Experimenti

La scienza nelle profondità marine

Progetto ideato dai bambini a scuola ed eseguito dagli scienziati durante una spedizione

Lo scopo di un esperimento scientifico è quello di trovare le risposte a domande specifiche. Spesso un esperimento può essere lungo, molto complicato e costoso. Vi presentiamo in dettaglio alcuni degli esperimenti che abbiamo compiuto durante le scorse spedizioni e nuovi esperimenti compiuti durante la spedizione dello SOI nel 2023.

Classe 5A (studenti di 14 – 15 anni, docente Ulrike Randl-Gadora), AHS Rahlgasse, Vienna, Austria

Animali delle fonti idrotermali – Carnivori o Erbivori?

Contesto: Gli animali che vivono presso le fonti idrotermali sulle pendici vulcaniche della dorsale del pacifico orientale sono stati studiati in modo molto approfondito. Circa 50 specie di policheti (Phylum Annelida, famiglia Polychaeta), lumache di mare (Phylum Mollusca, famiglia Gastropoda), alcune cozze e altri molluschi bivalvi (Phylum Mollusca, famiglia Bivalvia) e alcuni crostacei (Phylum Arthropoda, famiglia Crustacea) sono stati descritti nel libro di Desbruyeres D., Segonzac M., Bright M. 2006. Handbook of Deep-Sea Hydrothermal Vent Fauna. Seconda edizione. Denisia 18, Landesmuseum Linz, Austria pp. 554. La dieta di questi animali si basa sulla chemiosintesi. Alcuni brucano le superfici rocciose per cibarsi di questi batteri chemiosintetici, altri sono filtratori che si nutrono di batteri sospesi nell’acqua. Ci sono inoltre molti predatori che si cibano di altri animali o necrofagi che si nutrono di animali già morti. Altri ancora sembra che non siano schizzinosi e si cibano di animali sia vivi che morti. Per via della mancanza di luce, tuttavia, nessuna pianta è in grado di sopravvivere nei mari profondi. Per questa ragione ci aspetteremmo che questi animali siano solo carnivori, e non vegetariani, perché è l’unico cibo che conoscono. Inoltre, crediamo che questi animali preferiscano grassi e proteine rispetto ai carboidrati, semplicemente perché i carboidrati animali sono abbastanza rari. Poiché le proteine sono utilizzate principalmente come componenti strutturali nel metabolismo e vengono degradate per ricavarne energia solo quando i carboidrati e i grassi non possono più essere metabolizzati, ci aspettiamo che questi animali preferiscano i grassi (anche se noi umani preferiremmo mangiare una bistecca piuttosto che un pezzo di lardo di maiale). Infine, più il cibo si trova nelle loro vicinanze e più velocemente lo troveranno, non con gli occhi (che sono inutili in completa oscurità), ma con il loro olfatto.

Ipotesi 1: Ci aspettiamo che gli animali delle fonti idrotermali preferiscano la carne rispetto ai vegetali.

Ipotesi 2: Ci aspettiamo che questi animali preferiscano grassi, seguiti da proteine e infine carboidrati.

Ipotesi 3: Ci aspettiamo che questi animali troveranno il cibo più velocemente se posizionato nelle vicinanze.

Materiali e Metodi: Usiamo due griglie da forno per posizionarci su ciascuna tre prodotti animali e tre prodotti vegetali assicurati con dei cavi di ancoraggio. Su ciascuno spigolo della griglia vengono montati pesi di piombo di 0,5 Kg. Dopodiché usiamo un coperchio per secchielli contrassegnato (già preparato a Vienna). Il coperchio è legato con delle corde prima di posizionare il tutto. Le griglie da forno, corde, pesi e coperchi saranno spediti da Vienna alla Costa Rica.

