Super wydajne światło świetlika

Dlaczego świetliki (robaczki świętojańskie) świecą?

Przeglądasz rachunki za prąd i łapiesz się za głowę. Kolejny raz zastanawiasz się, czy nie ma jakiegokolwiek sposobu na obniżenie wydatków za prąd (światło). A gdyby się okazało, że istnieją rozwiązania wydajniejsze od zwykłej żarówki a nawet od tej energooszczędnej?

Przyjrzyjmy się małemu świetlikowi a przekonamy się, że w naturze naprawdę nic się nie marnuje.

Portret świetlika

Świetlikowate to rodzina chrząszczy wyróżniająca się wśród innych owadów zdolnością do bioluminescencji. W Polsce żyją tylko trzy gatunki świetlika, spośród których najbardziej znany jest świetlik świętojański (Lampyris noctiluca). Żyje zazwyczaj w lasach i na łąkach, najczęściej w pobliżu wody, ale można go spotkać także w parkach lub dużych ogrodach. Dwa pozostałe, to iskrzyk (Phausis splendidula syn. Lamprohiza splendidula) oraz świeciuch (Phosphaenus hemipterus).

Dorosłe świetliki nie mają więcej niż 2 cm długości. Samce potrafią latać, ale samice nie są uskrzydlone. Oboje mają jednak zdolność świecenia, podobnie jak ich larwy.

Narząd odpowiedzialny za emitowanie światła znajduje się na odwłoku świetlika i ma różne kształty, od całego segmentu ciała do małej plamki na jego końcu. Światło służy do komunikacji i łącznia się w pary, wabi również potencjalne ofiary, gdyż owady te są drapieżnikami.

Zimne, wydajne światło dzięki pigmentom i enzymom

Jak świetliki i robaczki świętojańskie wytwarzają światło?

Te niezwykłe właściwości świetlika możliwe są dzięki reakcji chemicznej, jaka zachodzi w jego organizmie. W komórkach zwanych fotocytami znajduje się pigment o nazwie lucyferyna. Poprzez narząd oddechowy świetlika doprowadzany jest do niego tlen, który dzięki enzymowi lucyferazie zostaje utleniony, w wyniku czego powstaje światło. Dodatkowo, kryształki kwasu moczowego również obecne w komórkach odbijają to światło, czyniąc je intensywniejszym.

Co ciekawe, barwa światła świetlika jest zimna (o odcieniu zielonym), a to znaczy, że nie emituje ciepła. Gdyby było odwrotnie, chrząszcz uległby poparzeniu. Jest też całkowicie pozbawiona promieni ultrafioletowych i podczerwonych. To wszystko sprawia, że owad nie marnuje niepotrzebnej energii na „produkty uboczne” – jego światło jest wydajne prawie w 100%!

Jasne światło z karbowanej latarni

Światło świetlików jest wydajne jeszcze z innego powodu. Naukowcy zaobserwowali, że jeden z gatunków tych owadów (Photuris) ma narząd świetlny o nierównej powierzchni. Narząd ten, nazywany latarnią pokrywają maleńkie łuski, które nie leżą płasko na sobie, ale minimalnie odstają na szczytowych krawędziach. Ten karbowany naskórek latarni sprawia, że światło świetlików jest o prawie 50% mocniejsze, niż gdyby latarnia miała całkiem płaską powierzchnię!

Czy proces zachodzący w komórkach świetlika i niezwykłą budowę jego narządu świetlnego da się odtworzyć tak, by przyniosły one pożytek ludziom?

Świecące rośliny

Naukowcy zastanawiali się nad kwestią odtworzenia reakcji chemicznych zachodzących u świetlików i postanowili wykorzystać do tego celu… rośliny.

Początkowo próbowano zmodyfikować genetycznie drzewa, by dawały światło w nocy. Ludzie sporo by zaoszczędzili, gdyby ulice miast były oświetlane w ten sposób. Jednak samo przeniesienie genów świetlików do roślin dało bardzo mierne efekty.

Badacze postanowili więc zadziałać w inny sposób. Wymyślili, że zaopatrzą rośliny jedynie w enzymy i pigmenty wykorzystywane przez świetliki. Po namyśle dodano jeszcze trzeci związek – koenzym A usuwający produkty uboczne reakcji hamujące działanie lucyferazy.

Aby wprowadzić do roślin ten zestaw użyto nanocząstek krzemionki (czyli po prostu drobinek piasku), kopolimeru PLGA (stosowanego przy produkcji leków) i chitozanu (pochodnej budulca pancerzy skorupiaków). Z wszystkich tych substancji przyrządzono zawiesinę, w której zanurzono niewielkie rośliny. Następnie ciecz poddano ciśnieniu tak, by przygotowane związki wniknęły do liści poprzez aparaty szparkowe.

