Como uma criança, ficamos fascinados pelo brilho dos vaga-lumes
de verão. Mas, o que realmente está acontecendo com eles? A Luz é uma
força tal poderosa em nosso universo que a idéia de um organismo poder
criar sua própria luz é algo inacreditavelmente excitante.
Como eles estão produzindo esta "luz"?
E por que é útil para a sobrevivência deles? Vaga-lumes
necessariamente devem utilizar esta habilidade fantástica para algum propósito
importante. Além disso, esse fenômeno pode ser usado para facilitar a vida de
nossos cientistas.
Nós do
NAEQ pretendemos falar um
pouco mais sobre a química desse maravilhoso fenômeno da Natureza.
Para começar, dum poema sobre o círculo vicioso da vida, Machado de
Assis escreve sobre um vaga-lume que invejava o brilho louro da
estrela, que por sua vez desejava ser a lua ...(leia ao lado).
No final do artigo, há uma entrevista exclusiva com o
Dr. Etelvino José Henriques Bechara,
uma das maiores autoridades
a nível internacional
no
estudo desse fenômeno.
Círculo Vicioso
Bailando no ar, gemia inquieto
vaga-lume:
"Quem me dera que eu fosse aquela loira estrela
Que arde no eterno azul, como uma eterna vela!"
Mas a estrela, fitando a lua, com ciúme:
"Pudesse eu copiar-te o transparente lume,
Que, da grega coluna à gótica janela,
Contemplou, suspirosa, a fronte amada e bela"
Mas a lua, fitando o sol com azedume:
"Mísera! Tivesse eu aquela enorme, aquela
Claridade imortal, que toda a luz resume"!
Mas o sol, inclinando a rútila capela:
Pesa-me esta brilhante auréola de nume...
Enfara-me esta luz e desmedida umbela...
Por que não nasci eu um simples vaga-lume?"...
Machado de Assis
Porque os vaga-lumes emitem luz?
No entento de chamar aatenção de sua parceira,
o vaga-lume acende sua "lanterna biológica". A intensidade, a velocidade e
a freqüência dos flashes variam de acordo com a espécie. As cores de suas
lanternas oscilam do verde-amarelado ao laranja, passando pelo vermelho,
cor emitida por um único grupo de coleópteros que só se pode encontrar no
Brasil.(veja as espécies de coleópteros ao lado)
O fenômeno da luz brilhante é denominado "Bioluminescência" e diversos
organismos possuem essa capacidade de emitir luz. Na definição geral,
temos que é "o processo em
que luz é produzida por uma reação química que origina no organismo".
A Bioluminescência é encontrada principalmente no fundo do oceano mas
vaga-lumes também possuem esta habilidade.
Ambos os sexos de vaga-lumes fazem uso de um padrão de flash
específico que pode variar de um estouro curto a uma sucessão flamejante,
contínua e longa. Em suma, a lanterna do vaga-lume é essencialmente um
dispositivo de namoro; mas como o vaga-lume gera a luz de fato?
Pesquisadores da Universidade de Tufts, nos Estados Unidos, descobriram
que a mesma substância responsável pelo controle da pressão sanguínea que
leva à ereção do pênis, o
óxido nítrico, (NO) serve de
mensageira entre o impulso elétrico emitido pelos neurônios do vaga-lume e
o disparo do flash luminoso. Durante os dois anos de pesquisa, os
cientistas americanos demonstraram que a lanterna dos vaga-lumes se acende
sempre que se estimula a produção do óxido nítrico.
A
família dos vaga-lumes
Quando um vaga-lume, de costas, volta à posição normal de um salto só, ao
mesmo tempo em que produz um estalo, um clique, você pode ter a certeza de
que ele é um elaterídeo. Sua cor varia do castanho escuro ao marrom
avermelhado. Na parte anterior do tórax, os elaterídeos
têm duas manchas que, quando apagadas, têm coloração alaranjada. Muita gente
acha que essas manchas são os olhos do pirilampo. Mas são suas 'lanternas'.
Uma terceira lanterna fica no abdome e só entra em atividade quando o inseto
está voando. É tão desenvolvida que chega a emitir um facho de luz de quase
um metro de diâmetro. Esses vaga-lumes costumam voar muito alto, acima da
copa das árvores. A luz que emitem é contínua. Na lanterna torácica, a luz
tem uma tonalidade esverdeada. Na lanterna abdominal, é amarelo-alaranjada.