Le seguenti pietanze saranno portate a Puntarenas, Costa Rica prima dell’imbarco sulla nave e riposte in un frigorifero fino al loro posizionamento sul fondale marino: Cotenna di maiale (grasso), carne magra muscolare (proteine), fegato (carboidrati), grasso vegetale di cocco o noci brasiliane (grasso), lenticchie o fagioli (proteina), patate (carboidrati).

Prima di posizionarli nel cratere del vulcano a una profondità di 2500 m, le due griglie con il cibo verranno assicurate sulla piattaforma del ROV SuBastian. Una griglia sarà posizionata in una zona idrotermale ricca di animali, l’altra sul basalto nudo a pochi metri di distanza. Il tutto verrà filmato e fotografato. Il piano consiste nel visitare questo sito dopo alcune ore e nei giorni successivi. La fine dell’esperimento dipenderà da 1) la velocità con cui gli animali trovano e consumano il cibo 2) la frequenza con cui sarà possibile visitare la zona. Infine, gli scienziati useranno un campionatore multicamera ad aspirazione montato sul ROV per campionare separatamente tutti gli animali che si trovano sulle varie pietanze. Nel laboratorio sulla nave gli animali verranno fissati in etanolo e spediti a Vienna per essere contati e identificati dagli studenti della classe 5A.

A presto

Scuola elementare Ciril Kosmač Piran (studenti di 7 – 8 anni, docente Vika Kuštrin) Piran, Slovenia in collaborazione con la stazione di Biologia Marina di Piran, l’Istituto nazionale di Biologia e le loro attività IOC UNESCO

Fagioli magici nei mari profondi

In una famosa fiaba dei fagioli magici crescono in una pianta gigantesca che arriva fino alle nuvole (Jack e il fagiolo magico). Scopriamo se i nostri fagioli faranno lo stesso in fondo all’oceano.

Contesto:

Sappiamo che i fagioli impiegano circa una settimana per germogliare. Si possono mettere direttamente nel suolo o anche tra due strati di carta inumidita. Dopodiché germoglieranno, ma solo se la temperatura è adeguatamente calda; quindi I semi non dovrebbero germogliare al freddo.

Il 16 marzo del 2011, la nave MS Oliva si arenò sull’isola di Nightingale nell’Oceano Atlantico. Pochi giorni dopo il salvataggio di tutto l’equipaggio, la nave si frantumò. Il carico era composto da 60.000 tonnellate di fagioli di soia. Molto carburante venne riversato nell’oceano, creando seri danni ambientali. Anche i fagioli vennero riversati nell’oceano, ma il loro destino non è stato documentato. Dopo sei mesi dei sommozzatori trovarono fagioli in decomposizione in alcune aree del relitto.

Non sappiamo se i fagioli sono in grado di germogliare nell’acqua salata, né se possono germogliare ad alte pressioni sul fondo dell’oceano.

Ipotesi: i fagioli non germoglieranno nelle acque fredde sul fondale dell’oceano, ma germoglieranno in acque tiepide idrotermali.

Materiali e Metodi: Riporremo dei fagioli in mezzo ad alcuni strati di carta all’interno di sacchetti di calzamaglia. Per posizionarli sott’acqua con il ROV legheremo a questi sacchetti un peso di piombo per sommozzatori con una corda, e per ritrovare ciascun sacchetto ci legheremo il coperchio di plastica di un secchiello con una seconda corda. Due di questi sacchetti saranno posizionati rispettivamente a contatto con acqua tiepida idrotermale e in una zona fredda. Lasceremo i sacchetti in fondo all’oceano per circa 10 giorni. Come controllo metteremo altri fagioli tra degli strati di carta, inumidita con acqua salata o acqua dolce, e li lasceremo al caldo nel laboratorio. Un altro gruppo di fagioli verrà messo invece nel frigorifero.

Chissà cosa accadrà a questi fagioli nelle profondità dell’oceano rispetto ai fagioli nel laboratorio.

A presto

Scuola elementare Barbaraschool (studenti di 10 – 11 anni, maestra Isabel Spruijt) Bunnik, Paesi Bassi in collaborazione con il Royal Netherlands Institute for Marine Research (NIOZ) 

Parte I: Sotto Pressione!

