2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Diese zehn Tage verbrachte ich mit Kescher und Mikrodispenser in der Hand: Gemeinsam mit Kollegen aus den USA und Großbritannien habe ich im Rahmen eines Programms des Marine Biological Laboratory in Massachusetts Küstenökosysteme untersucht. Wie das erste naturwissenschaftliche Projekt meines Lebens aussah, abgesehen von Schulversuchen in Biologie, Physik und Chemie, erzähle (und zeige) ich in diesem Blog.
Die Hauptidee des Logan Science Journalism Program ist meiner Meinung nach Empathie. Journalisten, die ständig über Wissenschaft schreiben, aber nie lange im Labor bleiben, sehen in der Regel nur wissenschaftliche Artikel - das Ergebnis einer sehr langen Reise und kolossaler Arbeit, die hinter den Kulissen bleibt. In zehn Tagen ist es unmöglich, einen Absolventen der Wirtschaftsfakultät der Moskauer Staatlichen Universität (mich) zu einem Ökologen zu machen, aber es ist möglich, für diesen Absolventen einen ausreichend überzeugenden "Sandkasten" zu schaffen, in dem er zeigen kann, wie die wissenschaftliche Methode funktioniert. wo und wie die Ausgangsdaten genommen werden, die dann von Wissenschaftlern analysiert werden.
Das Problem, das wir untersuchen sollten, ist der menschliche Eingriff in den Stickstoffkreislauf und seine Folgen für die Küstenökosysteme. Überschüssiger Stickstoff in Form von Nitration NO3- und Ammonium NH4 + aus Abwässern und Stickstoffdüngern mit dem Grundwasser gelangt in Gewässer, wo die Stickstoffkonzentration der wichtigste limitierende Faktor der biologischen Produktivität ist. Sobald es mehr wird, „blühen“Phytoplankton und Algen in Gewässern heftig, dann sterben sie ab und entziehen dem Wasser im Zerfall Sauerstoff, was zu Hypoxie und sogar Anoxie (das Auftreten sogenannter „toter Zonen“) führt “). Küstenökosysteme – lokale Brennpunkte der biologischen Vielfalt – sind hiervon besonders betroffen.
Eines der vielen Küstenökosysteme von Cape Cod ist die Waquoit Bay. Es sieht aus wie das:
Woquoith Bay
Der zentrale Teil ist die Bucht selbst, und um sie herum gibt es Teiche und Flussmündungen mit unterschiedlicher Bevölkerungsdichte und entsprechender Verschmutzung. Für die Analyse haben wir drei Orte in der Bucht ausgewählt: die oberste Mündung des Childs River, deren Ufer ziemlich stark bebaut sind, der relativ saubere und unberührte Sage Lot-Teich und der obere Teil der Bucht als eine Art Zwischenstation. Uns interessierte die Stickstoffbelastung an diesen Orten und deren Auswirkung auf die Vielfalt der Flora und Fauna. Außerdem wurde uns eine sehr angewandte Frage gestellt, die später zu mir kam, daher werde ich Ihnen genauer darüber berichten.
Bei der Denitrifikation bauen Bakterien und Archaeen in mehreren Stufen Nitrate zu molekularem Stickstoff ab – das ist sehr praktisch, wenn man die Stickstoffbelastung im Wasser bekämpfen möchte. Sie versuchten, denitrifizierende Mikroorganismen zu zähmen und stellten sie in den Dienst der Grundwasseraufbereitung in der Waucoyte Bay mit zwei durchlässigen Barrieren aus Spänen (dies ist eine Kohlenstoffquelle für Bakterien), die in einer Tiefe von eineinhalb bis zwei Metern in der Nähe der Küste vergraben waren. Natürlich handelt es sich bisher um ein rein wissenschaftliches Projekt, um eine vielversprechende Technologie für eine effektive und relativ kostengünstige Methode zur Grundwasserreinigung zu testen: Zwei Barrieren mit einer Gesamtlänge von 32 Metern werden eine riesige Bucht nicht vor Stickstoffüberschuss retten. Die Barrieren wurden 2005 installiert, und kurz nach der Installation zeigten MBL-Spezialisten, dass sie wirklich funktionieren, dh die NO3-Konzentration in den Proben vor der Barriere ist deutlich höher als danach. Unsere Aufgabe war es, den Stand 14 Jahre später zu überprüfen.
Waquoit Bay, wo wir Proben für Studien sammeln
Ufer der Waquoit-Bucht
Das Programm ist so konzipiert, dass Journalisten die ganze Vielfalt des Forschungsprozesses schätzen - von Feldarbeit und Labor bis hin zur Datenverarbeitung und Präsentation auf einem Mini-Symposium (es sei denn, Sie müssen keinen wissenschaftlichen Artikel schreiben). Deshalb gingen wir nach einführenden Vorträgen und dem Lesen eines zentimeterdicken Bündels wissenschaftlicher Arbeiten (ich übertreibe nicht) in die Bucht.
Unsere Aufgabe scheint vor allem für sechs Erwachsene unter der Anleitung von drei Forschern nicht schwer zu sein: Es waren lediglich Grundwasserproben über und unter den Barrieren und Wasserproben aus dem Fluss und der Bucht sowie Proben von Algen und Wirbellose von unten. Tatsächlich haben wir natürlich sofort die Schlüssel zum Motorboot vergessen und uns erst auf halbem Weg zur Bucht daran erinnert.
