Weird Science

W szczawiowym blasku

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (1/2022):

Ilustracja

Ples M., W szcza­wio­wym bla­sku, Bio­lo­gia w Szkole, 1 (2022), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 53-56

Na wstępie chciałbym wspom­nieć pewną ważną dla mnie książkę. Prze­czy­ta­łem ją po raz pierw­szy w dzie­cińs­twie, ale pow­ra­ca­łem do niej późn­iej wie­lo­krot­nie i za każdym razem była dosko­na­łym źródłem nie tylko roz­rywki, ale też wielu prze­my­śleń, a nawet inspi­ra­cji. Mam tu na myśli napi­sane przez Jona­thana Swi­fta w 1726 roku "Podróże do wielu odle­głych naro­dów świata, w 4 czę­ściach, opi­sane przez Lemu­ela Guli­wera, naj­pierw leka­rza okręto­wego, późn­iej kapi­tana kilku stat­ków", nazy­wane czę­ściej z uwagi na dłu­gość ory­gi­nal­nego tytułu po pro­stu Podróżami Guli­wera. Powieść ta jest, przy­najm­niej moim zda­niem, jedną z naj­bar­dziej cel­nych satyr na ludzką naturę, a jed­no­cze­śnie sta­nowi wysma­ko­waną paro­dię popu­lar­nych - zarówno w cza­sach współcze­snych auto­rowi, jak i dziś - powie­ści "podróżn­i­czych", a w isto­cie po pro­stu fan­ta­stycz­nych.

W roz­dziale piątym trze­ciej czę­ści "Podróży…" boha­ter powie­ści po opusz­cze­niu lata­jącej wyspy Laputy dostaje się do kraju Bal­ni­bar­bów, gdzie między innymi zwie­dza sza­cowną Aka­de­mię tego pańs­twa, opi­su­jąc m.in. bada­nia jed­nego z tam­tej­szych uczo­nych:

Pra­co­wał on przez lat osiem nad jed­nym cie­ka­wym pro­jek­tem wyciągnie­nia z ogór­ków pro­mieni sło­necz­nych, żeby je, zamk­nąw­szy w butlach i mocno zat­kaw­szy, użyć na ogrze­wa­nie powie­trza latem w dniach chłod­nych i nie­po­god­nych. […] Ale żalił się, że ma dochody małe. […] Dałem mu mały poda­ru­nek, gospo­darz mój bowiem opa­trzył mnie pie­niędzmi, wie­dząc, że ci uczeni mają zwy­czaj wypra­szać sobie cokol­wiek u zwie­dza­jących Aka­de­mię.

Swift J., Podróże Guli­wera

tłum: Ano­nim (1784 r.)

Jest to oczy­wi­sty pasz­kwil Swi­fta na real­nie ist­nie­jące bry­tyj­skie Towa­rzy­stwo Królew­skie, którego człon­ko­wie mieli jakoby trwo­nić środki na nie zaw­sze sen­sowne bada­nia. Oczy­wi­ście, opi­sany pro­ces odzy­ski­wa­nia pro­mieni sło­necz­nych z ogór­ków jest całk­o­witą fan­ta­zją, ale wizja pisa­rza daje nam pole do pew­nych roz­my­ślań, które mogą dać początek rze­czy­wi­stym doświad­cze­niom.

Muszę zazna­czyć, że dzi­siej­szy arty­kuł jest może nieco nie­ty­powy, ponie­waż nieco bar­dziej niż zwy­kle nawiązuje do che­mii, ale musimy pamiętać, że bio­lo­gia sama w sobie łączy w sobie tema­tykę wielu dzie­dzin – w tym i wspom­nia­nej przed chwilą.

Szczaw

Chcę zapro­po­no­wać, aby z pew­nych powo­dów - które nie­długo staną się jasne - w naszych roz­wa­ża­niach wyjść jed­nak nie od ogórka siew­nego Cucu­mis sati­vus z rodziny dynio­wa­tych Cucur­bi­ta­ceae, a od innej rośliny. Będzie nią gatu­nek z rodzaju szczaw Rumex, a dokład­niej szczaw zwy­czajny Rumex ace­tosa (rodzina rde­sto­wate Poly­go­na­ceae). Roślina ta występuje w całej Euro­pie, na dużych poła­ciach Azji, w Afryce Półn­oc­nej, a nawet w Austra­lii [1]. Wraz z euro­pej­skimi osad­ni­kami szczaw roz­prze­strze­nił się także w Ame­ryce połu­dnio­wej. W Pol­sce, o czym dosko­nale wiemy, gatu­nek ten jest pospo­lity na pra­wie całej powierzchni kraju, poza regio­nami gór­skimi.