O ciclo de vida dos elaterídeos é longo: dois ou mais anos. Os adultos vivem
somente no verão, períodos em que se acasalam. Os ovos são postos em
madeiras semi-apodrecidas no interior das matas. Depois de cerca de 15 dias
surgem as primeiras larvas, que passarão quase dois anos comendo outros
insetos e crescendo, até se transformarem nas pupas, que irão depois virar
os insetos adultos.
As fêmeas dos
fengodídeos
sempre têm aspecto larvar.
São comumente conhecidas como bondinho elétrico ou trem de ferro. Algumas
espécies de fengodídeos emitem luz vermelha, na região da cabeça, e
esverdeada no corpo. Outras emitem luz esverdeada em todo corpo. Os machos,
alados, têm pontinhos luminosos em posição e número variáveis, todos no
abdome. O ciclo biológico dos fengodídeos é pouco conhecido. Sabe-se que as
larvas gostam de comer gongolos, o popular piolho-de-cobra. E são muito
vorazes; sugam toda a parte mole do corpo do bicho, dispensando as partes
duras. Emitem luz contínua e vivem no chão, à procura de suas presas.
A cor dos
lampirídeos varia
muito: do castanho-claro ou escuro ao castanho-amarelado ou avermelhado. As
lanternas ficam no ventre e variam de tamanho e disposição. Emitem luz
esverdeada intermitente durante as poucas horas do entardecer. Habitam
matas, campos e cerrados, preferindo os lugares úmidos e alagadiços como os
brejos. O ciclo biológico dos lampirídeos é longo. Adultos e larvas
alimentam-se com freqüência de caramujos. Em algumas espécies as fêmeas
também têm aspecto de larvas, que emitem sua luz por órgãos luminescentes
situados no abdome.
Vaga-lumes das famílias dos elaterídeos (A), fengodídeos (B) e
lampirídeos (C)
fonte:
Revista Ciência Hoje On-line: http://www.ciencia.org.br
Como os organismos Bioluminescentes
trabalham?
A reação química que faz o emissão de luz é interessantíssima. Além do fato de
ser algo que chame nossa atenção, é também interessante que 90 a 96% da energia produzida é convertida
em luz, e somente de 4 a 10% é convertida
em calor, oinverso de uma lâmpada
comum! Abaixo, as reações esquemáticas representando o que acontece nos fotócitos,
células especializadas em reações de emissão de luz como produto. Essas células
formam um tecido denominado "lanterna", que
está conectado à traquéia e ao cérebro, de modo que o inseto pode controlar, ao
seu gosto, quando irá desencadear a reação química.
Neste mecanismo, ocorre a oxidação da luciferina
(A) pelo oxigênio molecular, reação esta catalizada pela enzima luciferase,
gerando a oxiluciferina
(E) mais a luz que é observada por nós. (D) A dioxetanona está como uma etapa
intermediária (B e C). Este mecanismo apresenta um alto rendimento quântico de
bioluminescência (em torno de 0,90 E mol-1), sendo que essa energia
produzida pelo inseto é comumente chamada de "luz fria"
devido ao seu alto
rendimento.
Analisando a molécula (C), podemos perceber que ela possui os componentes fundamentais
para que ocorra uma reação quimioluminescente. Na literatura, a sua presença no
processo de bioluminescência é inferida, ou seja, não foi comprovada sua
existência experimentalmente, porém ela é necessária par manter a lógica
bioquímica do processo.
Em síntese, a reação pode ser esquematizada da seguinte maneira:
Aplicações da bioluminescência
Além da beleza inegável do fenômeno, a molécula luciferina e a enzima luciferase
tem aplicação em setores como
farmacologia,
biologia molecular e alimentação.
Abaixo, um quadro mostrando as aplicações.
Ficou escuro? O remédio é bom!
Implanta-se na bactéria
responsável por uma doença o gene que comanda a produção de substância
luminescente. Depois, aplica-se o antibiótico. Se continuar brilhando, é
porque a bactéria está viva e o remédio não funcionou.
Espermatozóide é para bilhar!
Quanto mais ATP (adenosina
tri-fosfato) houver no espermatozóide, mais ele brilha ao receber a
mistura de luciferina e luciferase. Se cintilar pouco, é sinal que a
célula tem pouco ATP; fora de forma e, portanto, pouco fértil
Comida não pode reluzir...
Se ascender, o alimento está
estragado. A luminescência indica que há bactérias ativas na comida. É que
todo o organismo em atividade tem ATP, que desprende luz quando combinado
com a luciferina e a luciferase.
