XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ БИОЛЮМИНИСЦЕНЦИИ. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проекта: изучение явления биолюминесценции позволит обучающимся расширить знания в биологии, физике и химии, узнать о принципе свечения веществ внутри живых организмов, использовании биолюминесценции живыми организмами, привлечь внимание к развитию генной инженерии и поиску эффективных способов лечения и профилактики заболеваний.
Цель работы: изучить явление люминесценции, выяснить, насколько явление люминесценции безопасно. Спрогнозировать области применения данного явления различных отраслях.
Объект исследования: явление люминесценции.
Задачи исследования: изучить литературу по данному вопросу; изучить виды люминесценции; выяснить применение люминесценции; провести социологический опрос среди учащихся школы с целью выяснения осведомленности о проявлении, применении и безопасности явления люминесценции в нашей жизни; провести исследование некоторых веществ, том числе продуктов питания на обнаружение признаков люминесценции; создать в лабораторных условиях люминофор.
Методы исследования: наблюдение, анализ и синтез, сравнение, обобщение, изучение материала сети Интернет по теме.
Объект исследования: вещества, способные к люминесценции.
Научная гипотеза: явление люминесценции в биологических объектах способствует приспособленности и выживанию живых организмов и является перспективным для применения в различных отраслях и исследованиях. Взаимодействие с вещами, способными к люминесценции, безопасно.
Теоретическая и практическая значимость работы определяется возможностью использования результатов исследования в процессе изучения на уроках дисциплин естественнонаучного цикла, а также установление области применения данных исследования в медицинских, промышленных, бытовых целях.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1. Теоретическая часть
1.1 Что мы знаем о люминесценции?
Люминесценция (от лат. lumen — «свет») — свечение вещества, связанное с преобразованием поглощаемой энергии в световое излучение. Вещества, обладающие таким свойством, называются люминофорами.
Люминофоры бывают неорганическими (фосфо́ры) и органическими (органолюминофоры). Первые применяются для изготовления ламп, электронно-лучевых приборов, рентгеновских экранов, в то время как органические люминофоры используются для производства светящихся красок и материалов, а также применяются для анализа в криминалистике, медицине и химии.
Ученые выделяют несколько типов люминесценции:
1. Фотолюминесценция веществ вызывается воздействием света разной волны и делится на фосфоресценцию и флуоресценцию,
2. Хемилюминесценция происходит из-за химических реакций,
3. Биолюминесценция — способность живых организмов, например медуз, криля, светлячков и некоторых грибов, светиться (Приложение 1).
1.2 Что такое биолюминесценция?
Биолюминесценция – это процесс свечения живых организмов, хорошо видимый в темноте человеком и многоклеточными животными. Название происходит от греческого слова «биос», что означает жизнь, и латинского «люмен» свет.
Различают 2 вида биолюминесценции:
1) Внутриклеточная – у биолюминесцирующего организма светящееся вещество локализовано в капсулах внутри цитоплазмы светящихся клеток.
2) Секреторная – смесь веществ извергается из организма в виде покрывающей его слизи или расплывается вокруг него в воде.
Явление биолюминесценции широко распространено в природе, им обладают около 700 родов организмов. Светиться способны бактерии, одноклеточные эукариоты, грибы и подвижные многоклеточные животные различных типов – от кишечнополостных до рептилий. Большинство из светящихся организмов глубоководные.
Пресноводных организмов, способных к биолюминесценции очень мало.
Другой классический пример биолюминесценции — древесные гнилушки. Светится в них не само дерево, а мицелий обыкновенного опенка. А у высших грибов рода Mycena, тоже растущих на гниющем дереве, но в теплых краях вроде Бразилии и Японии, светятся плодовые тела — то, что обычно называют грибами (хотя плесневые, дрожжевые и прочие грибки — это тоже грибы, только низшие). Один из видов этого рода называется M. lux-coeli, «мицена — свет небесный».
Свечение моря (океана) — естественное явление биологического происхождения, возникающее, когда поверхностные слои моря или океана наполнены микроорганизмами, способными к биолюминесценции, в результате чего в ночное время суток складывается впечатление, что водоем светится изнутри.