Szczaw jest zielną rośliną wie­lo­let­nią, a więc byliną (Fot.1). Okres kwit­nie­nia przy­pada od maja do czerwca, a nasiona są przy­sto­so­wane do roz­sie­wane przez wiatr, co nazy­wamy ane­mo­cho­rią. Jeśli cho­dzi o miej­sce życia, to szczaw jest rośliną sto­sun­kowo wyma­ga­jącą - rośnie na gle­bach żyznych, w szcze­gól­no­ści boga­tych w związki azo­towe. W Pol­sce jest pospo­lity na pola­nach, łąkach oraz przy­dro­żach, także jako roślina rude­ralna i często trak­to­wany jak chwast.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Szczaw zwy­czajny

Szczaw zwy­czajny (a także inne gatunki z tego rodzaju) jest od wie­ków wyko­rzy­sty­wany jako roślina lecz­ni­cza, np. przy dole­gli­wo­ściach wątroby i nerek. Liście szcza­wiu są jadalne i znaj­dują zasto­so­wa­nie w sztuce kuli­nar­nej do przy­rządza­nia zup, sosów i sała­tek.

Tutaj możemy się zasta­no­wić jakiemu wła­ści­wie skład­ni­kowi zupa szcza­wiowa zaw­dzięcza swój cha­rak­te­ry­styczny, lekko kwa­sko­waty smak? Tak! Nau­kow­cem-przy­rod­ni­kiem nie prze­staje się być nawet przy obie­dzie!

Tkanki szcza­wiu – między innymi liście i ich ogonki – zawie­rają sto­sun­kowo duże ilo­ści kwasu szcza­wio­wego C2H2O4 i jego związ­ków. Warto zazna­czyć, że podobną cechę wyka­zują także inne rośliny z rodzaju rde­sto­wa­tych, między innymi rze­wień, czyli rabar­bar Rheum [2].

Oma­wiana sub­stan­cja jest zwy­cza­jowo nazy­wana kwa­sem szcza­wio­wym, a jej nazwa sys­te­ma­tyczna to kwas eta­no­diowy. Jest to orga­niczny związek che­miczny i naj­prost­szy kwas dikar­bok­sy­lowy, to jest posia­da­jący w swo­jej struk­tu­rze dwie grupy kar­bok­sy­lowe -COOH, o czym prze­ko­nuje nas wzór struk­tu­ralny tej sub­stan­cji (Rys.1).

Ilustracja
Rys.1 – Struk­tura kwasu szcza­wio­wego

Kwas ten w warun­kach nor­mal­nych występuje zwy­kle w postaci dihy­dratu i jest bia­łym, kry­sta­licz­nym cia­łem sta­łym (Fot.2). Roz­pusz­cza się dosyć dobrze w wodzie, ale też w wielu roz­pusz­czal­ni­kach orga­nicz­nych, takich jak eta­nol C2H5OH i eter die­ty­lowy C4H10O. Sub­stan­cję tę potra­fimy otrzy­my­wać na dro­dze syn­te­tycz­nej, ale nic nie stoi na przesz­ko­dzie (poza oczy­wi­ście kosz­tami), aby izo­lo­wać ją z surow­ców natu­ral­nych.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Kwas szcza­wiowy

Warto pamiętać, że przy dużej eks­po­zy­cji kwas szcza­wiowy działa drażn­iąco na skórę i błony ślu­zowe. Jeśli cho­dzi o drogę pokar­mową, to nawet w ilo­ściach spo­ty­ka­nych w żyw­no­ści może być szko­dliwy, ponie­waż łatwo rea­guje z jonami wap­nia, two­rząc pra­wie nie­roz­pusz­czalny w wodzie szcza­wian wap­nia CaC2O4 for­mu­jący kamie­nie ner­kowe. Z tego samego powodu spo­ży­wa­nie dużych ilo­ści pokar­mów zawie­ra­jących kwas szcza­wiowy i jego związki może pro­wa­dzić także do zubo­że­nia orga­ni­zmu w wapń.

