Naturvidenskabelig ekskursion med Aarhus Universitet Tema: salt og bunddyr Biologi kemi
Indhold Program for naturvidenskabelig ekskursion med Aarhus Universitet.... 3 Holdinddeling... 3 Kemisk Institut: Krystallinske stoffer og pulverdiffraktion... 4 Marin Økologi: Bunddyrs respons på forskellige saltkoncentrationer... 7 Skibsmålinger... 9 Trekantsskrab... 9 Måling af vandets saltholdighed...9 Referencer... 10
Program for naturvidenskabelig ekskursion med Aarhus Universitet. Deltagerne deles i tre hold, som fordeles på de tre steder: Sejlads med miljøskibet Tyra, laboratoriet på Kemisk Institut og laboratoriet på Marin Økologi. Hold 1 9:00 10:30 Velkomst og intro til Kemisk Institut Bestemmelse af saltes krystalstruktur og bindingslængder ved pulverdiffraktion 11:00 13:00 Tur på bugten med miljøskibet Tyra Salinitetsbestemmelse med optisk måling og CTD Trekantsskrab og undersøgelse af artsrigdommen på bunden 13:30 15:00 Velkomst og intro til Biologisk Institut Bunddyrs respons til ændrede saltkoncentrationer. Hold 2 9:00 11:00 Tur på bugten med miljøskibet Tyra Salinitetsbestemmelse med optisk måling og CTD Trekantsskrab og undersøgelse af artsrigdommen på bunden 11:30 13.00 Velkomst og intro til Biologisk Institut Bunddyrs respons til ændrede saltkoncentrationer. 13.30 15:00 Velkomst og intro til Kemisk Institut Bestemmelse af saltes krystalstruktur og bindingslængder ved pulverdiffraktion Hold 3 9:00 10.30 Velkomst og intro til Biologisk Institut Bunddyrs respons til ændrede saltkoncentrationer 11:00 12:30 Velkomst og intro til Kemisk Institut Bestemmelse af saltes krystalstruktur og bindingslængder ved pulverdiffraktion 13:00 15:00 Tur på bugten med miljøskibet Tyra. Salinitetsbestemmelse med optisk måling og CTD Trekantsskrab og undersøgelse af artsrigdommen på bunden 15:00 Afsked og afgang fra Fiskerihavnen Holdinddeling Hold 1 2 3 Elever og lærer 3
Kemisk Institut: Krystallinske stoffer og pulverdiffraktion Baggrund I tør, fast form er salte krystallinske, dvs. forbindelser hvori ionerne sidder i et velordnet gitter med langtrækkende orden. Som eksempel ses NaCls krystalstruktur i figur 1, hvor de gule sfærer repræsenterer Na + og de blå Cl. Den symmetri der er i den indre struktur af krystallerne afspejler sig ofte i den måde som krystallerne ser ud på. Det er derfor, at NaCl krystaller er firkantede med klare flader og facetter, som det ses i figur 1b. Figur 1: a) NaCl strukturen b) NaCl krystaller Man kan bruge røntgendiffraktion til at finde ud af hvordan atomerne og ionerne præcist sidder inde i krystallerne. Røntgenstråling er, ligesom synligt lys, elektromagnetisk stråling, hvilket vil sige, at røntgenstrålingen kan opfattes som bølger. En sådan bølge kan beskrives ved 2 parametre: Bølgelængden λ og amplituden y. Disse er vist i figur 2: Figur 2: Beskrivelse af en bølge 4
Røntgenstråling har bølgelængder omkring 0.1 nm, hvilket er i samme størrelsesorden som afstanden mellem atomerne i et krystalgitter. Det er derfor vi kan bruge røntgenstråling til at se atomerne og ionerne i krystallen. Når røntgenstråling møder et atom eller en ion bliver strålingen spredt af elektronskyen. I figur 1a kan det ses, at atomerne eller ionerne i en krystallinsk struktur sidder i sæt af parallelle planer. Der vil være flere mange sæt af planer med forskellige orienteringer i en krystal. Spredningen af røntgenstrålingen fra disse planer sker ligesom en spejling, hvilket vil sige, at indgangsvinkel er lig udgangsvinkel. I figur 3 ser vi på et sæt af parallelle planer, hvor vi sender røntgenstråling ind. Afstanden mellem planerne kaldes d. En smule af strålen vil blive reflekteret fra det første plan, mens en del af den vil gå igennem og blive reflekteret fra de efterfølgende plan. I figuren ses det, at den bølge der reflekteres fra det 2. plan skal rejse længere end det der reflekteres fra det 1. plan. Denne ekstra afstand svarer, ud fra simpel trigonometri, til 2*d*sin(Θ), hvor d er afstanden mellem planerne, og Θ er vinklen som strålingen rammer planerne med. Figur 3: Røntgenstråling og