Das BIOTOPIA Lab Schwarzlicht-Spektakel

Do it yourself anleitung

Für Silvester 2020 haben wir ein ganz besonderes Spektakel für Euch geplant:
Ein biologisches Tischfeuerwerk für zuhause!
Aber keine Angst, mit echtem Feuer haben unsere Versuche eigentlich gar nichts zu tun. Trotzdem werden sie einigen von Euch bestimmt begeisterte Ahs und Ohs entlocken.

Wir haben auch auf dieser Seite ein paar Überraschungen versteckt: Ihr könnt sie finden, indem Ihr mit der Maus über die Bilder fahrt oder sie am Handy antippt.

Ihr braucht für alle Versuche eine möglichst starke UV-LED-Taschenlampe (gibt es im Internet recht günstig zu kaufen).

Sicherheitshinweis:

Achtet auf einen vorsichtigen Umgang mit den Chemikalien (Brennspiritus, Aceton, Essigsäure) und mit dem UV-Licht. Richtet die Lampe immer von Euch und anderen Personen weg! Das UV-Licht kann zu Schäden im Auge führen. Führt die Versuche am besten zusammen mit einer erwachsenen Person durch und haltet Euch von offenem Feuer fern.


Auf einen Blick

  • Geeignet für alle Altersgruppen
    Kinder sollten die Versuche unter Aufsicht von Erwachsenen durchführen

  • Besonders interessant für:
    Farbenfreund*innen, Neugierige und alle, die Überraschungen lieben

  • Dauer: ca. 30 Minuten bis 1 Stunde


Versuch 1: Licht des Lebens

Zutatenliste

Für diesen Versuch braucht Ihr:

  • Eine UV-Lampe

  • Einen Mörser oder eine Reibschale mit Pistill

  • Ein paar grüne Blätter (am besten frischer Spinat)

  • Eine Schere

  • Sauberen, feinen Sand (z.B. Quarzsand für Aquarien)

  • Brennspiritus (keine Angst: wird nicht angezündet!)

  • Ein kleines Glas (z.B. Schnapsglas)

Welches Molekül leuchtet hier?

In diesem Versuch bringen wir das Blattgrün zum Leuchten. Es heißt auch Chlorophyll und wird von den Pflanzen für die Photosynthese verwendet.

Was ist Photosynthese?

Pflanzen (und bestimmte Bakterien) nutzen Licht, Wasser und Kohlendioxid, um daraus etwas Neues zusammenzusetzen:
nämlich Traubenzucker und Sauerstoff.
Also: Aus energiearmen anorganischen Stoffen entstehen mit Hilfe der Sonnenenergie energiereiche organische Stoffe. Das nennt man Photosynthese.

Geht das auch mit anderen Blättern?

Im Prinzip ja. Alle frischen Blätter, die ausreichend Blattgrün enthalten, sind theoretisch für diesen Versuch geeignet. Wir haben Spinat verwendet, weil er weich ist und man das Chlorophyll deswegen leicht aus den Zellen herausbekommt.

Wo genau versteckt sich das Blattgrün?

Pflanzen besitzen für die Photosynthese bestimmte Organellen in ihren Zellen. Man nennt diese Chloroplasten. Darin ist auch das Chlorophyll gespeichert. Um das Blattgrün zu lösen, müssen wir also sowohl die Pflanzenzellen, als auch die darin enthaltenen Chloroplasten zerstören.


Versuch 2: Das Feuerwerk im Wasserglas

Zutatenliste

Für diesen Versuch braucht Ihr:

  • Eine UV-Lampe

  • Ein möglichst großes, hohes Glas

  • Einen jungen Kastanienzweig mit glatter Rinde
    (ein kleiner Ast genügt vollkommen)

  • Ein Messer (muss nicht besonders scharf sein)

  • Leitungswasser

  • Einen dunklen Hintergrund (z.B. schwarze Pappe)

  • Schmutzfangtücher (aus dem Drogeriemarkt)

Welches Molekül leuchtet hier?

Die Substanz, die hier so blau leuchtet, heißt Aesculin – eine mit dem Waldmeisteraroma Cumarin verwandte Verbindung. Aesculin ist nach der Rosskastanie (Aesculus hippocastanum) benannt, in deren Rinde es zum ersten Mal nachgewiesen wurde.

Kleidung aufhellen mit Kastanienrinde?

Ja das geht! Der Erste, der das herausgefunden hat, war der deutsche Chemiker Paul Krais. Wenn Ihr Euch Schmutzfangtücher im Drogeriemarkt besorgt, könnt Ihr es selbst ausprobieren: Tunkt ein Tuch in Euer Kastanienwasser und vergleicht es dann mit einem unbehandelten unter Schwarzlicht. Noch heute wird dieser Effekt zum Aufhellen von Kleidung verwendet.

