Experimente

Wissenschaft in der Tiefsee (von SchülerInnen entwickelt und von WissenschaftlerInnen während einer Kreuzfahrt ausgeführt)

Der Zweck eines wissenschaftlichen Experiments besteht darin, Antworten auf bestimmte Fragen zu finden. Oft dauert ein Experiment lange, ist sehr kompliziert und teuer. Wir stellen euch einige der Experimente, die wir während früherer Expeditionen durchgeführt haben, vor. Neue Experimente, die während dieser SOI-Kreuzfahrt im Jahr 2023 durchgeführt warden sind bald auch hier zu finden.

Klasse 5A (14 - 15 jährige Schüler*innen, Lehrerin Ulrike Randl-Gadora), AHS Rahlgasse, Wien, Österreich

Tiere der heißen Quellen - Fleischfresser oder Blattliebhaber?

Hintergrund: Die Tiere, die bei den hydrothermalen Quellen des Vulkans im Ostpazifik leben, sind gut bekannt. Etwa 50 Arten von Borstenwürmern (Phylum Annelida, Familie Polychaeta), Schnecken (Phylum Mollusca, Familie Gastropoda), einige Muscheln und Venusmuscheln (Phylum Mollusca, Familie Bivalvia) und einige Krebstiere (Phylum Arthropoda, Familie Crustacea) sind in Desbruyeres D., Segonzac M., Bright M. 2006 beschrieben. Handbuch der Tiefsee-Hydrothermalschlot-Fauna (Handbook of Deep-Sea Hydrothermal Vent Fauna). 2. Auflage. Denisia 18, Landesmuseum Linz, Österreich S. 554. Die Ernährung der Tiere der hydrothermalen Quellen basiert auf Chemosynthese. Einige Tiere weiden die Oberfläche ab und ernähren sich so vom Biofilm aus chemosynthetischen Bakterien, andere sind Filtrierer und sammeln die Bakterien aus dem Wasser. Es gibt viele Raubtiere, die sich von anderen Tieren ernähren, oder Aasfresser, die von toten Tieren leben. Andere sind offenbar nicht wählerisch und ernähren sich von toten und lebenden Tieren. Wegen des Lichtmangels in der Tiefsee gibt es jedoch keine Pflanzen in der Tiefsee. Daher gehen wir davon aus, dass die Tiere eher Fleischfresser als Vegetarier sind, weil sie diese Nahrung kennen. Außerdem gehen wir davon aus, dass die Tiere Fette und Proteine gegenüber Kohlenhydraten bevorzugen, weil tierische Kohlenhydrate eher selten sind. Da Proteine hauptsächlich als Bausteine im Stoffwechsel verwendet und erst dann als Energielieferanten abgebaut werden, wenn Kohlenhydrate und Fett nicht mehr verstoffwechselt werden können, gehen wir davon aus, dass Tiere auch Fett bevorzugen (auch wenn wir Menschen lieber ein Steak als ein Stück reines Schweinefett essen würden). Grundstätzlich finden sie das Futter umso schneller, je näher es ist, und zwar nicht mit den Augen (die im Dunkeln nutzlos sind), sondern über den Geruch.

Hypothese 1: Wir stellen die Hypothese auf, dass Tiere der Hydrothermalquellen Fleisch gegenüber Pflanzen bevorzugen.

Hypothese 2: Wir stellen die Hypothese auf, dass Tiere der Hydrothermalquellen Fette gegenüber Proteinen gegenüber Kohlenhydraten bevorzugen.

Hypothese 3: Wir stellen die Hypothese auf, dass Tiere der Hydrothermalquellen Nahrung umso schneller finden, je näher sie sich befindet.

Material und Methoden: Wir verwenden zwei Küchenherdroste und legen jeweils drei tierische und drei pflanzliche Produkte auf den Rost und befestigen sie mit Kabelbindern. An jeder Ecke des Backofengitters wird ein 0,5 kg schweres Bleigewicht angebracht. Weiters verwenden wir einen beschrifteten Plastikeimerdeckel (bereits in Wien vorbereitet). Der Deckel wird vor dem Einsatz mit Seilen am Gurt befestigt. Ofenroste, Blei, Seil und Eimerdeckel werden von Wien nach Costa Rica transportiert.