Существует несколько разновидностей свечения. Искрящееся свечение излучает планктон размером до 5 мм, свечение вспышками — существа более 1 см. Живые организмы излучают свет обычно под влиянием внешних раздражителей — движения воды в морских течениях или зоне прибоя, возмущения от хода кораблей и тому подобное. Распространено также «разлитое», равномерное, «молочное» свечение, которое обусловлено жизнедеятельностью бактерий, способных к люминесценции, такое свечение не зависит от внешних раздражителей.
Свечение моря наблюдается повсеместно, иногда охватывает огромные пространства водной глади до сотен и тысяч квадратных километров. Свечения бывают в виде пятен, цепей, кластеров. Чаще всего наблюдается в Бискайском и Аденском заливах, у берегов Индии, Южной Африки, Чёрном и Охотском морях и в ряде других мест.
1.3 Природа свечения веществ в биологических объектах
Стоит отметить, что у многоклеточных животных обычно излучает свет не всё тело, а только специальные клетки (фотоциты), часто сгруппированные в особые органы свечения (фотофоры) различной степени сложности.
Биолюминесценция происходит за счет собственных белков или с помощью симбиотических бактерий.
В море светятся и бактерии, в основном родов Photobacterium и Vibrio, и многоклеточные планктонные организмы (на фото), но главный источник света – одни из наиболее крупных (до 3 мм!) и сложных одноклеточных - жгутиконосные водоросли ночесветки.
У бактерий люминофорные белки рассеяны по всей клетке, у одноклеточных эукариотических (имеющих клеточное ядро) организмов они находятся в окруженных мембраной пузырьках в цитоплазме. У многоклеточных животных свет обычно излучают специальные клетки — фотоциты, часто сгруппированные в особые органы — фотофоры. Фотоциты кишечнополостных и других примитивных животных, как и фотофоры, работающие за счет симбиотических фотобактерий, светятся непрерывно или в течение нескольких секунд после механического или химического раздражения. У животных с более-менее развитой нервной системой она управляет работой фотоцитов, включая и выключая их в ответ на внешние раздражители или при изменении внутренней среды организма. Кроме внутриклеточного, у глубоководных креветок, осьминогов, каракатиц и кальмаров встречается свечение секреторного типа: смесь продуктов секреции двух разных желез выбрасывается из мантии или из-под панциря и расплывается в воде как сияющее облако, ослепляя противника.
1.4 Влияние флюоресценции на жизнедеятельность организмов
Большинство способных к биолюминесценции организмов генерируют световые вспышки длительностью 0,1–1 с в ответ на внешние стимулы. Чаще всего такие вспышки отпугивают, дезориентируют или ослепляют потенциальных врагов. У некоторых организмов (колониальные оболочники рода Pyrosoma, эувфазиевые раки рода Meganyctiphanes и др.) вспышки биолюминесценции являются сигналом коллективной опасности для особей своего вида, у светляков – для привлечения особей другого пола. Длительность вспышек и интервалы между ними у самок некоторых светляков видоспецифичны, что позволяет им в местах, где обитает много других видов светляков, находить самцов своего вида. У многоклеточных животных световые вспышки контролируются нервной системой и обычно скоординированы с двигательными защитными реакциями. Сравнительно немногие организмы – бактерии, грибы, отдельные виды олигохет, многоножек, насекомых – светятся непрерывно. Такое свечение используется главным образом для привлечения других организмов. Так, хищные рыбы удильщики приманивают свою жертву к светящемуся кончику «удилища» – выступающего над нижней челюстью отростка. Личинки новозеландских комаров заманивают других, более мелких насекомых в подсвеченную телом ловчую сеть. Глубоководные рыбы Malacosteus niger освещают ближнее пространство красным светом, который не видят другие глубоководные животные; рыбы Leognathus подсвечивают брюшко для маскировки на светлом фоне водной поверхности и т. д.