Contesto:

Il nostro corpo si è adattato alla pressione atmosferica Terrestre, cioè 1 bar quando ci troviamo al livello del mare. Potreste aver notato un cambiamento di questa pressione quando, seduti in un aereo, avete percepito un “plop” nelle vostre orecchie poiché la pressione dell’aria nel vostro orecchio interno diminuisce durante la salita di quota. Quando vi tuffate in una piscina e nuotate fino a toccare il fondo, la pressione aumenta con la profondità, e lo potete percepire in questo caso perché le vostre orecchie potrebbero iniziare a far male mentre l’acqua spinge contro l’orecchio interno.

Nel mare, la pressione aumenta di 1 bar ogni 10 metri, il che è molto, poiché l’acqua è decisamente più pesante dell’aria. Gli animali che vivono in fondo al mare si sono adattati a questa pressione enorme. Quando facciamo i nostri esperimenti in fondo al mare con sommergibili o robot, i materiali di cui sono fatti devono essere abbastanza forti da resistere alla pressione dell’acqua. Ma quanto forti sono questi materiali? Cosa succede ai materiali “di tutti i giorni” quando sono portati nelle profondità dell’oceano?

Ipotesi: i materiali che contengono aria vengono distrutti quando la pressione dell’acqua li compatta. Materiali solidi al contrario rimangono intatti perché non possono essere compressi dalla pressione dell’acqua.

Materiali e Metodi: Abbiamo pensato a materiali comuni per capire cosa gli accada sotto pressione. I materiali che vogliamo testare sono: un palloncino pieno di aria, una pallina da pingpong, un uovo fresco, un uovo sodo, della pasta, degli orsetti di gomma e marshmallow.

Vogliamo montare questi materiali a bordo della piattaforma del ROV e filmarli con una videocamera mentre il ROV si immerge fino a 2500 metri di profondità. Vediamo cosa succede!

Parte II: Cucinare nelle profondità marine

Contesto: I fluidi delle fonti idrotermali possono raggiungere temperature molto alte, specialmente ai black smoker, dove possiamo misurare più di 300 gradi Celsius.

Ipotesi: Si possono cucinare le uova fresche, la pasta e i marshmallow nei fluidi bollenti idrotermali.

Materiali e Metodi: Nel primo esperimento vogliamo scoprire se un uovo fresco, i marshmallow e la pasta possono resistere questa pressione elevata. Se sì, metteremo il cibo in una maglia metallica montata su una maniglia di acciaio. I manipolatori del ROV, grazie a questa maniglia, terranno questa maglia e i cibi in essa contenuti per 10 minuti a contatto con i fluidi bollenti delle fonti idrotermali. A bordo della nave, poi, apriremo l’uovo e proveremo i marshmallow e la pasta per capire se sono cotti. Buon appetito!

Il lievito vede il mare profondo (di una scorsa spedizione)

Conoscenze di base: conosciamo il lievito perché lo utilizziamo per fare il pane, la birra e il vino da migliaia di anni. Tuttavia, la scoperta che il lievito è composto da organismi viventi è stata fatta da Louis Pasteur (1822-1895) nel suo libro “Études sur la bière“ (Studi sulla birra). I lieviti sono funghi unicellulari, che possono arrivare a 10 micron di grandezza (un decimo di millimetro). Poichè i lieviti sono eterotrofi, consumano materia organica (zuccheri, proteine, grassi) prodotta da altri esseri viventi. Utilizzano l’ossigeno per scindere lo zucchero in acqua e diossido di carbonio e utilizzano l’energia rilasciata per il loro metabolismo. Se non c’è ossigeno, il lievito può sopravvivere almeno per un po‘ e con meno divisioni cellulari. Poi, il lievito scinde lo zucchero in alcol etilico (al posto dell’acqua) e diossido di carbonio, rilasciando meno energia. Questo processo prende il nome di fermentazione. Utilizziamo il diossido di carbonio, ad esempio, per far lievitare l’impasto del pane o per areare alcune bevande. Il lievito in sé ci fornisce la vitamina B. Estratti di lievito sono utilizzati come insaporitori per il cibo. Nelle biotecnologie gli estratti sterili di lievito sono usati come terreno di coltura per altri tipi di funghi o batteri. Il lievito si riproduce o per mitosi (asessuata) o producendo spore (sessuata).

