XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Свечение в природе
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Мне стало интересно, почему одни организмы могут светиться? Что помогает им светиться? Химическая реакция оптический эффект или же это волшебство? В некоторых морях есть водоросли, которые светятся ночью. В нашем Черном море тоже можно наблюдать явление свечения. Это светятся одноклеточные животные – ночесветки (ноктилуки). Эта тема заинтересовала меня.
Цель: изучение процесса свечения в живой природе, получение люминофора.
Задачи:
изучить литературу;
наблюдать процесс свечения вокруг нас;
сделать люминофор;
научиться делать светящуюся ванну;
получить хлорофилл, посмотреть, как он светится.
наблюдать свечение Луны и звезд;
сделать выводы по теме.
Гипотеза: предположим, что нам удастся найти светящиеся организмы в мире растений и в мире животных.
Обзор литературных источников.
Биолюминисценция.
Биолюминесце́нция — способность живых организмов светиться. Виды, которые обладают способностью производить свет, известны как биолюминесцентные. Название происходит от др.-греч. βίος, «жизнь» и лат. Lumen — «свет». Свет создаётся у более высокоразвитых организмов в специальных светящихся органах (например, в фотофорах рыб), у одноклеточных — в особых органоидах, а у бактерий — в цитоплазме. Биолюминесценция основывается на химических процессах, при которых освобождающаяся энергия выделяется в форме света. Животные светятся, потому что они производят светоизлучающее соединение, называемое люциферин.
Свечение живых организмов отмечалось ещё античными авторами — Плиний Старший в своей «Естественной истории» упоминал свечение морских организмов. Многие авторы описывали свечение моря. Пионером в исследовании механизмов биолюминесценции стал Рафаэль Дюбуа, поставивший эксперимент (1887г.) с экстрактами из светлячков Pyrophorus — он обнаружил, что экстракт тканей фотофоров светляков, светится в течение нескольких минут. В 1957г. был выделен и охарактеризован люциферин светляков.
В конце 1950-х — начале 1960-х г. Осаму Симомура в университете Нагоя исследовал механизм свечения остракод Cypridina hilgendorfii, которые использовались во время Второй Мировой Войны японцами как природный люминофор: высушенные рачки при смачивании снова начинали светиться. Ему удалось выделить из них в чистом кристаллическом состоянии новый люциферин, отличающийся от люциферина светляков.
Биолюминесценция выполняет следующие биологические функции:
привлечение добычи или партнёров
коммуникация
предупреждение или угроза
отпугивание или отвлечение хищников
маскировка на фоне естественных источников света
Во многих случаях функция биолюминесценции в жизни отдельных светящихся организмов выяснена не до конца, либо вообще не изучена.[1]
Светящиеся глубоководные животные.
Очень многие организмы растительного и животного мира способны излучать свет. На данный момент таких животных насчитывается порядка 800 видов, часть которых относится к глубоководным обитателям. Это одноклеточные (ночесветки), кишечнополостные (морские перья, гидроиды, медузы, сифонофоры), гребневики, различные ракообразные, моллюски (особенно глубоководные кальмары), черви и иглокожие. Большинство биолюминесцентных видов-морские животные.
Гребневики - живые радуги
Это волшебно красивые создания. Они заполняют воды Черного моря, начиная с апреля – прозрачные, невесомые, в солнечную погоду переливающиеся всеми цветами радуги. Не медузы, даже не их родственники, они не похожи ни на кого. Отдельный тип животного царства – гребневики!
Гребневики завораживают. Гребные пластинки гребневика представляют собой не что иное, как склеенные рядами, бок о бок, микроскопические реснички – такие же, как у инфузорий; этот тип движения выдает в них очень примитивных животных. Из органов чувств у них есть лишь орган равновесия, типа статоциста, – на макушке. Есть гребневики с щупальцами-арканами, которые они выбрасывают в воду, чтобы к ним приклеилось как можно больше мелкого планктона, которым они питаются. Такова давно живущая в Черном море маленькая плевробрахия и появившийся здесь 20 лет назад крупный мнемиопсис.
