Wetenschap in de diepzee

Ontwikkeld door schoolkinderen en uitgevoerd door wetenschappers tijdens een expeditie

Het doel van een wetenschappelijk experiment is antwoorden te vinden op specifieke vragen. Vaak duurt een experiment lang, is het zeer ingewikkeld en duur. Hier zijn enkele van de experimenten die wij tijdens vorige expedities hebben uitgevoerd, en nieuwe experimenten die tijdens deze SOI-cruise in 2023 worden uitgevoerd.

Groep 5A (leerlingen van 14 - 15 jaar, docent Ulrike Randl-Gadora), AHS gymnasium Rahlgasse, Wenen, Oostenrijk

Dieren bij hete bronnen - Vleeseters of bladliefhebbers?

Achtergrond: De dieren die bij de hete bronnen van “ons” vulkaan leven, zijn goed bekend. Ongeveer 50 soorten borstelwormen (Phylum Annelida, familie Polychaeta), slakken (Phylum Mollusca, familie Gastropoda), een paar mosselen en kokkels (Phylum Mollusca, familie Bivalvia) en een paar kreeftachtigen (Phylum Arthropoda, familie Crustacea) worden beschreven in Desbruyeres D., Segonzac M., Bright M. 2006. Handbook of Deep-Sea Hydrothermal Vent Fauna. 2nd edition. Denisia 18, Landesmuseum Linz, Oostenrijk pp. 554. Het dieet van de dieren bij de hete bronnen is gebaseerd op chemosynthese. Sommige dieren grazen over de oppervlakken om zich te voeden met deze chemosynthetische bacteriën, andere filteren en het water en verzamelen zo de bacteriën uit het water. Er zijn veel roofdieren die andere dieren eten en ook aaseters die zich voeden met dode dieren. Anderen zijn blijkbaar niet kieskeurig en voeden zich met dode en levende dieren. Vanwege het gebrek aan licht in de diepzee leven er echter geen planten in de diepzee. Daarom verwachten we dat dieren eerder carnivoren dan vegetariërs zijn, omdat dit het voedsel is dat ze kennen. Verder denken we dat dieren vet en eiwitten kiezen boven koolhydraten, simpelweg omdat dierlijke koolhydraten vrij zeldzaam zijn. Aangezien eiwitten voornamelijk worden gebruikt als bouwstenen in de stofwisseling en pas worden afgebroken als energievoorraad wanneer koolhydraten en vet niet meer kunnen worden gemetaboliseerd, nemen we aan dat dieren ook de voorkeur geven aan vet (zelfs als wij mensen liever een biefstuk eten dan een stuk varkensvet). Uiteindelijk zullen ze het voedsel sneller vinden naarmate het dichterbij is, niet met hun ogen (die zijn nutteloos in het donker) maar door te ruiken.

Hypothese 1: We veronderstellen dat dieren bij hete bronnen vlees verkiezen boven planten.

Hypothese 2: We veronderstellen dat dieren bij hete bronnen vetten kiezen boven eiwitten en boven koolhydraten.

Hypothese 3: We veronderstellen dat dieren bij hete bronnen sneller voedsel zullen vinden naarmate het dichterbij is.

Materiaal en methoden: We gebruiken twee ovenroosters en plaatsen op elk rooster drie dierlijke en drie plantaardige producten en zetten ze vast met kabelbinders. Op elke hoek van het ovenrooster wordt een loden gewicht van 0,5 kg gemonteerd. Verder gebruiken we een gelabeld plastic emmerdeksel (al voorbereid in Wenen), dat met touwen aan de ovenroosters gebonden wordt. Ovenrooster, lood, touw en emmerdeksels worden van Wenen naar Costa Rica verscheept.

De volgende voedingsmiddelen worden in Puntarenas, Costa Rica, gekocht, en aan boord in een koelkast bewaard: Dierlijk varkenszwoerd (vet), spiervlees (eiwit), lever (koolhydraten), plantaardig kokosvet of paranoten (vet), linzen of bonen (eiwit), aardappel (koolhydraten).

Voorafgaand aan de inzet op 2500 m diepte worden de twee ovenroosters met voedsel vastgezet op het platform van de ROV SuBastian. Een rooster wordt uitgezet in een gebied met veel dieren, het andere op een kaal plek een paar meter verderop. Het uitzetten wordt gefilmd en er worden foto's gemaakt. Het plan is om deze locatie een paar uur na het uitzetten te bezoeken en gedurende de volgende dagen. Het einde van de experimenten hangt af van 1) hoe snel de dieren het voedsel vinden en opeten en 2) hoe vaak het mogelijk zal zijn om deze plek met de ROV te bezoeken. Aan het einde zullen de wetenschappers de armen van de ROV gebruiken om alle dieren op elk voedselitem apart te verzamelen. In het laboratorium aan boord van het schip worden de dieren gefixeerd in ethanol en teruggestuurd naar Wenen voor het tellen van de dieren en de identificatie van diersoorten door de leerlingen van klas 5A.