Ipotesi: il lievito può sopravvivere nelle profondità marine, almeno per qualche ora.

Materiali e Metodi: abbiamo messo dell’impasto per pane contenente lievito in un contenitore montato all’esterno del sommergibile. L’immersione è durata 8 ore, e il lievito si è trovato ad una profondità di 2500 metri per 5 ore. Dopo l’immersione, il cambusiere di bordo ha fatto il pane con l’impasto per vedere se il lievito fosse stato in grado di sopravvivere alla pressione e al freddo delle profondità marine.

Risultato: il cambusiere ha prelevato l’impasto e ci ha aggiunto immediatamente la farina per farci il pane. Tutti noi l’abbiamo assaggiato e abbiamo scoperto che non era areato e soffice come un normale pane, tuttavia il sapore era lo stesso.

Conclusione: Il lievito non muore a causa di alta pressione, oscurità o basse temperature, almeno non entro 5 ore. Inoltre, l’acqua salata non danneggia il lievito.

Abbiamo imparato che le buste di plastica non sono adatte come imballaggio in profondità, perché si rompono. In aggiunta, l’impasto si è gonfiato durante il viaggio subacqueo, probabilmente in più occasioni. Il cambusiere ci ha detto che ciò non è ottimale per un impasto. L’impasto era relativamente piccolo quando lo abbiamo preso dal frigo. La temperatura esterna era già 25°C di primo mattino, mentre l’acqua in superficie aveva una temperature di 28°C. La temperatura diminuisce continuamente durante la discesa, ma il lievito ha avuto abbastanza tempo per attivarsi mentre la busta veniva fissata ad Alvin, durante la discesa e l’ascesa del sommergibile e durante il prelievo alla fine dell’immersione.

L'esperimento della schiuma di stirolo (di una scorsa spedizione)

Conoscenze di base: la schiuma di stirolo è un materiale sintetico, lanciato sul mercato dalla compagnia tedesca BASF fin dal 1951. Il materiale di partenza è costituito da piccole perle di polistirolo, ottenuto da petrolio grezzo attraverso un processo molto complicato. Le perle creano una schiuma con l’aiuto di un agente schiumogeno e calore, e vengono trasformate in piccoli pellet. Questi pellet vengono plasmati in qualsiasi forma immaginabile grazie a calore e pressione. La schiuma finale è costituita per il 98% da aria. È utilizzato come materiale da imballaggio e isolante. Molti oggetti quotidiani sono costituiti da schiuma di stirolo, come ad esempio decorazioni e bicchieri per i compleanni.

Ipotesi: I bicchieri di schiuma di stirolo cambiano dimensione sotto pressione.

Materiali e Metodi: Per scoprire cosa accada ai bicchieri di schiuma di stirolo sotto pressione abbiamo portato alcuni di questi bicchieri con noi in profondità. Per fargli mantenere la loro forma, li abbiamo riempiti con dei tovaglioli di carta. Il pilota del sommergibile ne ha fissato uno nel contenitore di Alvin e lo ha inquadrato con una telecamera prima dell’immersione.

Risultati e Conclusioni: I bicchierini di stirolo si sono rimpiccioliti notevolmente sotto pressione. Questo è avvenuto perché l’aria è stata compressa durante la discesa del sommergibile. Importante notare che liquidi e solidi non si comprimono sotto pressione, mentre i gas hanno un comportamento diverso.