Fonte:
Revista Superinteressante
Veja on-line: "Brilho do vaga-lume é usado
na luta contra o câncer"
Mito: Bioluminescência é igual a "Fluorescência", (ou "fosforescência"
ou "quimioluminescência")
Fato: Todos os termos
estão relacionados com a produção de luz por substâncias químicas, mas só
bioluminescência é semelhante a quimioluminescência, mesmo assim são
termos que devem ser usados em situações diferentes.
A fluorescência
é uma forma de fotoluminescência em que a emissão de luz desaparece tão
logo cessa a absorção da radiação excitadora. (O tempo de vida de uma
fluorescência é da ordem de 10-8 s).
Fosforescência
é semelhante a fluorescência sendo que o produto excitado é mais estável,
de forma a demorar mais tempo (de um microsegundo até minutos) até que a
energia seja liberada totalmente. Esse fenômeno está relacionado com o
fato dos interruptores de tomada em sua casa brilharem no escuro. Em seu
polímero, são colocados pigmentos de fósforo, um elemento que possui
propriedades fosforescentes. Não é por nada que o nome "fósforo",
elemento
químico de número atômico 15, vem do grego, phosphoros, que significa
"aquele que brilha", ou "o que conduz, traz a luz".
Quimioluminescência
é um termo geral para produção de luz quando a energia de excitação é
proveniente de uma reação química (ao invés da absorção de fótons, em
fluorescência).
Bioluminescência
é a denominação de um fenômeno de quimioluminescência onde a reação
química é realizada em um organismo, como o vaga-lume por exemplo.
Vamos ao laboratório?
É possível observar o fenômeno da
quimioluminescência por meio de uma experiência
relativamente simples:
ATENÇÃO
Química não é brincadeira, é coisa
séria!
Não cheire nem experimente o gosto
de substâncias desconhecidas
Cuidado com as substâncias tóxicas
e/ou inflamáveis
Cuidado com respingos na pele e
novo olhos
Procedimentos
Vista as luvas de borracha e comece a preparar as soluções reagentes.
Coloque 500mL de soluções aquosa de hidróxido de sódio 0,1mol/L em um
balão de fundo chato. Adicione 0,25g de luminol. Mexa cuidadosamente. Tape
o balão com a rolha, cole uma etiqueta escrito "solução
de luminol" e reserve. Prepare agora a solução oxidante de
peróxido de hidrogênio.
Reagentes e aparelhagem
> 0,25 g de luminol (5-amin-2,3-di-hidro-1,4-ftalazinadiona)
> 500mL de solução aquosa de
hidróxido de sódio 0,1mol/L
> 50mL de peróxido de hidrogênio,
H2O2, 10 volumes
> água destilada
> 2 balões de fundo chato com
capacidade para um litro.
> rolhas para tapar os balões de
fundo chato
> etiquetas autocolantes
> 2 provetas graduadas de 100mL
> 1 erlenmeyer de 500mL
> luvas de borracha.
Coloque em outro balão de fundo chato 50mL de H2O2 10
volumes e complete com água até a marca de 1 litro. Tape o balão com a rolha
e
agite cuidadosamente. Cole uma etiqueta escrito "solução
oxidante" e reserve. Apague a luz do laboratório (não totalmente,
senão só Deus sabe o que poderá acontecer :) Com a ajuda de
uma das provetas graduadas meça 100mL da solução de luminol e transfira o
líquido para o erlenmeyer.
Na outra proveta graduada meça 100mL de solução oxidante e adicione à
solução de luminol dentro do erlenmeyer.
Na
presença do peróxido de hidrogênio - que nesse caso atua como oxidante - , o
luminol reage formando um complexo ativado que se encontra em um estado excitado
e energético.
A transformação desse complexo ativado no produto final - o íon 3-aminoftalato
- ocorre com liberação de energia na forma de uma luz azul visível e brilhante.
A reações abaixo esquematizam o que acontece:
Fonte: Completamente Química -
Martha Reis - Química Orgânica - 2001
Entrevista
O NAEQ entrevistou uma das maiores autoridades da área, pesquisador da
USP,
Dr. Etelvino José Henriques Bechara,
o qual falará para nós um pouco sobre este fenômeno da luminescência e
suas aplicações. Para saber mais sobre suas pesquisas, acesse o site:
Laboratório de Radicais Livres e Bioluminescência:
[ NAEQ ] Olá
Professor Etelvino, primeiramente gostaríamos de agradecer sua ilustre
participação neste artigo. Quando ficamos sabendo do extraordinário rendimento
do processo de emissão, onde cerca de 90% da energia produzida é convertida em
luz, logo associamos a uma possível fonte de energia. Isso é possível?