Blijf op de hoogte

Basisschool Ciril Kosmač Piran (7 - 8 jaar oude leerlingen, juf Vika Kuštrin) Piran, Slovenië in samenwerking met Marine Biology Station Piran, Nationaal Instituut voor Biologie en hun IOC UNESCO activiteiten

Magische bonen in de diepzee

In het beroemde sprookje groeien toverbonen uit tot een enorme bonenstaak die tot in de wolken reikt (Jack and the Beanstalk). Laten we eens kijken of onze bonen hetzelfde doen op de bodem van de oceaan.

Achtergrond: We weten dat het ontkiemen van bonenzaadjes ongeveer een week duurt. Je kunt ze direct in de grond stoppen, maar je kunt ze ook tussen lagen papier stoppen en het papier vochtig maken. Dan zullen ze ontkiemen, maar alleen bij warme temperatuur. De zaden ontkiemen niet als het te koud is.

Op 16 maart 2011 liep het schip MS Oliva vast op Nightingale Island in de Atlantische Oceaan. Nadat alle bemanningsleden waren gered, brak het schip. De lading van het schip bestond uit 60.000 ton sojabonen. Er lekte veel olie in de oceaan, wat ernstige milieuschade veroorzaakte. Er werden ook bonen in de oceaan geloosd, maar wat daarmee gebeurde werd niet verder beschreven.

Het is onbekend of bonen kunnen ontkiemen in zeewater. We weten ook niet of ze ontkiemen onder hoge druk in de diepzee.

Hypothese: Bonen ontkiemen niet in koud diepzeewater, maar wel in warm diepzeewater

Materiaal en methodes: We stoppen bonen tussen lagen papier en plaatsen ze in zakken. Voor het uitzeten met de ROV monteren we een duikerslood aan deze zak met een touw, en om de zak te vinden monteren we een deksel van een plastic emmer aan een tweede touw. Twee van deze zakken zullen worden uitgezet, één in warm water en één in een koud water. We laten de zakken ongeveer 10 dagen in de diepzee. Als controle zullen we ook bonen tussen lagen papier leggen, ze bevochtigen met zeewater of met zoet water en ze op warme temperatuur in het lab laten. Een andere set leggen we in de koelkast.

Laten we eens kijken wat er gebeurt met de bonen in de diepzee en ze vergelijken met de bonen in het lab.

Blijf op de hoogte

Basisschool Barbaraschool (10 - 11-jarige leerlingen, docent Isabel Spruijt) Bunnik, Nederland in samenwerking met het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ) 

Deel I: Onder druk!

Achtergrond:

Ons lichaam is aangepast aan de atmosferische druk op aarde die 1 bar is op zeeniveau. Je hebt misschien wel eens een verandering van deze druk ervaren als je in een vliegtuig zit en een "plop" in je oren voelt omdat de druk van de lucht op je binnenste afneemt als een vliegtuig stijgt. Als je in een zwembad springt en naar de bodem van het zwembad duikt, neemt de druk toe met de waterdiepte en kun je dit ook voelen omdat je oren pijn gaan doen als het water tegen je binnenoor drukt.

In de zee neemt de druk elke 10 meter met 1 bar toe, wat veel is omdat het water veel zwaarder is dan de lucht. Dieren die in de diepzee leven, zijn aangepast aan deze enorme druk. Wanneer we onze wetenschappelijke experimenten in de diepzee uitvoeren met duikboten of robots, moeten de materialen sterk genoeg zijn om de druk van het water te weerstaan. Maar hoe sterk zijn de materialen? Wat gebeurt er met materialen uit het "dagelijks leven" wanneer ze worden blootgesteld aan de diepten van onze oceaan?

Hypothese: Materialen die gevuld zijn met lucht worden vernietigd als de waterdruk ze samenperst. Vaste materialen blijven intact omdat ze niet worden samengedrukt door de waterdruk.

Materiaal en methoden: We hebben nagedacht over materialen uit het dagelijks leven waarvan we willen weten wat ermee gebeurt onder waterdruk. De materialen die we willen testen zijn: een met lucht gevulde ballon, een pingpongbal, een rauw ei, een gekookt ei, pasta, eetbare gummibeertjes en marshmallows.

We willen deze materialen op het ROV-platform monteren en filmen met de camera van de ROV terwijl deze afdaalt naar 2500 meter waterdiepte. Laten we eens kijken wat er gebeurt!

Deel II: Koken in de diepzee

Achtergrond: De vloeistoffen van de hydrothermale bronnen kunnen zeer hoge temperaturen bereiken, vooral bij de zwarte schoorstenen, waar temperaturen van meer dan 300 graden Celsius kunnen worden gemeten.

Hypothese: Je kunt een ei of pasta of marshmallow koken in de hete vloeistoffen van de hydrothermale bronnen.

Materiaal en methoden: In het eerste experiment willen we uitzoeken of een ongekookt ei, marshmallows en pasta bestand zijn tegen de grote druk. Zo ja, dan plaatsen we het voedsel in een stalen gaas dat is gemonteerd op een stalen handvat. De ROV-manipulator houdt dan de stalen handgreep vast met het daaraan bevestigde stalen gaas met het voedsel erin dat gedurende 10 minuten in de hete vloeistoffen wordt gekookt. Terug aan boord van het schip openen we het ei en proeven we of de marshmallow en pasta goed gaar zijn. Aan tafel!