Die folgenden Lebensmittel werden als Testfutter in Puntarenas, Costa Rica, gekauft bevor an Bord gegangen wird und bis zum Einsatz in einem Kühlschrank gelagert: Tierische Schweineschwarte (Fett), Muskelfleisch (Protein), Leber (Kohlenhydrate), pflanzliches Kokosfett oder Paranüsse (Fett), Linsen oder Bohnen (Protein), Kartoffeln (Kohlenhydrate).

Bevor die beiden Gitter im Krater des Vulkans in 2500 m Tiefe ausgelegt werden, werden sie mit dem Futter bestückt und auf der Plattform des ROV SuBastian befestigt. Ein Gitter wird in einem Schlotbereich mit vielen Tieren ausgebracht, das andere auf nacktem Basalt in einigen Metern Entfernung. Das Ausbringen wird gefilmt und es werden Standbilder gemacht. Es ist geplant, diese Stelle einige Stunden nach dem Absetzen und in den nächsten Tagen zu besuchen. Das Ende der Experimente hängt davon ab, 1) wie schnell die Tiere das Futter finden und fressen und 2) wie oft es möglich sein wird, diese Station zu besuchen. Am Ende werden die Wissenschafter*innen den Mehrkammersauger auf dem ROV benutzen, um alle Tiere an jedem Futterstück einzeln zu sammeln. Im Labor an Bord des Schiffes werden die Tiere in Ethanol fixiert und zurück nach Wien gebracht, wo die SchülerInnen der 5A Klasse die Tiere zählen und die Tierarten bestimmen werden.

Bleibt dran!

Grundschule Ciril Kosmač Piran (7 - 8 jährige Schüler*innen, Lehrerin Vika Kuštrin) Piran, Slowenien in Zusammenarbeit mit der Meeresbiologischen Station Piran, dem National Institut of Biologie und deren IOC UNESCO Aktivitäten.

Zauberbohnen in der Tiefsee

In dem berühmten Märchen wachsen magische Bohnen zu einer riesigen Bohnenranke, die bis zu den Wolken reicht (Hans und die Bohnenranke). Mal sehen, ob unsere Bohnen auf dem Grund des Ozeans dasselbe tun.

Hintergrund:

Wir wissen, dass die Keimung von Bohnensamen etwa eine Woche dauert. Man kann sie entweder direkt in die Erde stecken oder sie zwischen zwei Lagen Küchenpapier legen und dieses befeuchten. Dann werden sie keimen, aber nur bei warmer Temperatur, deshalb sollten die Samen nicht sprießen, wenn es zu kalt ist. Es dauert etwa eine Woche, bis die Bohnen keimen.

Am 16. März 2011 lief das Schiff MS Oliva auf der Insel Nightingale im Atlantischen Ozean auf Grund. Nachdem alle Besatzungsmitglieder gerettet worden waren, brach das Schiff einige Tage später auseinander. Die Ladung bestand aus 60.000 Tonnen Sojabohnen. Eine große Menge Öl ergoss sich in den Ozean und verursachte schwere Umweltschäden. Auch die Bohnen gelangten ins Meer, aber was mit ihnen geschah, wurde nicht näher beschrieben. Sechs Monate später fanden Taucher im Schiffswrack Bereiche mit verrotteten Bohnen.

Es ist nicht bekannt, ob Bohnen im Meerwasser austreiben können. Wir wissen auch nicht, ob sie bei hohem Druck in der Tiefsee keimen.

Hypothese: Bohnen werden in kaltem Tiefseewasser nicht keimen, aber in warmem Tiefseewasser keimen sie

Material und Methoden: Wir werden Bohnen zwischen Küchenpapier legen und sie dann in Beutel aus Strumpfhosen stecken. Für den Einsatz mit dem ROV werden wir eine Tauchblei mit einem Seil an diesem Beutel befestigen, und um den Beutel zu finden, werden wir einen Deckel eines Plastikeimers an einem zweiten Seil befestigen. Zwei dieser Beutel werden ausgebracht, einer in einem Bereich mit warmen Wasser der Quellen und einer in einem kalten Bereich. Wir werden die Beutel etwa 10 Tage lang in der Tiefsee lassen. Zur Kontrolle werden wir auch Bohnen zwischen Küchenpapier legen, sie entweder mit Meer- oder Süßwasser befeuchten und bei warmer Temperatur im Labor aufbewahren. Ein weiteres Set werden wir in den Kühlschrank stellen.

Lasst uns sehen, was mit den Bohnen in der Tiefsee passiert und mit den Bohnen im Labor vergleichen.

Bleibt dran!