А есть гребневики без щупалец, хищники, поедающие других гребневиков – только гребневиков и больше – никого; это плавающие желудки, одна сторона тела которых – рот, раскрывающийся, чтобы проглотить жертву. В Черном море с середины 1990-х годов есть один такой гребневик –берое. Днем – они сверкают, как подводные радуги, а ночью – светятся! Это самые крупные светящиеся животные Черного моря.[2]
Рыба-удильщик
Обычно наблюдается на глубине 2000 м в океане. Он также известен как горбатый черный дьявол или рыболов Джонсона. Чтобы привлечь свою добычу, они «включают» свою странную антенну, известную как приманка, расположенную на макушке головы. Приманку также можно перемещать только для привлечения добычи, а также ее можно раздуть с помощью большой пасти. Молния в приманке происходит от небольших бактерий, называемых фитопланктоном. Удильщиков можно увидеть в Тихом, Атлантическом и Индийском океанах. Самки удильщиков намного крупнее самцов. Она может расти до 1,2 метра в длину, в то время как самцы могут вырасти только до 4 см. Рыба-удильщик часто живет группами, однако взрослые живут уединенно. Крупные рыбы и люди являются естественными врагами рыб-удильщиков. Самка обычно производит от 100 до 1000 яиц в сезон, и они откладывают яйца аккуратными рядами. Оба родителя охраняют яйца и защищают свое потомство. Средняя продолжительность жизни вида составляет примерно 10-15 лет в неволе. [3]
Хрустальная медуза
Crystal Jelly имеет небольшое тело в форме зонтика. Это одно из самых красивых биолюминесцентных животных, которые светятся сине-зеленоватым цветом. Медуза любит поесть копеподов, гребневиков, медуз и других морских обитателей. У нее есть биолюминесцентные щупальца, которые светятся. Хрустальная медуза очень хорошо контролирует движение своего тела и использует свою энергию для управления своими движениями, если есть риск нападения хищника или если есть недостаток пищи.
Они используют свои липкие щупальца, чтобы впрыскивать яд в жертву и могут есть животных в два раза больше их. Crystal Jelly — почти полностью прозрачное животное. Оно растет зеленовато-голубым и вырастает до 25см в диаметре. Они умеют расширять свой рот, чтобы съесть добычу до половины своего размера. Ученые и исследователи были награждены Нобелевской премией в 2008 году за открытие и развитие белка, найденного в кристаллических желе. [3]
Коронная медуза
Она также известна как медуза Атолла. Ее можно увидеть почти во всех океанах мира. Медуза Atolla темно-красного цвета, имеет 20 маргинальных щупалец на теле и одно большое гипертрофированное щупальце по сравнению с маргинальными, используемыми для захвата добычи. Atolla медуза при нападении запускает серию вспышек, которые привлекают хищников. Эти виды размножаются двумя способами. Они могут размножаться бесполым путем, как и многие другие виды медуз. Также они прикрепляются друг к другу, хватаясь гипертрофированным щупальцем, а затем подтягивая себя к партнеру. [3]
Улитка
Это небольшая улитка родом из океанов Австралии. Всякий раз, когда ее беспокоят, она производит свет в виде мигания или вспышки. Это поможет улитке отвлечь хищников. Улитка включает и выключает свет всякий раз, когда чувствует себя запуганной хищниками. Это происходит благодаря химическому веществу, которое выделяет улитка и особым бактериям. Биолюминесценция является распространенным явлением у мелких глубоководных видов. Этот слизень производит свет, когда по нему стучат или около животных, которые могут его съесть, даже когда он прячется в своей раковине. [3]
Лунная медуза
Лунные Медузы один из красивых видов медуз, которая обычно встречается в теплых и тропических водах у морского побережья. Однако они обитают во всех океанах мира. Их еще называют «фиолетовая лунная Медуза». Лунная Медуза состоит на 95% из воды. Она также одно из bioluminescent животных, которые производят свет с помощью некоторой химической реакцией внутри их тела.