Gist in de diepzee (van een vorige expeditie)

Achtergrond: We kennen gist omdat we het gebruiken om brood te bakken, bier te brouwen en wijn te maken en dat al een paar duizend jaar. Maar dat gisten levende organismen zijn, werd voor het eerst beschreven door Louis Pasteur (1822-1895) in zijn boek "Études sur la bière" (Studies over het bier). Gisten zijn eencellige schimmels, die groeien tot een grootte van 10 micrometer (een tiende deel van een millimeter). Gisten zijn heterotroof, wat betekent dat zij organisch materiaal eten (suiker, eiwit, vet) dat door andere wezens wordt geproduceerd. Zij gebruiken zuurstof om suiker af te breken tot water en koolstofdioxide en gebruiken de vrijgekomen energie voor hun stofwisseling. Als er geen zuurstof in de buurt is, kunnen gisten tenminste enige tijd leven en met minder celdeling. Vervolgens zetten de gisten de suiker om in het minder energierijke ethylalcohol (in plaats van water) en koolstofdioxide. Dit heet gisting. Het koolzuurgas gebruiken we bijvoorbeeld om brooddeeg te laten rijzen of om drank te beluchten. De gist zelf voorziet ons van vitamine B. Gistextracten worden gebruikt als smaakversterker in voedsel. In de biotechnologie worden steriele gistextracten gebruikt als voedingsbodem voor andere soorten schimmels of bacteriën. Gisten planten zich voort door knopvorming en celdeling (aseksueel) of ze produceren sporen (seksueel).

Hypothese: Wij veronderstelden dat gist zal overleven in de diepzee, tenminste voor enkele uren.

Materiaal en methoden: We deden brooddeeg met levende gist in een container en monteerden deze buiten de duikboot. De duik duurde 8 uur, de gist was 5 uur in een diepte van 2500 meter. Na de duik maakte de scheepskok brood van het deeg om te zien of er brood van gemaakt kon worden, waaruit bleek dat de gist de druk en de koude omstandigheden in de diepzee overleefde.

Resultaten: De kok nam het deeg dat we teruggevonden hadden en voegde er meteen bloem aan toe om er brood van te maken. We proefden het allemaal en vonden dat het niet zo luchtig is als normaal brood, maar het smaakte wel naar brood.

Conclusie: Gist gaat niet dood door de hoge druk of duisternis of lage temperaturen. Tenminste niet binnen 5 uur. Bovendien is het zoute zeewater niet schadelijk voor de gist.

We hebben geleerd dat plastic zakken niet geschikt zijn als verpakking in de diepzee, omdat ze breken. Bovendien steeg het deeg tijdens de reis naar de diepte. Waarschijnlijk zelfs meerdere keren en dat is altijd slecht voor het deeg, zoals de kok ons vertelde. Het deeg was relatief klein toen we het uit de koelkast haalden. De buitentemperatuur was in de vroege ochtend al 25°C. De watertemperatuur aan de oppervlakte was 28°C. Deze temperatuur neemt voortdurend af met toenemende diepte, maar de gist had voldoende tijd om actief te worden toen de zak aan Alvin werd bevestigd, tijdens de afdaling en het opstijgen van de duikboot.

Het piepschuim experiment (van een vorige expeditie)

Achtergrond: Piepschuim is een synthetisch materiaal dat reeds in 1951 door het Duitse bedrijf BASK op de markt werd gebracht. Het basismateriaal zijn kleine parels van Polystyrol, die via een zeer ingewikkelde procedure uit ruwe olie worden gemaakt. De parels worden opgeschuimd met behulp van een schuimmiddel en warmte en worden omgezet in kleine korrels. Deze korrels kunnen met hitte en druk in bijna elke vorm worden geperst. Het eindproduct piepschuim bestaat voor 98% uit lucht. Het is zeer geschikt als verpakkings- en isolatiemateriaal. Veel voorwerpen uit het dagelijks leven worden van piepschuim gemaakt. Bijvoorbeeld decoraties en feestbekers.

Hypothese: We hadden de hypothese dat piepschuim bekers onder druk veranderen.

Materiaal en Methodes: Om uit te zoeken wat er gebeurt met piepschuim bekers onder druk hebben we een aantal van deze bekers meegenomen de diepte in. Om hun vorm te behouden, vulden we ze strak op met papieren doeken. De piloot van de duikboot bevestigde een van de bekers op de mand van Alvin en richtte er een camera op.

Resultaten en conclusie: De piepschuimen bekers werden aanzienlijk kleiner onder hoge druk. Dit kwam doordat de lucht onder druk werd samengeperst tijdens de afdaling van de duikboot. Merk op dat vloeistoffen en vaste stoffen niet samengedrukt worden bij druk, terwijl gassen anders reageren.