planer af atomer Hvis man skal kunne detektere, dvs. se den røntgenstråling der kommer ud, så skal der være konstruktiv interferens, dvs. de to bølger vi ser i figuren skal have bølgetop og bølgedal samme sted dette kaldes også, at bølgerne er i fase. For at dette er opfyldt, skal den ekstra vejlænge som den 2. bølge skal rejse, svare til et helt antal bølgelænger. Vi kan derfor opskrive følgende udtryk: 2*d*sin(Θ)=n*λ Denne formel hedder Braggs lov. Det er kun når denne betingelse er opfyldt, dvs. når man har den rigtige kombination af d, Θ, n og λ, at der kommer konstruktiv interferens, og man vil se et signal. I praksis kan n altid sættes til 1. Det er vigtigt at lægge mærke til at d, dvs. afstanden mellem planerne, indgår i formlen. Denne er afhængig af krystalstrukturen, og det er derfor, at man kan bruge røntgendiffraktion til at finde ud af hvordan atomerne og ionerne sidder i krystallen. I et typisk diffraktionseksperiment holdes λ fast, mens Θ varieres. Ved så at se ved hvilken Θ der er konstruktiv interferens, kan man bruge Braggs lov til at finde ud af hvilen d, dette svarer til, og dermed få information om hvilke planer der er i strukturen. Under besøget på Kemisk Institut skal der laves pulverdiffraktion på nogle saltprøver. Dette er en teknik hvor man måler på en prøve af mange små krystaller et pulver. I pulveret ligger de små krystaller med alle 5
orienteringer. Røntgenstråling sendes ind på prøven og rammer krystallerne. Idet alle forskellige orienteringer findes i prøven, så vil der altid være nogle krystaller, hvori planerne danner Θ med den indkomne stråle. Dette er illustreret i figur xx, hvor et sæt planer er markeret med rødt. Indgående stråle Udgående stråle Figur 4: Princippet i pulverdiffraktion Ved at måle det udkomne signal ved alle udgangsvinkler Θ fås et pulverdiffraktogram, målt på en prøve af KCl. Et eksempel på et sådan ses i figur 5. Figur 5 Langs x aksen ses Θ aksen, mens y aksen viser intensiteten. Ved nogle Θ værdier ses en top; og det er netop her der er konstruktiv interferens. Hver er toppene repræsenterer derfor et sæt planer. Disse Θ værdier kan derfor omregnes til d værdier ved hjælp af Braggs lov, og information om strukturen, f.eks. bindingslænger kan opnås ved at analysere resultaterne. Man kan også bruge pulverdiffraktion til at finde ud af hvilke krystallinske stoffer en ukendt prøve indeholder. Et pulverdiffraktogram er nemlig en form for fingeraftryk for et krystallinsk stof. Ved at sammenligne det diffraktogram man optager for den ukendte prøve og sammenligne med diffraktogrammer fra en database kan man derfor finde ud af hvilke stoffer der er i prøven. 6
Marin Økologi: Bunddyrs respons på forskellige saltkoncentrationer Baggrund I havområder har vandet typisk et saltindhold på over 30, men flere steder medvirker afstrømning fra land med ferskvand, at saltindholdet falder, og vandet bliver brak. Dette er f.eks. tilfældet i Østersøen. I Århus Bugt mødes brakvand fra Østersøen med saltvand fra Kattegat. Variationer i koncentrationen af salt i vandet fra Skagerrak over Østersøen og helt op til Botniske Bugt kan ses af figuren. Figur fra Paludan Müller, 2002. Marine dyr skal kunne klare den udtørrende effekt af saltet. Saltet i vandet er derfor en abiotisk vækstfaktor, og koncentrationen i det aktuelle levested kan være afgørende for dyrenes vækst og udbredelse. Er dyrene isosmotiske har de den samme saltkoncentration i kroppens væsker, som det omgivende vand har. Mange dyr har dog, som deres terrestriske forfædre, kropsvæsker med lave osmotiske potentialer, hvorved havet kan være udtørrende for dem. Disse dyr med kropsvæsker, der er fortyndede i forhold til det omgivende miljø, kaldes hyposmotiske. De hyposmotiske dyr har typisk tilpasset sig med en overflade, hvor vanddiffusionen er mindsket. Desuden findes forskellige andre tilpasninger, f.eks. saltkirtler hos fugle. Reguleringen af kropsvæskens saltkoncentration er energikrævende, da der foregår aktiv transport af salte. Dyr inddeles i to grupper på baggrund af deres respons til ændrede saltkoncentrationer. Holder dyret kropsvæsken med en fast saltkoncentration trods ændringer i miljøets saltholdighed kaldes det en osmoregulator. Har dyret derimod samme saltkoncentration i deres kropsvæske som i miljøet, er det osmokonformer. Princippet i inddelingen af dyr i de to grupper er illustreret i figuren nedenfor. For nogle osmoregulatoriske arter gælder dog, at de kun kan regulere inden for et mindre område af forskelle i saltkoncentrationer. 7