Эти химикаты известны как люциферин и люцифераза. Когда люциферин срабатывает, он окисляется люциферазой и, следовательно, заставляет медуз светиться в темных местах. Лунные медузы любят есть планктон, рыбные яйца и маленькие креветки. Он был открыт Карлом Линнеем в 1785 году. В дикой природе средняя продолжительность жизни составляет около полугода. [3]
Черная рыба-Дракон (Dragonfish)
Черная рыба-дракон обычно встречается в глубоководных океанических водах и живет в абсолютной темноте. Dragonfish использует свечение, чтобы привлечь свою добычу, и когда она приближается к их клыкастым зубам, она нападает, мгновенно убивая добычу. Фотофоры, расположенные в задней части глаза, будут действовать как фара для ловли своей добычи. Это одно из страшных глубоководных существ.
Черная рыба-Дракон в основном встречается в Тихом, Атлантическом и Индийском океанах. Она способна проглотить все, что помещается в ее большой рот. Есть только несколько рыб-драконов, которые приближаются к поверхности воды для охоты. Длина дракона рыбы от 2 до 50 см, со средним размером 15 см. [3]
Мотиксиа (Motyxia)
Motyxia-единственная известная биолюминесцентная многоножка, которая в основном встречается в небольших районах горного хребта Невада в Калифорнии. Motyxia является одним из животных, которые производят яд цианид. Из всех видов Motyxia, motyxia sequoiae светится ярче всего. Motyxia испускает сине-зеленый свет и может достигнуть до 3 до 4 см. Свечение Motyxia является предупреждающим сигналом для всех ночных хищников. [3]
Батоцира Фостери Bathocyroe Fosteri
Bathocyroe Fosteri – это медуза, обычно встречающаяся в глубоководных водах по всему миру. Однако они в изобилии встречаются вблизи Срединно-Атлантического хребта. Она может достигать до 2 сантиметров в длину. Это одно из биолюминесцентных животных, названное в честь пилота Дадли Фостера. Именно он собрал первый экземпляр Батоциро Фостери.
Всякий раз, когда ее беспокоят, она имеет возможность производить свет через свои ткани, производя правильные химические вещества, которые будут излучать фонарики из своих хроматофоров. Это, безусловно, уменьшит вероятность нападения хищников и послужит адаптацией для Батоцира. [3]
Томоптерис
Это одно из биолюминесцентных животных, которые являются желто-люминесцентными. Только несколько известных морских животных светятся желтым. Их светящийся механизм не ясен, но ясно одно: он не светится с помощью светоизлучающего соединения, известного как люциферин. Известно, что Томоптерис высвобождает биолюминесцентные частицы из двух разных органов. Считается, что черви делают это, чтобы отвлечь хищников. [3]
1.3.Рыбки неоны, рыбки гурами.
Рыбки неоны сами по себе не светятся, они просто своей кожей в состоянии отражать даже незначительные лучи света, отчего и появляется эффект «свечения».
Все дело в особых клетках, которые расположены в самой коже, которые вырабатывают пигмент. Эти клетки называются хроматофорами или по-другому цветоносителями. Пигмент бывает нескольких цветов, от чего и имеются различные виды этих рыб. Например, красный, черный, серебристо-белый. Учитывая, что чешуя у неонов прозрачная, то свет без затруднений сразу попадает на кожу, чем и вызывается её «переливание» и свечение». [4]
Свечение эписции.
Растительные пигменты — это крупные органические молекулы, имеющие группировки, ответственные за поглощение света. Так, «металлический» цвет листьев некоторых растений объясняется преломлением света и рассеянием его с поверхности особых «оптических» чешуек или клеток. У эписции медной сильно опушенные листья, середина которых отливает перламутром от голубоватого до медного цвета. Особенность листьев эписции в том, что под прозрачным эпидермисом находятся клетки, отражающие свет в направлении падения лучей на предмет. Это вызывает эффект, напоминающий свечение дорожного знака в темноте при освещении его фарами.[5]
Свечение звезд и луны.