Таким образом, можно сделать вывод, что биолюминесценция для организмов может быть полезна для достижения некоторых целей, например:
1) отпугивание врагов (медузы)
2) привлечение жертвы (ловчие щупальца сифонофоры)
3) привлечение особей противоположного пола (самки светляков)
4) маскировка организма путём свечения его брюшной плоскости, т. к. на светлом фоне поверхности воды организм становится трудно заметным
5) распространение и размножение организмов путём привлечения организмов - распространителей (опёнок).
1.5 Область применения данного явления в медицине и биотехнологии
Одной из первых бактериальных ламп – колбой с культурой светящихся бактерий – еще сто с лишним лет назад развлекал любомудров голландский ботаник и микробиолог Мартин Бейеринк. В 1935 году такими лампами даже осветили большой зал Парижского океанологического института, а во время войны советский микробиолог А.А. Егорова использовала светящиеся бактерии в прозаических целях – для освещения лаборатории. И вы можете поставить похожий эксперимент: положите сырую рыбу или мясо в теплое место, подождите неделю-другую, а потом ночью подойдите (с наветренной стороны!) и посмотрите, что получилось – вполне вероятно, что заселившие питательную среду бактерии будут светиться потусторонним светом.
К растительным настольным лампам, к деревьям-фонарям и лесам, полным живой биолюминесценции, ведет несколько путей. И мы уже начали движение по ним: свет виден не так далеко за горизонтом. Прежде всего, это красиво. Наконец, это удобно: растения самостоятельно производят энергию, прекрасно адаптированы к уличным условиям и сами восстанавливаются при повреждениях.
Недаром стартап Glowing Plant, который несколько лет назад искал 65 тыс. долларов на создание биолюминесцентных растений, стремительно набрал почти полмиллиона. Задача понемногу решается: ген люциферазы светлячков был внесен в растения табака еще в 1980-х. А в 2010 году биологам из Кембриджа удалось использовать весь «светоносный комплекс» светлячка, получив стабильно светящиеся ГМ-бактерии. Повторить работу для растений — для невзрачной на вид, но прекрасно изученной генетиками резуховидки Таля — и собирался Энтони Эванс. Уверенности стартапу придавала и другая работа 2010 года. В ней Александр Кричевский описал получение ГМ-растений табака, хлоропласты которых содержат шесть генов «светящегося» lux-оперона фотобактерий. Кричевский основал собственную компанию, которая торгует побегами биолюминесцентной линии с названием, отсылающим к деревьям из «Аватара» — Starlight Avatar Celestine. Это единственное светящееся растение, которое можно купить сегодня, хотя оно не отличается ни яркостью, ни даже жизнестойкостью. Обещается, что растения проживут 2−3 месяца и «будут различимо светиться в темноте в течение всего этого срока».
Другой подход удалось нащупать в том же 2010 году. Тогда Су Яньсюнь и его коллеги из исследовательского центра RCAS на Тайване искали подходы к усовершенствованию светодиодов и изучали поведение золотых наночастиц в форме сфер с длинными иглами — что-то вроде морских ежей диаметром от 11 до 80 нм. Доставить наночастицы в растение проще, чем гены: тайваньские физики просто поместили водоросль в раствор на несколько дней. Оказавшись в клетке, золотые «ежи» улавливали ультрафиолетовые фотоны и переизлучали их, заставляя хлорофилл испускать слабое красное свечение. Идею подхватили по другую сторону океана, в лаборатории Майкла Страно, найдя новый и, возможно, самый многообещающий путь к получению биолюминесцентных растений.
Самое яркое применение биолюминесценции – создание трансгенных растений и животных. (Смотрите в приложении.) Первую мышь с геном GFP, внедренным в хромосомы, создали в 1998 году. Светящиеся белки нужны для отработки методик внедрения чужих генов в хромосомы самых разных организмов: светится – значит, метод работает, можно использовать его для введения в геном целевого гена. Первые светящиеся рыбки – трансгенные данио (Brachydanio rerio) и японская рисовая рыбка медака (Orizias latipes) – появились в продаже в 2003 году.