Kann man jede Baumrinde zum Leuchten bringen?

Leider funktioniert dieses Experiment nicht mit jeder Rinde. Aber es gibt noch ein paar weitere Bäume, deren Rinde man in anderen Farben strahlen lassen kann: Berberitze leuchtet zum Beispiel gelb und Esche grün!


Versuch 3: Der Eiervulkan

Zutatenliste

Für diesen Versuch braucht Ihr:

  • Eine UV-Lampe

  • Ein braunes Ei (je brauner, desto besser)

  • Einen Eierbecher

  • Essigessenz

  • Spiritus oder Nagellackentferner

  • Eine Pipette oder einen Teelöffel

  • Eine Untertasse, oder sonstige Unterlage

Welches Molekül leuchtet hier?

Das braune Protoporphyrin IX spielt in lebenden Organismen eine wichtige Rolle als Vorläufer für andere Verbindungen wie Häm (b) und Chlorophyll.

Hämoglobin und Chlorophyll - die Verwandten des Eierbrauns

Aus Protoporphyrin können Mensch und Tier Häm, die farbgebende Komponente unseres roten Blutfarbstoffs (Hämoglobin) herstellen. Mit ihm können wir Sauerstoff binden und transportieren. Im Zentrum des Häm ist ein Eisenatom. Beim Chlorophyll der Pflanzen steht dagegen Magnesium im Mittelpunkt.

Legen braune Hühner braune Eier?

Am Gefieder der Hühner lässt sich nicht festmachen, ob sie weiße oder braune Eier legen. Ein gutes Indiz sind aber ihre Ohren! Oder besser gesagt: die sogenannten Ohrscheiben. Das sind Hautlappen unter dem Ohr, welche direkt hinter den Augen liegen. Hühner mit weißen Ohrlappen legen weiße Eier. Hennen mit roten Ohrscheiben braune.


Erfahrt mehr!

Was passiert in Eurem Glas eigentlich genau und wo kann man ein ähnliches Leuchten in der Natur und im Alltag finden? Und was hat das alles mit Schnabeltieren zu tun? Euer Wissensdurst ist geweckt worden?
Dann seid ihr hier genau richtig! Hier zeigen wir Euch anschaulich, was Fluoreszenz ist, wie sie funktioniert und wie sie sich von anderen Leuchteffekten unterscheidet. Außerdem gibt es kuriose Fakten zu fluoreszierenden Tieren und Tipps, was Ihr noch alles mit Eurer UV-Lampe untersuchen könnt.

Das leuchtende Phänomen, das Ihr beobachten könnt, heißt “Fluoreszenz”.
Um das zu verstehen, muss man die Ebene der Moleküle (Teilchen, aus denen ein Stoff zusammengesetzt ist) sowie die Eigenschaften von Licht betrachten.

Sichtbare und unsichtbare Strahlung

Eine Lichtquelle, z.B. die Sonne, gibt Licht ab. Das Licht der Sonne erscheint uns weiß. Aber eigentlich setzt es sich aus verschiedenen Farben zusammen. Bei einem Regenbogen könnt Ihr das z.B. erkennen. Aber die Farben, die wir beim Regenbogen sehen, sind nur ein kleiner Teil des Lichtspektrums. Neben den für den Menschen sichtbaren Anteilen des Lichts gibt die Sonne auch noch Ultraviolettes Licht (UV-Licht) und Infrarotlicht ab. Diese beiden Arten von Licht sind für das menschliche Auge nicht sichtbar.

Für unseren Versuch ist das UV-Licht relevant. Habt Ihr schon einmal einen Sonnenbrand gehabt? Dafür war das UV-Licht verantwortlich. Es ist nämlich sehr energiereich. So energiereich, dass es zu Schäden in Eurer Haut führen kann.


Fluoreszenz

Ein fluoreszierendes Molekül besitzt ein System, das Fluorophor genannt wird. Dieses System besteht meist aus bestimmten chemischen Gruppen.
Wenn das Molekül ein Fluorophor besitzt, kann es durch UV-Licht angeregt werden. Hier könnt Ihr Euch ansehen, was dabei passiert:

  • UV-Licht trifft auf Pigment

    Energiereiche Photonen des UV-Lichts treffen auf die Farbstoff-Teilchen.
    Genauer treffen sie auf Elektronen in der Atomhülle der Farbstoff-Teilchen.
    Wir betrachten hier die Vorgänge am Beispiel eines Elektrons und seinen energetischen Zuständen.