[ Dr. Etelvino ]
Sim. Há, por exemplo, relatos e gravuras (Rugendas)
sobre o uso da luz emitida por pirilampos para iluminação de choupanas de
nativos na América Central.
A química da luz dos vaga-lumes
inspirou vários pesquisadores a estudarem e descreverem várias reações análogas,
chamadas quimioluminescentes, em que a energia química dos reagentes é
convertida em luz com rendimentos muito altos. É o caso da reação dos
oxalatos de 2,4,6-triclorofenila e de 2,4-dinitrofenila com peróxido de hidrogênio,
em meio básico, na presença de hidrocarbonetos poliaromáticos (ex., 9,10-difenilantraceno,
perileno, rubreno, etc). Estes compostos atuam simultaneamente como
catalisadores e emissores fluorescentes, cuja cor da fluorescência pode-se
escolher à vontade.
Esta reação foi
descrita por Rahut e é a base de produtos comerciais chamados "light
sticks" (marca registrada Cyalume) ou lanternas químicas, amplamente
usados por mergulhadores, espeleólogos, pequenas clínicas médicas de locais
sem luz elétrica, kits de emergência da aviação civil, e até mesmo como
enfeite e decoração.
[ NAEQ ] Hoje,
quais são as áreas em que o fenômeno da bioluminescência está sendo usado no
Brasil?
[ Dr. Etelvino ]
O principal uso da bioluminescência em todo o mundo,
inclusive no Brasil, é na biotecnologia. O gene do vaga-lume (denominado "luc",
de luciferase, a enzima que catalisa a reação bioluminescente do vaga-lume)
foi clonado e seqüenciado na década dos oitenta pela Dra Marlene DeLuca e pelo
Dr. Keith Wood (ambos da University of Califórnia, La Jolla) e logo
comercializado como gene repórter da expressão de proteínas na Biologia
Molecular, acadêmica e aplicada.
Causaram furor as fotos
de tabaco e tomate luminosos, resultado de sua infecção com bactérias
simbiontes transformadas com o gene luc. O desenvolvimento dos programas sobre o
genoma de vários organismos teve forte contribuição do gene luc e do gene gfp
(de "green fluorescent protein"), este último obtido de organismos
marinhos bioluminescentes. Além disso, como a reação bioluminescente do vaga-lume
também depende de ATP (adenosina trifosfato), tem-se utilizado esta reação
para monitoração de vários processos bioquímicos e celulares dependentes
desta coenzima. Vários laboratórios de análises clínicas, indústrias de
alimentos, hospitais, poluição ambiental, tratamento de água, utilizam
"kits" comerciais baseados no sistema luciferina/luciferase de vaga-lumes.
[ NAEQ ]
Fale um pouco mais sobre suas pesquisas com bioluminescência.
[ Dr. Etelvino ]
Desde 1978, quando iniciamos a linha de pesquisa sobre a
bioluminescência de insetos, temos contribuído para elucidar vários aspectos
da química, biologia e ecologia da três principais famílias de besouros
luminosos: os lampirídeos (vagalumes), os elaterídeos (pirilampos, tec-tecs,
ou salta-martins) e os fengodídeos (bondinhos ou trenzinhos). Por exemplo,
descobrimos que em todos eles a luciferina (combustível da bioluminescência)
é a mesma, que a cor da emissão é específica da espécie e depende da
luciferase e do pH do microambiente celular onde a reação ocorre e que a
bioluminescência atua não só como sinal para atração de presas e corte
sexual, mas também como mecanismo auxiliar de detoxificação de oxigênio
molecular.
Descobrimos três espécies
novas de fengodídeos, descrevemos o sistema de inquilinismo cupim-vaga-lume no
cerrado brasileiro, responsável pelo fenômeno dos "cupinzeiros
luminosos", únicos no mundo, e explicamos como os elaterídeos inquilinos
dos cupins se defendem da baixa umidade na ocasião do inverno (seca).
Todo este trabalho foi
amplamente divulgado na imprensa falada, escrita e televisa, brasileira e
internacional, com artigos e imagens para a Ciência Hoje, Ecologia,
Superinteressante, Galileu, Folha de São Paulo, Estado de São Paulo, Globo Ciência,
Globo Rural, Télé Quebec, Encyclopedia of Life Sciences, etc. Estas pesquisas
foram realizadas junto com nossos pós-graduandos e colegas do Instituto de
Biociências e do Museu de Zoologia da USP, além de termos contado com colaborações
de pesquisadores da Universidade da Florida em Gainesville, Dartmouth Medical
School (New Hampshire, USA) e Museum of Natural History (Basel, Suiça).
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