Pierścienie Lieseganga
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Biologia w Szkole (6/2022):
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 spożywcza,
- chlorek kobaltu CoCl2,
- woda amoniakalna NH3(aq) 25-30%.
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:
- CoCl2 (bezwodny) – niebieski,
- CoCl2 · 2H2O – różowy,
- CoCl2 · 6H2O – intensywnie czerwony
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.
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).
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.
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).
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).
Lokalizacja wykwitów przyjmuje kształt charakterystycznych pierścieni. Widzimy więc, że zjawiska samoorganizacji są uniwersalne, zarówno dla materii ożywionej, jak i nieożywionej.
Literatura:
- [1] Barman S., Ali A., Hui E. K., Adhikary L., Nayak D. P., Transport of viral proteins to the apical membranes and interaction of matrix protein with glycoproteins in the assembly of influenza viruses, Virus Research, 2001, 77 (1), str. 61–69 powrót
- [2] Epstein I.R., Pojman J.A., An introduction to nonlinear chemical dynamics: oscillations, waves, patterns, and chaos, Oxford University Press, 1998, str. 3 powrót
- [3] Espenson J.H., Chemical Kinetics and Reaction Mechanisms, McGraw-Hill, 2002, str. 190 powrót
- [4] Liesegang R.E., Uber einige Eigenschaften von Gallerten, Naturwissenschaftliche Wochenschrift, 1896, 11(30), str. 353-362 powrót
Autorem fotografii i rysunków jest Marek Ples.
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