  • Elektron wird angeregt

    Das eintreffende Photon überträgt Energie auf ein Elektron eines Farbstoffteilchens. Das bedeutet, dass das Elektron ein Stück vom Atomkern entfernt wird. Dadurch wird es auf ein höheres Energieniveau angeregt.
    Dieser angeregte Zustand ist energetisch instabil.

  • Abgabe von Wärme

    Zunächst wird etwas der aufgenommenen Energie in Form von Schwingungen abgegeben. Das Elektron befindet sich anschließend auf einem energieärmeren angeregten Zustand.

  • Abgabe von Licht

    Am Ende geht das Elektron wieder in seinen Grundzustand über. Dabei wird viel Energie - in Form von Licht - freigesetzt. Das ist dann auch der Schritt, den wir als Leuchten wahrnehmen.

  • Sichtbare Fluoreszenz

    Das ausgestrahlte Licht ist nun nicht mehr so energiereich wie das einstrahlende UV-Licht. Dadurch ist es für den Menschen sichtbar und erscheint uns als farbiges Leuchten.


Und was hat das jetzt mit Schnabeltieren zu tun?

Wenn Ihr darauf keine Antwort wisst, ist das nicht verwunderlich. Dass Schnabeltiere unter Einstrahlung von Schwarzlicht fluoreszieren, wurde nämlich erst kürzlich entdeckt.
Sie sind aber nicht die einzigen Tiere, die diese Eigenschaft besitzen. Seht selbst, indem Ihr Euren Mauszeiger über die Bilder bewegt!

Schnabeltiere - kuriose Geschöpfe

Schnabeltiere sind merkwürdige Tiere. Und zwar nicht nur, weil sie im Schwarzlicht fluoreszieren: Wusstet Ihr, dass weibliche Schnabeltiere Eier legen, aber ihre Jungen säugen? Schnabeltiere gehören damit zu den wenigen eierlegenden Säugetieren der Welt. Auch ihr entenartiger Schnabel ist eher ungewöhnlich für ein Säugetier. Und als wäre das alles noch nicht außergewöhnlich genug, besitzen männliche Schnabeltiere auch noch Giftsporne an ihren Hinterbeinen.

Wer weiß, was wir in Zukunft noch alles über diese faszinierenden Tiere herausfinden werden?

© J. Martin, Northland College; from Anich et al. 2020, Mammalia.


Fluoreszenz, Phosphoreszenz und Biolumineszenz:
Was ist denn da der Unterschied?

Fluoreszenz

Nicht alles Leuchtende ist gleich Fluoreszenz. Wenn man z.B. einen Skorpion mit UV-Licht bestrahlt, fängt er an zu leuchten. Nimmt man die Lichtquelle weg, hört das Leuchten im selben Moment wieder auf. Daran, dass das Leuchten endet, sobald die Lichtquelle ausgeschalten ist, erkennt man, dass es sich um Fluoreszenz handelt.

Phosphoreszenz

Es gibt aber auch Stoffe, die nach Abschalten des Lichts weiter nachleuchten - manchmal sogar mehrere Stunden. Dieses Phänomen bezeichnet man als Phosphoreszenz. Einige Minerale besitzen diese Eigenschaft. Wenn z.B. die Zeiger Deiner Uhr oder die Leuchtsterne an deiner Zimmerdecke im Dunkeln leuchten, handelt es sich dabei auch um Phosphoreszenz.

Biolumineszenz

Ein Glühwürmchen leuchtet auch im Dunkeln, es benötigt dafür nicht einmal eine externe Lichtquelle. Was steckt dahinter? In den Glühwürmchen findet eine chemische Reaktion statt, bei welcher Energie freigesetzt wird. Und diese Energie können wir dann in Form von Licht wahrnehmen. Das Phänomen wird Biolumineszenz genannt.


Chamäleons: Farbkünstler - auch unter UV-Licht

Dass Chamäleons wahre Meister des Farbwechsels sind, ist ja schon lange bekannt: Zur Tarnung oder um Konkurrenten oder Weibchen zu beeindrucken, können sie innerhalb weniger Minuten mehrfach ihre Farbe ändern. Das haben sie besonderen Zellen in ihrer Haut (sogenannten Chromatophoren) zu verdanken.

© Fotos: David Prötzel.

Doch wusstet Ihr, dass auch Chamäleons unter Schwarzlicht leuchten? Der Ursprung der Fluoreszenz liegt jedoch nicht in den Farbzellen der Haut, sondern in den Knochen der Chamäleons:
Die fluoreszierenden Muster resultieren aus den Knochenhöckern des Schädels und anderer Skelettelemente. Wo die Haut besonders dünn ist, sieht man die Fluoreszenz der Knochen durchscheinen (Prötzel et. al. 2018).