Gdy nanocząstki w tkankach zaczęły się stopniowo uwalniać, reakcje chemiczne ruszyły i rośliny zabłysnęły światłem! Najdłużej udało im się świecić 3,5 godziny.

Technologia jest wciąż udoskonalana. Pracuje się nad długością trwania bioluminescencji i jej efektywnością. Usprawnia się również proces „produkcji” takich roślin i sposobu „gaszenia światła”. Technolodzy dążą do tego, by w przyszłości można było poprzez samo spryskanie rośliny uruchomić świecące cząsteczki oraz zahamować ich działanie. Marzy im się, by świecące rośliny stały się praktyczną ozdobą każdej szafki nocnej na świecie.

Karbowane diody – efektywność zwiększona o ponad 50%

Choć po erze żarówek o wydajności 10% wynaleziono już świetlówki osiągające w tej dziedzinie nawet 90%, naukowcy cały czas pracują nad udoskonaleniem produktów do oświetlania. Wymyślono diody LED, które obecnie są coraz bardziej powszechne, gdyż emitują zimne światło, dzięki czemu są bardziej energooszczędne (wytwarzają minimalną ilość ciepła).

Okazuje się jednak, że i to rozwiązanie można ulepszyć dzięki obserwacjom świetlików.

Do tej pory część światła LED była odbijana do wewnątrz w wyniku różnic w prędkości rozchodzenia się światła w materiale i powietrzu. Jednak nierówne krawędzie naskórka latarni świetlika nasunęły naukowcom pomysł, by podobny postrzępiony materiał zastosować w produkcji diod. W tym celu użyto chropowatego podłoża z azotku galu. Okazało się, że eksperyment podniósł wydajność diod LED o 55%!

Inni naukowcy nierówną powierzchnię diod uzyskali tworząc nanosłupki na kształt plastra miodu. Również ich badania odniosły podobny sukces.

Co więcej, wspomniana technologia wcale nie jest droga a jej wprowadzenie w fabrykach nie niesie ze sobą konieczności zmiany technik produkcji. Badacze zapewniają, że strukturę tę można wytworzyć przy pomocy lasera nawet na istniejących już diodach. Może to prowadzić do zastąpienia obecnego, obowiązkowego i kosztownego pokrywania soczewek powłokami antyrefleksyjnymi a w konsekwencji do obniżenia cen diod LED.

Jak widać, małe świetliki mogą przynieść wiele dobrego. Kto wie, może za kilka lat dzięki podpatrzonym u nich metodom, zapłacimy mniejsze rachunki za prąd…

Świetliki – ciekawostki

• Chociaż larwy świetlików potrafią przeżyć prawie rok, ich dorosłe osobniki żyją tylko kilka dni. A to dlatego, że nie mają otworów gębowych i przez to nie mogą się odżywiać. Ich dojrzałe życie sprowadza się jedynie do zalotów i wydania na świat potomstwa. Jeśli nie kojarzycie podobnej sytuacji u innych zwierząt, to zajrzyjcie do artykułu na temat ważek 🙂
• Świetliki potrafią „włączać i wyłączać” swoje światło poprzez oddychanie (czyli doprowadzanie tlenu potrzebnego do wspomnianych reakcji chemicznych). Dzięki temu błyskają światłem i to z różną częstotliwością. Mogą być to pojedyncze błyski lub cała synchronicznie dobrana iluminacja.
• Larwy świetlików nowozelandzkich polują na swoje ofiary wypuszczając podświetlone sieci podobne do pajęczych.
• Nie tylko świetliki świecą. Lucyferyna znajduje się też np. w niektórych bakteriach, rybach i planktonie. Niedawno zaobserwowano „świecące” delfiny, na których skórze prawdopodobnie osiadł bioluminescencyjny plankton.
• Motyw świecących roślin już jakiś czas temu pojawił się w umysłach wielu ludzi. W filmie „Avatar” wykorzystano ten pomysł, by stworzyć niezwykły świat dających światło drzew. Jednak eksperymenty przeprowadzano na mniejszych roślinach. Były to powszechnie znane: jarmuż, szpinak i rukiew wodna.
• Nowe technologie w zakresie oświetlenia są bardzo potrzebne, gdyż obecnie na świecie przeznacza się aż 20% energii na oświetlenie.

Polecamy

• Mrówki – symbol pracowitości
• Wybuchające mrówki
• Szarańcza
• Opracowania
• Świat owadów
• Owady
• Muchy, mucha domowa
• Komary i moskity
• Termity