chlor­ków, a więc solą kwasu chlo­ro­wo­do­ro­wego HCl(aq) i kobaltu na II stop­niu utle­nie­nia. Bez­wodny chlo­rek kobaltu jest sil­nie higro­sko­pijny i pod­czas poch­ła­nia­nia wody (nawet w postaci pary wod­nej z powie­trza) two­rzy następu­jące hydraty o różn­ych bar­wach:

Ja w doświad­cze­niu wyko­rzy­sta­łem sól sze­ścio­wodną, jak widać po kolo­rze na Fot.1. Oczy­wi­ście można wyko­rzy­stać także sól bez­wodną lub dwu­wodną, ale trzeba wtedy dobrać ilość tych sub­stan­cji.

Fot.1 – Chlo­rek kobaltu(II)

Cho­ciaż nie ope­ru­jemy w tym przy­padku żad­nymi szcze­gól­nie tok­sycz­nymi sub­stan­cjami, to musimy pamiętać, że chlo­rek kobaltu jest solą metalu ciężk­iego – należy więc zacho­wać ostrożn­ość i uni­kać bez­po­śred­niego kon­taktu tej sub­stan­cji z naszym orga­ni­zmem. Z wody amo­nia­kal­nej uwal­nia się gazowy amo­niak NH3, który działa w spo­sób drażn­iący na oczy i drogi odde­chowe. W więk­szych stęże­niach amo­niak jest tru­jący. Trzeba uży­wać odpo­wied­nich środ­ków och­ron­nych.

Doświad­cze­nie polega na wytwo­rze­niu żelu, w którym jest zawarty jeden z rea­gen­tów (sól metalu). Drugi (roz­twór amo­niaku) zosta­nie nanie­siony na żel.

Musimy zacząć od przy­go­to­wa­nia żelu; w gorącej wodzie należy roz­pu­ścić tyle żela­tyny, by jej stęże­nie wynio­sło około 4%. Następ­nie szybko (tak by roz­twór nie zdążył osty­gnąć) doda­jemy chlo­rek kobaltu. Jego stęże­nie w roz­two­rze żela­tyny powinno być zbli­żone do 5%. W obu przy­pad­kach mamy na myśli oczy­wi­ście pro­centy masowe.

Roz­twór wle­wamy do nie­wiel­kiej pro­bówki, na przy­kład o śred­nicy 5-10mm. Pro­bówkę chło­dzimy, po jakimś cza­sie zawar­tość powinna zesta­lić się w żel. Otrzy­many żel ma barwę różową, cha­rak­te­ry­styczną dla obec­no­ści uwod­nio­nych jonów kobal­to­wych(II) Co2+. Następ­nie na powierzch­nię zesta­lo­nego żelu nale­wamy kilka cm3 wody amo­nia­kal­nej i pro­bówkę pozo­sta­wiamy na kilka lub kil­ka­na­ście dni kon­tro­lu­jąc od czasu do czasu zawar­tość. Wylot pro­bówki zabez­pie­czamy kor­kiem lub zwit­kiem waty. W tym cza­sie pro­bówka nie powinna być pod­da­wana sil­nym wstrząsom lub dużym waha­niom tem­pe­ra­tury.

Doświad­cze­nie jest nieco kapry­śne i nie zaw­sze się udaje. Przy­czyny tego faktu nie są jasne. Dla­tego warto je przy­go­to­wać od razu w kilku pow­tórze­niach i porów­nać wyniki. Jed­nak w razie powo­dze­nia efekt jest naprawdę inte­re­su­jący (Fot.2).

Fot.2 – Efekt doświad­cze­nia, strzałka wska­zuje miej­sce pow­sta­nia pasm Lie­se­ganga

W tym wypadku pow­sta­wa­nie pier­ścieni trwało 5 dni w tem­pe­ra­tu­rze 15 stopni Cel­sju­sza. Po tym cza­sie w obrębie żelu doszło do wytwo­rze­nia barw­nej smugi o bar­wie czer­wono-poma­rańczowo-żółt­a­wej w pobliżu powierzchni żelu, prze­cho­dzącej w zie­loną w jego głębi. Co cie­kawe, jed­no­rodna smuga pro­duktu reak­cji na pew­nej głębo­ko­ści roz­pada się na odrębne pasma-pier­ście­nie o wręcz zasta­na­wia­jącej wyra­zi­sto­ści, co można lepiej zau­wa­żyć na Fot.3.

Fot.3 – Zbli­że­nie na pasma

Zau­ważmy, że skoro pro­dukt pow­stał nawet w naj­niższych rejo­nach naczy­nia, zna­czy to, że oba rea­genty były dostępne w prak­tycz­nie całej objęto­ści pro­bówki. Widzimy jed­nak, że w dol­nym rejo­nie pro­bówki sąsia­dują ze sobą na prze­mian miej­sca gdzie doszło do reak­cji z tymi, gdzie nie obser­wu­jemy jej efektu. Jak to możl­iwe?