Noch mehr Fluoreszenz!

Wir haben Euch eine kleine Liste mit weiteren Dingen zusammengestellt, die unter UV-Licht fluoreszieren. Geht mit Eurer Schwarzlichtlampe auf Erkundungstour und entdeckt, was alles in ihrem Schein aufleuchtet!

  • Kürbiskernöl
  • Waschpulver oder weiße Textilien, die mit aufhellendem Waschmittel gewaschen wurden
  • Geldscheine
  • Nagelaufheller-Nagellack
  • Die Farbe eines Textmarkers
  • Chininhaltige Zitronenlimonade (z.B. Tonic Water)
  • Verschiedene Flechten
  • Einige Minerale
  • Korallen
  • Skorpione
  • Vogelfedern einiger Papagei-Arten
  • Urin (z.B. von Hunden)
  • Briefmarken
  • Und noch vieles mehr...

Fluoreszierende Flughörnchen

Dass auch Flughörnchen im Licht einer Schwarzlichtlampe farbenfroh glühen, ist ebenfalls erst seit Kurzem bekannt.
Die Forscher staunten bestimmt nicht schlecht, als sie diesen Effekt zum ersten Mal entdeckten!

Warum manche Tiere und Pflanzen fluoreszieren, ist oft ungeklärt.
Es ist allerdings bekannt, dass einige Tiere - im Gegensatz zu uns - UV-Licht sehen können. Dazu gehören zum Beispiel die
Bienen.

© Fotos: J. Martin, Northland College; from Anich et al. 2020, Mammalia.


Das BIOTOPIA Lab Team wünscht Euch ein frohes Neues Jahr!

Weiterführende Links

Die Welt der Fluoreszenz ist vielseitig und umfangreich. Leider können wir Euch nicht alles darüber zeigen.
Wenn Ihr noch weiter zu diesen Themen forschen wollt, empfehlen wir Euch die folgenden Links für Eure Recherchen.

RadioMikro zu Besuch im BIOTOPIA Lab!

Podcast für Kinder

Das Kinderradio des Bayerischen Rundfunks hat uns im BIOTOPIA Lab besucht und einige unserer Lab @ Home Experimente, darunter auch einen unserer Fluoreszenzversuche ausprobiert.

© Mischa Drautz, Bayern 2

Fluoreszenzfarb-stoffe in der Natur

Infoseite für Jugendliche und Erwachsene

Auf dieser Seite findnet Ihr weitere spannende Experimente und Infos aus der Welt der Fluoreszenz, Phosphoreszenz und Biolumineszenz. Hier haben wir uns auch für unseren Eiervulkan inspirieren lassen.

© Universität Jena

Leuchtsterne

Comic für Kinder

Fluoreszenz und Phosphoreszenz sind schwer vorstellbar - auch für große Kinder und Erwachsene. Wenn Euch die Erklärungen der Diagramme zu kompliziert sind, schaut Euch diesen Comic an. Danach habt Ihr sicher den Durchblick!

© SimplyScience Stiftung

Fluoreszierende Schnabeltiere

Artikel für Erwachsene

Die Sache mit den fluoreszierenden Schnabeltieren und Flughörnchen lässt Euch nicht los? Hier erfahrt Ihr mehr über die Entdeckung dieser außergewöhnlichen Eigenschaft. [Auf Englisch]

© The New York Times

Leuchtende Unterwasserwelten

Video

Ihr wollt wissen, wie die Unterwasserwelt bei Schwarzlicht aussieht?
Dann schaut Euch dieses Video von einem Nachttauchgang an und taucht ab in eine unbekannte Welt.
[Auf Englisch]

© Elisabeth Lauwerys

Fluoreszierende Minerale

Animation für Kinder und Jugendliche

Ihr habt gerade keine UV-Taschenlampe zur Hand? Dann probiert doch diese Animation aus. Am Beispiel des Minerals Calcit wird die Fluoreszenz erklärt - Ihr selbst bestimmt, ob das Licht an oder aus ist.

© Thomas Seilnacht

Der Fluoreszenz-Springbrunnen

Video für Schüler*innen

Ein weiteres spektakuläres Experiment mit Fluoreszenz, das man aber nicht zuhause nachmachen kann.
Aber Ihr könnt Eure Chemielehrerin / Euren Chemielehrer fragen, ob sie es Euch vorführen wollen.

© Chemie Baden-Württemberg

Erstellt von unseren Lab Pilots und Mitarbeiter*innen Luisa, Amelie, Dominic, Thassilo, Timon und Kathrin.

Besonderer Dank geht an David Prötzel und Jonathan Martin für die Freigabe ihrer faszinierenden Tieraufnahmen.






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