В Российском институте «Сколково» был получен светящийся табак (смотрите в приложении). В новой работе авторы продемонстрировали, что люминесценция грибов может быть эффективно перенесена в растения. Это позволило им создать светящиеся растения, которые, как минимум, в десять раз ярче по сравнению с предыдущими работами. Зеленое свечение исходит от листьев, стеблей, корней и цветов, его видно невооруженным глазом, и можно заснять на обычные фотоаппараты и даже смартфоны. Что немаловажно, устойчивое свечение не мешает растениям нормально расти и развиваться.
В будущем можно ожидать создание еще более ярких растений, в том числе растений с новыми свойствами, такими как изменение яркости или цвета свечения в ответ на людей и окружение. Ученые считают, что благодаря этой живой ауре из света мы можем достичь новых отношений с нашими комнатными растениями, которые бы понравились создателям фильма «Аватар».
1.6 Применение люминесценции
В медицинских и биологических исследованиях явление люминесценции и люминесцентный анализ играет существенную роль.
Явление люминесценция широко применяется для диагностики кожных заболеваний, в частности, грибка и лишаев, так как они обладают характерным свечением.
В онкологии – для обнаружения границ роста злокачественной опухоли во время оперативных вмешательств и диагностики, так как клетки опухоли накапливают вещества, дающие излучение при возбуждении в УФ области спектра.
В микробиологии – для обнаружения бактерий туберкулеза, также применяется в вирусологии.
В биохимических исследованиях – для определения содержания витаминов в биологических объектах.
В клинике глазных болезней – для обнаружения язв и прочих заболеваний роговицы.
В клинике внутренних болезней – для определения скорости кровотока.
В судебной медицине и токсикологии – для обнаружения следов токсичных веществ, наркотических веществ (атропин люминесцирует синим светом, стрихнин – зеленым и т.д.), биологических жидкостей, анализа крови и т.д.
В фармацевтическом анализе:
Для анализа лекарственных веществ и их изменений при порче и длительности хранения; для установления подлинности лекарственных веществ; для обнаружения и исследования алкалоидов: морфина, кокаина и др., обладающих люминесцентными свойствами.
В повседневной жизни: для разметки на асфальте; нанесения на дорожные знаки и указатели; обозначения дорожных конструкций; для создания спасательных устройств; для декорирования; в дизайне ландшафта; в гриме; для росписи по телу; для пошива театральных костюмов и создании декораций и световых эффектов; при пошиве специальной, подростковой и молодежной одежды; во флористике; в рекламе; для тюнинга авто- и мототехники, велосипедов.
1.7 Мифы о люминесцирующих предметах:
Миф 1. Люминесцирующие предметы опасны.
Действительно, первые светящиеся в темноте краски были сделаны на основе солей радиоактивного радия или фосфора, которые, как известно, очень опасны для здоровья.
Сегодня же современные краски делают на основе люминофоров, они имеют сертификаты безопасности, положительные заключения СЭС и тому подобное. Они абсолютно безопасны для людей, животных и растений!
Миф 2. Люминесцирующие предметы сложно заряжать.
На самом деле, люминофоры — своеобразные "ловушки" для света. Никакого дополнительного оборудования для их зарядки не надо. Люминофоры впитывают любой свет, а с наступлением темноты начинают его отдавать. Достаточно положить предмет, покрашенный люминесцентной краской, на подоконник или пройтись с ним по улице — и минут через 20-40 люминофоры полностью зарядятся. Заряженные люминофоры могут светиться до 12 часов (первые 40 минут максимально ярко, затем свечение постепенно угасает).
Миф 3. Люминесцирующие предметы — детское развлечение, и сфера их применения очень мала.
Без сомнения, детям очень нравятся светящиеся предметы. Но не только ими ограничивается сфера применения люминесцентных продуктов. Как уже было выяснено ранее, люминесценция широко применяется для изготовления ламп, электронно-лучевых приборов, рентгеновских экранов, в производстве светящихся красок и материалов, а также применяется для анализа в криминалистике, медицине и химии, и просто в повседневной жизни.
2. Практическая часть.
2.1 Социологический опрос:
В ходе исследования был проведен социологический опрос на тему:
«ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ И ЕЕ ПРОЯВЛЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ И БЕЗОПАСНОСТЬ В ПОВСЕДНЕВНОЙ ЖИЗНИ» среди учащихся 9 – 11-х классов.