Многие задаются вопросом: почему с наступлением темноты Луна начинает светиться? Благодаря ученым, есть ответ на этот вопрос. Возможно, для кого-то это станет разочарованием, но Луна не светится, а лишь отражает свет от главной звезды во вселенной – Солнца. Рассмотрим подробнее тему свечения, разобрав процесс и уделив внимание нескольким интересным фактам. Причины свечения Луны, как было сказано, спутник не является источником света, а лишь отражает его. Но как каменистое небесное тело без атмосферы может делать это? Ответ прост – оказывается, лунная почва на 50% состоит из стеклянных фракций. Среди камней можно встретить много стеклянных шаров, некоторые из которых имеют абсолютно круглую поверхность. Именно поэтому Луна работает в качестве отражателя.[6]
Светлячки.
Светлячки светятся, чтобы привлечь партнера и добычу. Существует около 2000 видов светлячков, но только некоторые из них имеют способность освещать свое тело. Светлячки-один из немногих наземных видов, способных производить свет. Вид может достигать до 0,5-2,5 см в длину. Говоря о внешнем виде, у них черное тело, покрытое желтыми или оранжевыми отметинами. Кроме того, у них есть пара кожистых передних крыльев, известных как надкрылья, которые покрывают перепончатые крылья, однако некоторые из самок светлячков бескрылые. Иногда, когда они собираются в группы, они производят свет одновременно. [3]
Методика работы.
Исследования мы проводили в 2021 году. Изучая литературу, выбирали материал о светящихся организмах. Наблюдали светящиеся объекты в природе. Делали светящуюся жидкость, одежду с подсветкой, получали люминофор, проверяли его свойства. Получали хлорофилл и проверяли его флуоресцентные свойства.
Методы исследования: изучение литературы, наблюдение, проведение опытов и экспериментов, анализ результатов.
III.Результаты исследований.
3.1. Наблюдаем за свечением в живой природе.
Мы отправились на поиск светящихся природных объектов - биолюминесценции. В аквариуме наблюдали за рыбками гурами. Своим свечением рыбки обязаны специальным клеткам, которые отражают солнечные лучи и светятся. В июне мы наблюдали за свечением светлячков. Свечение у светлячков происходит благодаря взаимодействию различных веществ. Свечения Черного моря, к сожалению, мы не увидели. Рассмотрели эписцию - пример свечения у растений, как и у рыбок гурами, свечение вызывают особые клетки, отражающие солнечные лучи. Наблюдали за свечением луны. Луна, подобно зеркалу отражает солнечный свет. Наблюдали за гребневиками – живыми радугами. Светятся гребневики, благодаря специальным светящимся клеткам (фотоцитам).
3.2.Светящаяся жидкость своими руками.
Люминол является основным элементом для создания светящейся жидкости. Вещество, попадая в нейтральную или подкисленную среду, активирует свои свойства и начинает светиться светло-голубым цветом. Для этого необходимо запастись газированной водой, перекисью водорода, солью, уксусом и не забывать о мерах предосторожности. Взяли емкость с заранее налитой туда газировкой, а затем добавьте в нее соль в объеме не больше чайной ложки. Следующим пунктом идет уксус. Добавить в жидкость не больше трех колпачков. Залили в емкость финальный компонент, перекись водорода. Объем вещества не должен превышать трех чайных ложек. Обратите внимание на состояние полученной жидкости. Если компоненты были добавлены в правильной последовательности и верном объеме, она должна начать шипеть. Хорошо закройте емкость крышкой и, держа ее в руках, перемешайте. Делать это нужно с особой тщательностью, поэтому шаг может занять до пятнадцати минут. Из емкости налейте полученную жидкость в стакан или банку, чтобы увидеть ее свечение.
