Teoria Quântica e Luminescência: Como os Vagalumes Produzem Luz?

Alexandre Medeiros (PhD, University of Leeds – Professor de Física e Astronomia, UFRPE)

SÉRIE DE TEXTOS: A FÍSICA NO DIA A DIA

AUTOR: Alexandre Medeiros

TÓPICO: TEORIA QUÂNTICA; LUMINESCÊNCIA: A luminosidade dos Vagalumes

TÍTULO DO ARTIGO: Como os Vagalumes Produzem Luz?

As lanternas dos vagalumes são formadas por três tipos de camadas. A camada mais interna atua como um refletor da luz. Na verdade, este tipo de camada interna refletiva é composto de várias camadas superpostas de pequenas células refletivas. A camada intermediária da lanterna contém as células produtoras de luz, denominadas de fotócitos. Esses fotócitos contêm nervos, tubos de ar e dois tipos principais de compostos químicos: um substrato denominado luciferina e uma enzima luciferase. A camada mais externa da lanterna é clara e transparente, transmitindo a luz para o meio exterior.

Os vagalumes são besouros que emitem uma luz fria, ou seja, praticamente sem emissão de calor ou com uma baixíssima emissão de calor em relação à energia presente na radiação luminosa emitida. Há muitos outros exemplos de processos físicos que envolvem a emissão de luz fria e todos eles são categorizados como pertencentes ao fenômeno da luminescência. A luminescência não é regida pelas mesmas leis físicas válidas para a radiação térmica da incandescência.

Deste modo, por exemplo, a conhecida lei de Wien para os deslocamentos das raias espectrais da radiação térmica, que vale tanto para a radiação solar quanto para aquela proveniente de uma lâmpada incandescente de filamento, não vale para a luminescência.

Há vários tipos de luminescência, dependendo da origem das formas de excitação eletrônica que a produz e das características da radiação luminosa fria emitida. Ela pode ser produzida, por exemplo: por choques mecânicos ou mudanças nas tensões existentes em cristais (triboluminescência), por uma excitação atômica transitória induzida por uma radiação eletromagnética (fluorescência) ou não transitória (fosforescência), pelo movimento de partículas subatômicas (eletroluminescência), por reações químicas (quimiluminescência) ou por reações bioquímicas ocorridas em determinados processos fisiológicos, como no caso do vagalume (bioluminescência) e de outros animais.

A luz dos vagalumes é produzida em órgãos especiais (denominados de “lanternas”) localizados na parte de baixo do abdômen desses insetos. Seu abdômen é composto de vários segmentos, estando as lanternas localizadas no segundo e no terceiro destes segmentos, contados a partir da ponta de seu abdômen (cauda). As cores das lanternas dos vagalumes variam do verde amarelado ao laranja, passando pelo vermelho, cor emitida por um único grupo de coleópteros que é encontrado exclusivamente no Brasil.

Como, entretanto, a luz é quimicamente e fisicamente produzida no interior dos fotócitos?

A luz é produzida nos tubos de ar dos fotócitos quando a luciferina é ativada pela adenosina trifosfato (ATP), substância que fornece energia às células, em uma reação catalisada (acelerada) pela enzima luciferase, ao se combinar com o oxigênio produzindo a oxiluciferina. A desativação da oxiluciferina libera energia na forma de luz fria. Diferentes pares luciferina-luciferase podem produzir fótons de diferentes comprimentos de onda com a emissão de luzes de cores distintas.

Os vagalumes podem controlar a luz produzida nos fotócitos de suas lanternas através da regulagem do fluxo de oxigênio em sua traqueia que está ligada à região do abdômen. Devido a esse controle, eles conseguem emitir regularmente determinados padrões luminosos. Nesse sentido, o oxigênio é o combustível que os ajuda a criar a luz por eles emitida. Para piscar, o cérebro do vagalume emite um neurotransmissor (octopamina) que aciona o funcionamento do processo químico acima descrito nos fotócitos do abdômen.

Uma quantidade relativamente grande de energia de excitação é necessária para produzir luz visível, algo da ordem de 40-70 kcal. A extraordinária eficiência da emissão bioluminescente requer que ela seja considerada em termos energéticos tratados em bases quânticas. No vagalume, a energia liberada é direcionada de forma muito eficiente para a produção de um estado eletronicamente excitado das moléculas bioluminescentes resultantes da oxidação da luciferina. Os rápidos relaxamentos subsequentes desses estados excitados para o estado fundamental é que são responsáveis pela emissão de fótons de luz visível. Para cada molécula de ATP que é consumida na oxidação da luciferase, um fóton de luz é gerado. Assim, quanto maior for a concentração de ATP, maior será a intensidade da luz emitida. Este processo físico luminescente de excitações e de relaxamentos eletrônicos, regido pela Mecânica Quântica, e iniciado quimicamente pela oxidação da luciferina, é denominado de CIEEL (da sigla em inglês Chemically Initiated Electron Exchange Luminescence), mas a complexidade de seu detalhamento foge do alcance da presente discussão.

PARA CITAR ESTA FONTE: Medeiros, Alexandre. Como os Vagalumes Produzem Luz? Física e Astronomia_Alexandre Medeiros, BLOG.

http://alexandremedeirosfisicaastronomia.blogspot.com/2011/10/como-os-vagalumes-produzem-luz.html. Acessado em 11 de Outubro de 2011. (atualizar a data)