Респонденты отвечали на такие вопросы, как:
1) Знаете ли вы, что такое люминесценция?
2) Приведите примеры предметов, существ, у которых наблюдается явление люминесценции.
3) Как вы считаете, данное явление опасно для живых организмов?
Далее было небольшое объяснение, повествующее учащимся о явлении – люминесценция и ее применении в повседневной жизни. После объяснения был задан заключительный вопрос:
4) Для чего нужна люминесценция, как и где она может встречаться и применяться в повседневной жизни.
Всего было опрошено 132 человека, после подсчета результатов, мы выяснили, что большинство респодентов не имеют понятия, что такое люминесценция, не знают способов ее применения и не четко представляют себе её проявление в повседневной жизни, а также насколько данное явление опасно или безопасно.
2.2 Люминесцентный анализ веществ:
Мне стало интересно, обладают ли вещи, используемые нами в жизни, а также продукты питания способностью к люминесценции? Чтобы выяснить это, мы решили осуществить люминесцентный анализ веществ. Для анализа мы взяли прибор УФО – 1 (ультрафиолетовый облучатель).
Наблюдали следующие результаты:
• Соль для ванн (содержала хвойный концентрат и оранжевый краситель) – под ультрафиолетом имела свечение глубокого оранжевого цвета.
• Мука – под ультрафиолетом имела яркое свечение светло-голубого цвета.
• Молоко – под ультрафиолетом имело свечение яркого голубого цвета.
• Мясо – белая прожилка, имевшаяся на кусочке мяса, под ультрафиолетом имела тусклое голубое свечение, а само мясо излучало слабое желто- оранжевое свечение внутри своей мякоти.
• Масло сливочное, лежавшее на солнце в течение 4-х дней –под ультрафиолетом имело ярко-голубое свечение.
• Масло сливочное свежее – под ультрафиолетом имело свечение яркого зелёно-голубого цвета.
• Лак для ногтей (в составе которого имелись вещества, обладающие способностью к флуоресценции) – под ультрафиолетом имел свечение яркого зелёного цвета.
• Духи (в составе имелись вещества, обладающие способностью к флуоресценции) – под ультрафиолетом имели свечение глубокого светло- зелёного цвета.
• Резинки для волос и школьные принадлежности (в составе имелись вещества, обладающие способностью к флуоресценции) – под ультрафиолетом имели яркое неоновое свечение в соответствии со своим цветом.
Продукты, которые не имели свечения: вареный белок яйца; вареный желток яйца; картофель вареный; лак для ногтей обычный.
На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что в продуктах, которые не имели свечения, произошла денатурация белка, то есть произошло разрушение пептидных водородных связей между аминокислотами, либо же не имелось веществ, способных к люминесценции (лак для ногтей обычный).
2.3 Практическое создание люминофора в лабораторных условиях.
Для того, чтобы создать люминофор в лабораторных условиях требуются следующие вещества: борная кислота, хвойный концентрат (масло хвои), вода.
В аптеке я купила именно "хвойный концентрат" (а не "хвойный экстракт"), потому что там есть яркий желтый краситель тартразин (Е102).
Налив в чашечку, закрепленную держателем, разбавленный хвойный концентрат, зажгла спиртовую горелку, и поднесла на огонь чашку с разбавленным хвойным концентратом. Дождавшись кипения раствора, насыпала борную кислоту и помешивала. Этот процесс повторяла несколько раз до загустения раствора. После того, как раствор достаточно загустел, я капнула в него 8 капель хвойного концентрата в виде масла хвои и снова помешивала. Подержав еще немного на огне, загустевший раствор, я помешивала его до полного загустения и становления веществом. Подождав немного времени для того, чтобы дать веществу остыть и подсохнуть, я отправилась в темное помещение. Там, в темноте, мне нужно было воссоздать фактор под названием «энергия возбуждения», после поглощения которой вещество должно было бы «показать» свое свечение, подтверждающее, что это вещество – люминофор. За энергию возбуждения я взяла фотовспышку длиной в 3 секунды. Темнота, внезапная фотовспышка и снова темнота. Но что это? Какое-то свечение… Это люминофор! Вещество, поглощающее энергию возбуждения и производящее в себе нетепловое свечение. Да, теперь с точностью можно сказать, что я сделала люминофор, потому что он, поглотив свет от фотовспышки, воспроизвел свечение в полной темноте.