Doświad­cze­nie

Kwas szcza­wiowy posiada bar­dzo wiele zasto­so­wań w prze­my­śle i ana­li­zie che­micz­nej. Nas dziś jed­nak inte­re­sują inte­re­su­jące wła­ści­wo­ści pew­nej pochod­nej tego kwasu, a kon­kret­nie dich­lorku oksa­lilu C2O2Cl2. Związek ten należy do grupy tak zwa­nych chlor­ków acy­lo­wych, to zna­czy takich pochod­nych kwa­sów kar­bok­sy­lo­wych, w których grupa hydrok­sy­lowa -OH została zastąpiona ato­mem chloru. Skoro kwas szcza­wiowy posiada dwie takie grupy, to logiczne jest, że w pocho­dzącym od niego chlorku acy­lo­wym do ich pod­sta­wie­nia zostaną wyko­rzy­stane dwa atomy chloru (Rys.2).

Ilustracja
Rys.2 – Struk­tura dich­lorku oksa­lilu

Czy­sty dich­lo­rek oksa­lilu jest bez­barwną, lotną cie­czą (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Dich­lo­rek oksa­lilu

Przy wszel­kich mani­pu­la­cjach z tą sub­stan­cją należy wyka­zy­wać daleko idącą ostrożn­ość, ponie­waż działa ona bar­dzo szko­dli­wie na orga­nizm: w kon­tak­cie z naszymi tkan­kami nisz­czy je, powo­duje ciężkie opa­rze­nia (także wew­nątrz orga­ni­zmu, pod­czas wdy­cha­nia par dich­lorku). Samo­dziel­nie wyka­zuje dzia­ła­nie tok­syczne, a w kon­tak­cie z wodą dodat­kowo uwal­nia inne, też tok­syczne pro­dukty. Sub­stan­cja ma nie­przy­jemny i drażn­iący zapach. Prace z dich­lor­kiem oksa­lilu należy pro­wa­dzić z zasto­so­wa­niem odpo­wied­nich środ­ków och­rony oso­bi­stej.

Dich­lo­rek oksa­lilu jest często uży­wany w syn­te­zie che­micz­nej np. w celu wytwo­rze­nia innych chlor­ków kwa­so­wych z odpo­wied­nich kwa­sów kar­bok­sy­lo­wych. Wyka­zuje on jed­nak jesz­cze jedną, bar­dzo wido­wi­skową, a także cie­kawą z naszego punktu widze­nia cechę. Aby ją zaob­ser­wo­wać trzeba jed­nak poczy­nić pew­nie przy­go­to­wa­nia.

W celu wyko­na­nia doświad­cze­nia – które w cało­ści musi odby­wać się pod spraw­nie dzia­ła­jącym wyciągiem – na dno wyso­kiej, nie­wiel­kiej zlewki należy nanieść dosłow­nie jedną lub dwie kro­ple dich­lorku oksa­lilu, a następ­nie przy­kryć naczy­nie szkiełk­iem zegar­ko­wym, szalką Petriego lub w inny spo­sób. Osobno trzeba przy­go­to­wać mie­sza­ninę roz­pusz­czal­nika orga­nicz­nego (np. mało tok­sycz­nego octanu etylu C4H8O2 - głów­nego skład­nika zmy­wa­czy do paznokci), nad­tlenku wodoru 3% H2O2 (aptecz­nej wody utle­nio­nej, dużo lepiej jed­nak nadaje się roz­twór 30%) i odpo­wied­niego barw­nika flu­o­re­scen­cyj­nego (w opi­sa­nym przy­padku wyko­rzy­stano 9,10-dife­ny­lo­an­tra­cen - barw­nik flu­o­ry­zu­jący nie­bie­sko w świe­tle UV, ale można go zastąpić także innymi). Jeśli teraz nasączymy roz­two­rem bawełn­iany koniec patyczka kosme­tycz­nego i umie­ścimy go w parach dich­lorku oksa­lilu, to roz­bły­śnie on pięk­nym, nie­bie­skim świa­tłem (Fot.4). Naj­lep­szy efekt doświad­cze­nia uzy­skamy prze­pro­wa­dza­jąc je w przyćm­io­nym świe­tle lub nawet w ciem­no­ści.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Che­miczne świa­tło

Świe­ce­nie utrzy­muje się tak długo, jak tylko wystar­czy rea­gen­tów. Potem paty­czek można nasączyć nową por­cją roz­tworu barw­nika i nad­tlenku wodoru, a w razie wyczer­pa­nia par dich­lorku umie­ścić w zlewce kolejną jego kro­plę. Po doświad­cze­niach pozo­sta­ło­ści należy umie­ścić w odpo­wied­nich pojem­ni­kach i prze­ka­zać do zakładu uty­li­zu­jącego tego rodzaju odpady.