Redigeret figur fra Hill og Wyse, 1989. Den stiplede linje viser den isosmotiske situation, hvor saltkoncentrationen i kropsvæsken er den samme som i miljøet. Mange af arterne, som er osmokonformere, er tilpassede til at leve i saltvand over 30 og har nedsat udbredelse i områder med brakvand. Århus Bugt har for det meste havvand med høj saltholdighed nærmest bunden, mens det lette brakvandet fra Østersøen lægger sig ovenpå det kolde tunge Kattegat vand. I tilfælde af kraftig østenvind kan det brakke vand dog fortrænge saltvandet, hvilket kan have konsekvenser for udbredelsen af visse osmokonformere. Arternes salttolerance er dog også påvirket af f.eks. temperatur, og hvor hurtigt saltændringerne sker. Desuden er interaktionerne mellem arterne (biotiske vækstfaktorer) også afgørende, hvis f.eks. et byttedyr er afhængig af at leve ved bestemte saltkoncentrationer. Opgave på gymnasiet inden ekskursionen Ud fra princippet i kartoffelosmoseforsøget skal i opstille et eksperiment, som kan undersøge, hvordan nogle udvalgte bunddyr reagerer på forskellige saltkoncentrationer. Er de osmokonformere eller er de osmoregulatorer? Angiv som sædvanligt for journalskrivning: formål, materialer, fremgangsmåde og forbered et skema til resultat. Opgave på Marin Økologi Udfør forsøget, du har skrevet vejledningen til. Du har vægte, bægerglas, vand med forskellige saltkoncentrationer og dyr til rådighed. 8
Skibsmålinger Vi sejler ud på bugten og tager prøver på et stenrev med en trekantskraber. Vi ser på dyrene og diskuterer kort deres økologi og tilpasninger til de givne livsbetingelser. Vi laver en CTD måling og måler saltholdigheden i vandet ved optisk måling. Trekantsskrab Vi skal se på biodiversiteten på havet bund. Du skal angive mindst 10 dyrearter, som vi har fundet. Både deres latinske og danske navne skal angives. Art Dansk navn Art Latinsk navn Måling af vandets saltholdighed De første sonder som blev udviklet til oceanografisk brug målte de tre centrale parametre C = konduktivitet, T = Temperatur og D = Dybde. CTD er derfor et synonym for en sonde, men de fleste moderne sonder er som regel forsynet med flere sensorer. Konduktivitet, temperatur, fluorescens, lyssvækkelse og ilt måles som profiler ned gennem vandsøjlen fra overflade til bund. Konduktivitet (ledningsevne) Saltvand indeholder ioner, som leder elektrisk strøm. Jo flere ioner i vandet desto større konduktivitet (ledningsevne). Sensoren måler konduktiviteten ved hjælp af induktion i et afgrænset hulrum i konduktivitetscellen. Konduktiviteten i sig selv anvendes ikke, men bruges sammen med temperaturen til beregning af vandets salinitet. Saliniteten angives nu om dage som et forhold mellem ledningsevnen af den aktuelle vandprøve 9
og ledningsevnen af en KCl standard. Da den således er et forholdstal, har den ingen enhed. Man kan dog se saliniteten opgivet som psu (practical salinity units) i promille. Temperatur Måles normalt med et termoelement med føler af platin indstøbt i glas. Dybde Dybdemåleren er en trykmåler. Trykket kompenseres for lufttrykket (barometerstanden). Udførelse Sonden køres langsomt ned gennem vandsøjlen mens data opsamles automatisk og lagres på computer. Der udtages vandprøver til bestemmelse af saltholdighed (3*3 liter). Resultaterne udskrives og gemmes desuden på usb enhed. Data udleveres og skal plottes derhjemme. Herefter skal du beskrive kurverne og forklare dem.) Referencer Als Egebo, L m.fl. 2007. Biologi til tiden. Nucleus. Hill, R. W. & Wyse, G. A. 1989. Animal Physiology. Harper Collins. Paludan Müller, P. 2002. Det globale miljø. Nucleus. 10