Grundschule Barbaraschool (10 - 11-jährige Schüler*innen, Lehrerin Isabel Spruijt) Bunnik, Niederlande in Zusammenarbeit mit dem Königlichen Niederländischen Institut für Meeresforschung (NIOZ) 

Teil I: Unter Druck!

Hintergrund:

Unser Körper ist an den atmosphärischen Druck auf der Erde angepasst, der auf der Meereshöhe bei 1 bar liegt. Vielleicht haben ihr schon einmal erlebt, wie sich dieser Druck verändert, wenn ihr in einem Flugzeug sitzt und ein "Plopp" in den Ohren spürt, weil der Druck der Luft auf euren Innenohren abnimmt, wenn das Flugzeug aufsteigt. Wenn ihr in ein Schwimmbecken springt und auf den Grund des Beckens taucht, nimmt der Druck mit der Wassertiefe zu, und ihr könnt dies auch spüren, da eure Ohren zu schmerzen beginnen, wenn das Wasser gegen eure Innenohre drückt.

Im Meer steigt der Druck alle 10 Meter um 1 bar, was sehr viel ist, da das Wasser viel schwerer ist als die Luft. Tiere, die in der Tiefsee leben, sind an diesen enormen Druck angepasst. Wenn wir unsere wissenschaftlichen Experimente in der Tiefsee mit Tauchbooten oder Robotern durchführen, müssen die Materialien stark genug sein, um dem Druck des Wassers standzuhalten. Aber wie stark sind die Materialien? Was passiert mit den "Alltags-" Materialien, wenn sie den Tiefen unseres Ozeans ausgesetzt werden?

Hypothese: Materialien, die mit Luft gefüllt sind, werden zerstört, weil der Wasserdruck sie zusammenpresst. Materialien, die fest sind, bleiben intakt, da sie nicht durch den Wasserdruck komprimiert (zusammengedrückt) werden.

Material und Methoden: Wir haben uns überlegt, welche Materialien des täglichen Lebens wir unter Wasserdruck testen wollen. Was wird mit ihnen geschehen? Die Materialien sind: ein luftgefüllter Ballon, ein Tischtennisball, ein rohes Ei, ein gekochtes Ei, Nudeln, Gummibärchen und Marshmallows.

Wir wollen diese Materialien auf der ROV-Plattform anbringen und sie mit der Kamera des ROV filmen, während es auf 2500 Meter Wassertiefe abtaucht. Mal sehen, was passiert!

Teil II: Kochen in der Tiefsee

Hintergrund: Die Flüssigkeiten der hydrothermalen Schlote können sehr hohe Temperaturen erreichen, besonders an den schwarzen Rauchern, wo Temperaturen von über 300 Grad Celsius gemessen werden.

Hypothese: Man kann ein Ei, Nudeln oder Marshmallows in den heißen Schlotflüssigkeiten kochen.

Material und Methoden: Im ersten Experiment wollen wir herausfinden, ob ein ungekochtes Ei, Marshmallows und Nudeln dem großen Druck standhalten können. Wenn ja, legen wir die Lebensmittel in ein Stahlnetz, das an einem Stahlgriff befestigt ist. Der ROV-Manipulator hält dann das Stahlnetz mit den Lebensmitteln für 10 Minuten in die heiße Thermalflüssigkeit. Zurück an Bord des Schiffes werden kosten, ob das Ei und die Marshmallows und Nudeln gut gekocht sind. Guten Appetit!

Hefe in der Tiefsee (von einer früheren Kreuzfahrt)

Hintergrund: Hefe kennen wir, weil wir damit Brot backen, Bier brauen und Wein machen und das alles schon seit einigen tausend Jahren. Dass Hefen jedoch lebende Organismen sind, wurde erstmals von Louis Pasteur (1822-1895) in seinem Buch „Études sur la bière“ (Studien über das Bier) beschrieben. Hefen sind einzellige Pilze, die bis zu 10 Mikrometer (ein Zehntel Millimeter) groß werden. Hefen sind heterotroph, das heißt, sie fressen organisches Material (Zucker, Eiweiß, Fett), das von anderen Lebewesen produziert wird. Sie bauen Zucker mit Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid ab und nutzen die freigesetzte Energie für ihren Stoffwechsel. Wenn kein Sauerstoff in der Nähe ist, können Hefen zumindest einige Zeit und mit weniger Zellteilung leben. Dann verwandeln die Hefen den Zucker in den weniger energiereichen Ethylalkohol (anstelle von Wasser) und Kohlendioxid. Dies nennt man Gärung. Wir nutzen die Kohlensäure zum Beispiel, um Brotteig aufgehen zu lassen oder Getränke zu belüften. Die Hefe selbst versorgt uns mit Vitamin B. Hefeextrakte werden als Geschmacksverstärker in Lebensmitteln verwendet. In der Biotechnologie werden sterile Hefeextrakte als Nährmedium für andere Pilz- oder Bakterienarten verwendet. Hefen vermehren sich entweder durch Knospung und Zellteilung (asexuell) oder sie produzieren Sporen (sexuell).