Проведя этот опыт, я добилась цели создания люминофора в лабораторных условиях на основе борной кислоты с хвойным концентратом.
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе своего исследования я ответила на все поставленные мною вопросы, описала механизм биолюминесценции, привела конкретные примеры организмов, использующих данное явление, а также перечислила цели, которые преследуют биолюминесцирующие организмы, используя свет: отпугивание врагов (медузы); привлечение жертвы (ловчие щупальца сифонофоры); привлечение особей противоположного пола (самки светляков); маскировка организма путём свечения его брюшной плоскости, т. к. на светлом фоне поверхности воды организм становится трудно заметным; распространение и размножение организмов путём привлечения организмов - распространителей (опёнок).
На сегодняшний день природная биолюминесценция изучена не в полной мере. Однако, найдены некоторые специфические области применения данного явления в медицинских и фармацевтических исследованиях, в генной инженерии.
Самое яркое применение биолюминесценции – создание трансгенных растений и животных. Растения, содержащие грибную ДНК, светятся непрерывно на протяжении всего жизненного цикла, с момента прорастания до цветения. Это может быть использовано и в эстетических целях, например, в создании светящихся цветов, деревьев и других декоративных растений.
Наоснованиипроведенногоанализаможносделатьвывод,что люминесценция – очень интересное и важное явление в жизни человека, не изученное до конца учеными. Люминесценцияуспешноприменяетсявразличныхсферахчеловеческойжизни.
Ачтобынашажизньсталанемногоярче,люминофорвозможнополучить не только в лабораторных условиях, но и в домашних, потому что это совершенно безопасно!
Продуктами проекта стала разработанная мною информационная брошюра, которая может использоваться на уроках физики, химии и биологии в качестве дополнительного материала (Приложение 1), рецепт создания люминофора (Приложение 2).
4. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ
Список литературы:
1. Анктил, Мишель. Светящиеся существа: История и наука о производстве света в живых организмах. Монреаль и Кингстон, Лондон, Чикаго: Издательство McGill-Queen's University Press. (2018).
2. «Физика и химия биолюминесценции», ред. О. Шимомура и И.И. Гительзон, 2-е издание, Красноярск, Сиб. федер. ун-т, 2015. – 268 с.
3. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ: метод. указания к лаб. работам / В. А. Горюнов, В. Я. Гришаев, Е. В. Никишин. — Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2012. – 48 с.
Список Интернет-источников:
1. https://derevynidom.ru/drugoe/svetjashhiesja-rastenija-v-prirode-2.html
2. Журнал наука и жизнь https://www.nkj.ru/news/38655/
3. Журнал/Растения-светильники https://travelask.ru/blog/posts/34276-rasteniya-svetilniki-uchenye-pridumali-sposob-zaryazhat-pred.
4. Вунивере.ру https://vunivere.ru/work51844
5. Корпоративный портал Томский политех https://portal.tpu.ru/SHARED/a/AMELINA/rabota/Tab/Lum..
5. ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
ИНФОРМАЦИОННАЯ БРОШЮРА
«БИОЛЮМИНИСЦЕНЦИЯ. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ»
Приложение 2
РЕЦЕПТ создания люминофора
Ингредиенты:
- хвойный концентрат;
- борная кислота;
- дистиллированная вода.
Способ приготовления:
Хвойный концентрат – 10 мл. смешать с дистиллированной водой – 10 мл, для получения водного раствора хвойного тартразина.
Добавить борную кислоту – 8-10 гр. Перемешать. Добавить хвойный концентрат – 0,5 мл (8 капель). Перемешать. Кипятить. Образующиеся пузыри проткнуть чем-нибудь острым, чтобы обеспечить хороший прогрев всей смеси.
Охладить в естественных условиях.
Получится однородное желтое вещество.
Это люминофор! Подействуйте на него фотовспышкой.