3.3.Светящаяся вода на основе витамина B
Это самый безвредный рецепт флуоресцентной жидкости, который больше пригодится для наполнения больших емкостей. Наполнили чашечку водой,100 мл. Добавили в воду 4мл. витамина В, приобретенного в аптеке. Чашку с раствором поместили в черный бокс и подсветили флуоресцентной лампой, чтобы проявить свойства витамина. [7]
3.4.Одежда с подсветкой
В стакан с водопроводной водой насыпали обычную соду в объеме 1 чайной ложки. Налили в жидкость два колпачка перекиси водорода. Хорошо перемешали полученный раствор. Опустили в емкость с жидкостью шерстяную нитки и оставили пропитываться ею на пять минут. Вытащили нитки из раствора и высушили. Поместили нитки в черный бокс и подсветили флуоресцентной лампой. Наблюдали свечение.
3.5.Получаем люминофор
Нам понадобились: жаропрочная посуда, хвойный экстракт, борная кислота. Хвойный экстракт мы получили из хвои кедра гималайского. Измельчили хвою в емкости, залили спиртом. Спирт окрасился в ярко-зеленый цвет. Разбавили экстракт водой в соотношении 1:50. В жаропрочную емкость насыпаем 3г. борной кислоты, капаем 10 капель хвойного раствора, начинаем выпаривать. Жидкость должна испариться. Застывшая корочка-это и есть люминофор. Наш люминофор стал светиться.
3.6. Хлорофилл и его свойства.
Зеленые стебли, позеленевшие на свету клубни картофеля, зеленые плоды и, разумеется, зеленые листья своим цветом обязаны пигменту хлорофиллу (от греч. «хлорос» — зеленоватый, «филлон» — лист).
Для опыта взяли листья герани, 95-процентный этиловый спирт, бензин, блендер, пробирку, воронку, ножницы, фильтровальную бумагу. Получили вытяжку пигментов. К измельченным листьям добавили этиловый спирт, взболтали, дали отстояться. Отфильтровали. Получили жидкость ярко-зеленого цвета. Обернули пробирку черной бумагой, подсветили снизу фонариком, жидкость стала светиться. Хлорофилл обладает свойствами флуоресценции.[8]
Выводы.
Изучив литературные источники и проведя исследования по данной теме, готовы сделать следующие выводы:
-окружающий мир богат и разнообразен, мы смогли наблюдать за процессом свечения в природе: увидели гребневиков – живых радуг, в июне ночью наблюдали за светлячками, любовались за свечением рыбок гурами в аквариуме, познакомились с эписцией – светящимся растением. Наблюдали за луной и звездами. Природа свечения объектов различная: у одних – процесс происходит благодаря светоотражающим клеточкам; у других – свечение - это химический процесс.
В результате опытов и экспериментов мы смогли сделать светящуюся жидкость и одежду с подсветкой, получили хлорофилл и наблюдали за его свечением (флуоресценцией). Люминофор мы получили и он засветился.
Наша гипотеза подтвердилась, нам удалось найти светящиеся организмы в мире животных и в мире растений.
Литература
1.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D1%8E%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B5%D1%81%D1%86%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D1%8F
2. Вершинин А.О. Живое Черное море.- ООО Издательство «Кочег». Москва, 2016.
3. https://www.facts-worldwide.info/10-udivitelnyh-bioljuminescentnyh-zhivotnyh/
5. Батурицкая Н.В., Фенчук Т.Д. «Удивительные опыты с растениями»: Кн.для учащихся. – Мн.:Нар. Асвета,1991. -208с.:ил.
6. Причины свечения Луны Источник: https://kipmu.ru/pochemu-svetit-luna/
7. https://himya.ru/svetyashhayasya-zhidkost-svoimi-rukami.html
8. Батурицкая Н.В., Фенчук Т.Д. «Удивительные опыты с растениями»: Кн.для учащихся. – Мн.:Нар. Асвета,1991. -208с.:ил.
Приложение
|
Светлячок |
Гребневик |
Эписция |
|
Свечение моря |
Гурами |
|
|
Светящаяся жидкость, одежда с подсветкой |
||
|
Светящаяся жидкость с витамином В |
||
|
Хлорофилл, свечение хлорофилла |
||
|
Люминофор |
||