Wyja­śnie­nie

W opi­sa­nym ukła­dzie docho­dzi do reak­cji między chlor­kiem kobaltu, a amo­nia­kiem i wodą. Jony kobal­towe są uwięzione w żelu, zaś amo­niak dyfun­duje z wody amo­nia­kal­nej w jego głąb. Dzięki dyfu­zji pow­staje gra­dient stęże­nia jonów amo­no­wych w żelu. W wyniku reak­cji pow­staje nie­roz­pusz­czalny wodo­ro­tle­nek kobaltu o bar­wie nie­bie­skiej (w gór­nej czę­ści pro­bówki docho­dzi dodat­kowo do reak­cji z tle­nem z powie­trza, stąd zmiana barwy w tych rejo­nach). To wła­śnie osad wodo­ro­tlenku two­rzy zarówno zie­loną smugę, jak i pier­ście­nie.

Klu­czową rolę pełni tu fakt, że do reak­cji docho­dzi w śro­do­wi­sku żelu. Dzięki temu zaha­mo­wana jest kon­wek­cja, która w śro­do­wi­sku cie­kłym mogłaby nie dopu­ścić do pow­sta­nia pożąda­nych przez nas struk­tur. Można sądzić, że pow­sta­wa­nie pier­ścieni zacho­dzi na sku­tek zło­że­nia dwóch pro­ce­sów: dyfu­zji w głąb żelu amo­niaku jako czyn­nika strąca­jącego, oraz spadku stęże­nia jonów kobal­to­wych(II) w sąsiedz­twie obsza­rów inten­syw­nego zacho­dze­nia reak­cji strąca­nia wodo­ro­tlenku. W bez­po­śred­nio przy­le­ga­jących do strefy reak­cji obsza­rach żelu stęże­nie jonów dru­giego rea­genta maleje z racji ich dyfu­zji na sku­tek zaist­nie­nia gra­dientu stęże­nia. Dzięki temu w sąsiedz­twie obsza­rów inten­syw­nego zacho­dze­nia reak­cji, pow­stają rejony zubo­żone w jony jed­nego z rea­gen­tów. W tych obsza­rach nie docho­dzi do więc reak­cji strące­nio­wej. Kolejny pier­ścień pow­staje dopiero wtedy, gdy czyn­nik strąca­jący dotrze do kolej­nej strefy o odpo­wied­nim do zaj­ścia reak­cji stęże­niu obu sub­stan­cji. Praw­do­po­dob­nie istotną rolę pełnią tu też pro­cesy pow­sta­wa­nia i wzro­stu ośrod­ków kry­sta­li­za­cji.

Czy jest to jedy­nie cie­ka­wostka? Ze struk­tu­rami ana­lo­gicz­nymi do pier­ścieni Lie­se­ganga spo­ty­kamy się na każdym kroku w śro­do­wi­sku natu­ral­nym. Jed­nym z tego przy­kła­dów są tak zwane czar­cie kręgi. Są to łuko­wate lub koli­ste struk­tury utwo­rzone naj­czę­ściej przez owoc­niki grzy­bów. Które­goś poranka spot­ka­łem w swoim ogro­dzie wła­śnie na taką inte­re­su­jącą struk­turę (Fot.4).

Fot.4 – Czarci krąg w ogro­dzie Autora

Ich pow­sta­nie wiąże się z wyja­ła­wia­niem przez grzyb­nię obszaru wew­nątrz kręgu. Dzięki temu pow­staje krąg utwo­rzony przez grzyb­nię; z zew­nątrz jest on ogra­ni­czony fron­tem wzro­stu, od wew­nątrz zaś przez wyja­ło­wioną (czy nawet zatrutą meta­bo­li­tami) przez nią glebę. W ten spo­sób pow­staje zor­ga­ni­zo­wana struk­tura w ksz­tałcie kręgu. Innym przy­kła­dem mogą być kolo­nie mikro­or­ga­ni­zmów pora­sta­jących roz­kła­da­jące się owoce (Fot.5).

Fot.5 – Pier­ście­nie na roz­kła­da­jącym się owocu jabłoni

Loka­li­za­cja wykwi­tów przyj­muje ksz­tałt cha­rak­te­ry­stycz­nych pier­ścieni. Widzimy więc, że zja­wi­ska samo­or­ga­ni­za­cji są uni­wer­salne, zarówno dla mate­rii oży­wio­nej, jak i nie­o­ży­wio­nej.


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.

Uzu­pełn­ie­nie autora

Pier­ście­nie lub pasma pow­stałe na dro­dze samo­or­ga­ni­za­cji można otrzy­mać na różne spo­soby. Moje udane próby z odtwo­rze­niem pro­cesu wyko­rzy­sta­nego ory­gi­nal­nie przez Lie­se­ganga opi­sa­łej tutaj, nato­miast poni­żej można zoba­czyć film uka­zu­jący wzrost tych inte­re­su­jących struk­tur.

Marek Ples

Aa