Dołącz do czytelników
Brak wyników

Laboratorium

22 listopada 2022

NR 53 (Listopad 2022)

Pierścienie Lieseganga

0 43

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 przestrzenno-czasowych pod wpływem oddziaływań zachodzących pomiędzy samymi elementami układu, a także między układem a jego otoczeniem. 

POLECAMY

Zjawiska samoorganizacji, chociaż do niedawna niedoceniane, są najwyraźniej powszechne w naturze i wydają się odgrywać doniosłą rolę w zróżnicowanych procesach. Tego rodzaju fenomeny możemy zaobserwować, zaczynając od skali molekularnej, kiedy pod uwagę bierzemy spójnie zachowujące się układy chemicznie, aż do kosmicznej – m.in. 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 sposób 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. Jednak w porównaniu 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 w. 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 wyjścia 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 ma 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, m.in. 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.

 

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 więc 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 ok. 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, np. o średnicy 5–10 mm. 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°C. Po tym czasie w obrębie żelu doszło do wytworzenia 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 si...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy