Kasztanowiec - zwyczajny, ale niezwykły
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Biologia w Szkole (4/2017):

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 wykorzystywanae 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.
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:
- kasztanowiec czerwony Aesculus carnea Hayne
- kasztanowiec drobnokwiatowy Aesculus parviflora Walt.
- kasztanowiec francuski Aesculus x plantierensis André
- kasztanowiec gładki Aesculus glabra Willd.
- kasztanowiec japoński Aesculus turbinata Blume
- kasztanowiec krwisty Aesculus pavia L.
- kasztanowiec żółty Aesculus flava Sol. ex Hope
- kasztanowiec zwyczajny Aesculus hippocastanum L. [2]
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.
Kwiaty tej rośliny tworzą gęste, wiechowate i wzniesione kwiatostany (Fot.3). Ich długość może dochodzić nawet do 30 cm.
Płatki kwiatów są białe z żółtymi lub czerwonymi plamkami u nasady (Fot.4). Kasztanowiec zwyczajny kwitnie w maju [3].
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).
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).
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).
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.
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).
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.

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:
- [1] Ples M., Wstydliwa roślina, Biologia w Szkole, 6 (2015), Forum Media Polska Sp. z o.o., str. 52-56 powrót
- [2] Mirek Z., Piękoś-Mirkowa H., Zając A., Zając M., Flowering plants and pteridophytes of Poland: a checklist. Krytyczna lista roślin naczyniowych Polski, Instytut Botaniki PAN im. Władysława Szafera w Krakowie, 2002 powrót
- [3] Podbielkowski Z., Słownik roślin użytkowych, Powszechne Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Warszawa, 1989 powrót
- [4] Mayer J., Schwegler H.-W., Wielki atlas drzew i krzewów, Oficyna Wydawnicza Delta W-Z, Warszawa, 2007 powrót
- [5] Wielgosz T., Wielka księga ziół polskich, Publicat S.A., Poznań, 2008 powrót
- [6] Sawieliew I.W., Wykłady z fizyki 3 (Wyd. II), Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1994 powrót
- [7] Ples M., Światło z retorty, Chemia w Szkole, 5 (2014), Agencja AS Józef Szewczyk, str. 33-34. powrót
- [8] Ples M., Całkiem niezwykła herbatka, Chemia w Szkole, 4 (2015), Agencja AS Józef Szewczyk, str. 6-9 powrót
- [9] Ples M., Co i jak można otrzymać z piasku? Nieznane oblicze krzemu, Chemia w Szkole, 6 (2016), Agencja AS Józef Szewczyk, str. 38-43 powrót
- [10] Ples M., Fiat lux! Tryboluminescencja związku kompleksowego miedzi, Chemia w Szkole, 2 (2015), Agencja AS Józef Szewczyk, str. 10-11 powrót
- [11] Ples M., Świecący cukier, czyli o tryboluminescencji sacharozy, Fizyka w Szkole, 3 (2015), Agencja AS Józef Szewczyk, str. 45-46 powrót
- [12] Ples M., Jak uwięzić światło? O skutkach domieszkowania siarczku cynku, Chemia w Szkole, 1 (2017), Agencja AS Józef Szewczyk, str. 12-18 powrót
- [13] Bohne B., Dietze P., Rośliny trujące: 170 gatunków roślin ozdobnych i dziko rosnących, Wydawnictwo Bellona, Warszawa, 2008 powrót
- [14] Dz.U. 2014 nr 0 poz. 1409 – Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 9 października 2014 r. w sprawie ochrony gatunkowej roślin powrót
- [15] Gispert J.R., Coordination Chemistry, Wiley-VCH, 2008, str. 483 powrót
- [16] Duarte F. J., Appendix of Laser Dyes. Tunable Laser Optics, Elsevier-Academic, Nowy Jork, 2003 powrót
Autorem fotografii i rysunków jest Marek Ples.
Marek Ples