Hypothese: Wir haben die Hypothese aufgestellt, dass Hefe zumindest einige Stunden in der Tiefsee überleben wird.

Material und Methoden: Wir haben frisch zubereiteten Brotteig mit lebender Hefe in einen Behälter gegeben und ihn außerhalb des Tauchboots montiert. Der Tauchgang dauerte 8 Stunden, die Hefe war 5 Stunden in einer Tiefe von 2500 Metern. Nach dem Tauchgang bereitete der Schiffskoch den Teig zu, um zu sehen, ob Brot aus diesem Teig hergestellt werden kann.

Ergebnisse: Der Koch nahm den Teig, der die Tiefsee besuchte, und fügte sofort Mehl hinzu, um Brot zu backen. Wir alle haben das Brot probiert und festgestellt, daß es nicht so luftig und fluffig war wie normales Brot ist. Geschmeckt hat es un saber trotzdem. 

Fazit: Hefe überlebt die Reise in die Tiefsee. Weder stirbt sie wegen des hohen Drucks oder der Dunkelheit oder der niedrigen Temperaturen. Zumindest nicht innerhalb von 5 Stunden. Außerdem schadet das salzige Meerwasser der Hefe nicht.

Wir haben gelernt, dass Plastiktüten in der Tiefsee nicht als Verpackung geeignet sind, weil sie brechen. Außerdem ging der Teig während der Fahrt in die Tiefe auf. Wahrscheinlich sogar mehrmals und das ist immer schlecht für den Teig, wie uns der Koch sagte. Der Teig war relativ klein, als wir ihn aus dem Kühlschrank holten. Die Außentemperatur betrug am frühen Morgen bereits 25°C. Die Wassertemperatur an der Oberfläche betrug 28°C. Diese Temperatur nimmt mit zunehmender Tiefe kontinuierlich ab, aber die Hefe hatte genug Zeit, um aktiv zu werden, als der Beutel an Alvin befestigt wurde, während des Ab- und Aufstiegs des Tauchboots und auch am Ende des Tauchgangs während das Tauchgangs geborgen wurde.

Das Styropor-Experiment (von einer früheren Kreuzfahrt)

Hintergrund: Styropor ist ein Kunststoff, der bereits 1951 von der deutschen Firma BASK auf den Markt gebracht wurde. Ausgangsmaterial sind kleine Kugeln aus Polystyrol, das in einem sehr aufwendigen Verfahren aus Erdöl gewonnen wird. Die Kugeln werden mit Hilfe von Treibmittel und Hitze aufgeschäumt und zu kleinen Pellets geformt. Diese Pellets können durch Hitze und Druck in nahezu jede Form gebracht werden. Das gesamte Styropor besteht zu 98 % aus Luft. Es eignet sich sehr gut als Verpackungs- und Isoliermaterial. Viele Gegenstände des täglichen Lebens bestehen aus Styropor. Zum Beispiel Dekorationen und Partybecher.

Hypothese: Wir haben die Hypothese aufgestellt, dass sich Styroporbecher unter Druck verändern.

Material und Methoden: Um herauszufinden, was mit Styroporbechern unter Druck passiert, haben wir einige dieser Becher mit in die Tiefe genommen. Damit sie ihre Form behalten, stopfen wir sie fest mit Küchenpapier aus. Der Pilot befestigte vor dem Tauchgang einen der Becher an Alvin’s Korb und richtete eine Kamera darauf.

Ergebnisse und Fazit: Die Styroporbecher wurden unter hohem Druck deutlich kleiner. Dies geschah, weil die Luft beim Abstieg des Tauchboots unter Druck komprimiert wurde. Beachten bitte, dass Flüssigkeiten und Feststoffe nicht mit Druck komprimiert werden, während Gase unterschiedlich reagieren.