Wyja­śnie­nie

Mamy tu do czy­nie­nia z fascy­nu­jącym zja­wi­skiem che­mi­lu­mi­ne­scen­cji, w cza­sie której docho­dzi do emi­sji pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego z zakresu świa­tła widzial­nego na dro­dze innej niż ter­miczna. Che­mi­lu­mi­ne­scen­cja nie wiąże się bez­po­śred­nio z jakim­kol­wiek ogrze­wa­niem świe­cących sub­stan­cji i dla­tego bywa też nazy­wana zim­nym świa­tłem.

Reak­cje, w przy­padku których możemy obser­wo­wać świe­ce­nie zacho­dzą zwy­kle według cha­rak­te­ry­stycz­nego sche­matu, który można opi­sać rów­na­niem:

X → [Y]* → Y + hν

Jak widzimy, w reak­cji sub­stratu X pow­staje pro­dukt przej­ściowy [Y]* ist­nie­jący w sta­nie wzbu­dzo­nym. Stan taki cha­rak­te­ry­zuje się wysoką ener­gią, jest więc ter­mo­dy­na­micz­nie nie­tr­wały. Pro­dukt przej­ściowy ulega następ­nie spon­ta­nicz­nej reak­cji, w wyniku której prze­ksz­tałca się w pro­dukt osta­teczny Y (o niższej ener­gii). Zasada zacho­wa­nia ener­gii mówi jed­nak, że nie może ona pow­stać z niczego ani znik­nąć bez­pow­rot­nie - różn­ica między pro­duk­tem przej­ścio­wym a osta­tecz­nym prze­ksz­tałca się w ener­gię pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego hν [3].

W opi­sa­nej reak­cji pod­czas utle­nia­nia par dich­lorku oksa­lilu za pomocą nad­tlenku wodoru pow­stają przej­ściowo pro­dukty występu­jące w sta­nie wzbu­dzo­nym. W tym przy­padku nie oddają one jed­nak bez­po­śred­nio ener­gii wzbu­dze­nia w postaci świa­tła widzial­nego – ener­gia ta zostaje prze­nie­siona na cząsteczki barw­nika flu­o­re­scen­cyj­nego, które wra­ca­jąc do stanu pod­sta­wo­wego wypro­mie­nio­wują ją do śro­do­wi­ska jako świa­tło o cha­rak­te­ry­stycz­nej dla sie­bie bar­wie. Zja­wi­sko takie nazy­wamy che­mi­lu­mi­ne­scen­cją sen­sy­bi­li­zo­waną, ponie­waż barw­nik pełni tu rolę sen­sy­bi­li­za­tora, czyli swo­i­stej sub­stan­cji uczu­la­jącej.

Jak więc widzimy, może nie dosłow­nie, ale możl­iwe jest uzy­ska­nie świa­tła ze szcza­wiu, a przy­najm­niej przy wyko­rzy­sta­niu pochod­nych sub­stan­cji w nim występu­jących. Wyko­rzy­sta­nie w tym celu ogórka byłoby dużo trud­niej­sze, a może nawet nie­możl­iwe, ponie­waż występują w nim jedy­nie śla­dowe ilo­ści kwasu szcza­wio­wego.

Opi­sane zja­wi­sko che­mi­lu­mi­ne­scen­cji, czyli pow­sta­wa­nia pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego z zakresu świa­tła widzial­nego kosz­tem ener­gii wyzwo­lo­nej w cza­sie zacho­dze­nia spe­cy­ficz­nych reak­cji che­micz­nych występuje także w natu­rze i jest wtedy nazy­wane bio­lu­mi­ne­scen­cją. Wyka­zuje ją wiele orga­ni­zmów: niek­tóre owady (świe­tlik święto­jański Lam­py­ris noc­ti­luca, iskrzyk Phau­sis splen­di­dula [4] i inne), pro­ti­sty (m.in. bruzd­nice Dino­fla­gel­lata z rodzaju Pyro­cy­stis), bak­te­rie (np. Alii­vi­rio fischeri, na Fot.5), czy nawet grzyby (z kra­jo­wych gatun­ków np. opieńka mio­dowa Armil­la­ria mel­lea i  łycz­nik och­rowy Panel­lus stip­ti­cus) i inne.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Kolo­nie bak­te­rii Alii­vi­brio fische­rii roz­wi­ja­jące się na pożywce


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