Eine Grundwasserprobe wird wie folgt entnommen: Man steckt eine Hohlnadel ausreichend tief (in unserem Fall 50-60 Zentimeter) in den Boden und pumpt etwas Wasser mit einer kleinen Handpumpe heraus, filtert es dann und gießt es in Plastikgläser. Es klingt einfach, aber der Stift muss in den Boden getrieben werden (so einfach ist das nicht), und die Pumpe erfordert ziemlich viel Handkraft und geht ständig kaputt (und man lässt sofort einen winzigen Bolzen in den Sand am Ufer fallen). Nachdem Sie eine bestimmte Wassermenge aus dem Boden gewonnen haben, sollten Sie den Salzgehalt mit einem Refraktometer überprüfen, um sicherzustellen, dass Sie wirklich frisches Grundwasser vor sich haben. In einem Refraktometer sieht man eigentlich nichts, und in der Hälfte der Fälle vergisst man es und stellt natürlich fest, dass man Meerwasser abgepumpt hat, kurz bevor man die fertigen Proben in den Kühlschrank stellt. Aber zum Beispiel hat man Glück, und das Wasser ist frisch: Es muss mit einer Spritze durch einen Filter mit auswechselbarem Filterpapier (Wechsel nach jeder Probe) getrieben und in Gläser abgefüllt werden, nachdem Spritze, Filter und Gläser mit dem gleiches Wasser (und letztere müssen dann im Moment noch unterschreiben, ohne die Ortsbezeichnung zu verwechseln und ohne die Nummerierung zu verlieren, weil sechs Leute gleichzeitig arbeiten). Ja, ein Kühlschrank, eine Werkzeugkiste und eine zwei Meter lange Metallstange sollten von Punkt zu Punkt mitgeführt werden.
Werkzeuge zum Sammeln von Grundwasserproben
Korrespondent N + 1 macht einen Brunnen
MBL-Mitarbeiter Rich McHorney zeigt, wie man ein Refraktometer benutzt
Korrespondent N + 1 pumpt Grundwasser
Plastikflasche mit Wasser aus einer Tiefe von etwa einem halben Meter
Reinigung von Instrumenten und Filtration von Proben
Unsere drei Muster (je zwei Muster)
Wissenschaftliche Betreuer haben mir erzählt, dass es Virtuosen gibt, die alleine Proben sammeln, aber das erfordert wirklich unmenschliches handwerkliches Geschick: Selbst Wasser zu pumpen und gleichzeitig eine Plastikflasche in der Hand zu halten, fällt ihr ziemlich schwer. Also haben wir diese Woche den ersten von vielen Lifehacks gelernt, die Dudelsackpfeifer-Pose, wenn man die Flasche wie einen Dudelsack an sich drückt, während man die Pumpe mit den Händen hält. Im offenen Wasser ist es etwas einfacher, Proben zu entnehmen: Dazu genügt es, die Hand tiefer als der Ellenbogen ins Wasser zu senken und die Plastikflasche streng senkrecht mit dem Hals nach unten zu halten, damit bis zum letzten Moment Luft darin bleibt, und entfalten Sie es, indem Sie Wasser nicht von der Oberfläche selbst nehmen. Das erste Wasser wird ausgegossen, um den Behälter zu spülen, und mit der zweiten Probe wird es signiert und im Kühlschrank verpackt.
Also sammelten wir sechs in einer Piperpose, die versuchten, nicht über die Bordwand eines kleinen Bootes zu fallen, in zwei Arbeitstagen 39 Proben. Im Durchschnitt werden mehr als tausend solcher Proben für die normale qualitative Forschung gesammelt.
Neben Wasser brauchten wir Algen und Wirbellose. Für die Algen musste ich mich mit einem halbautomatischen Bodengreifer bewaffnen - Ekmans Eimer, der bei respektlosem Umgang die aufgetauchten Gliedmaßen abschneiden kann. Ekmans Eimer ist eine Metallstange mit einer Metallbox an einem Ende, deren spitze Klappen sich beim Drücken des Griffs am anderen Ende abrupt schließen. Der Bodengreifer wird bis auf den Grund abgesenkt, am Griff gequetscht und dann mehrere Kilogramm Schmutz und, möchte ich glauben, Algenproben herausgezogen. Proben, falls vorhanden, werden gründlich gewaschen, in signierte Beutel verpackt und gekühlt. Nach den Algen müssen Sie sich um Wirbellose kümmern: In der Waucoyte Bay sind dies Meeresschnecken, Krebstiere, Holothurien, Manteltiere und andere Tiere, und mit etwas Glück sogar Krebse.
Arbeiten mit dem Ekman-Eimer
Suche nach Lebewesen am Ufer des Childs River
Auf der Suche nach lebenden Tieren im Sage Lot Pond
Entnahme von Flusswasserproben von einem Boot aus
Auf dem River Childs und in der Bucht selbst verlief die Probenentnahme ohne Zwischenfälle, obwohl wir an den Ufern des Flusses keine einzige lebende wirbellose Seele finden konnten (Seelen wurden später in Bodenproben gefunden). Aber im Teich von Sage Lot stellte sich heraus, dass die Flut zu hoch war, und selbst spezielle wasserdichte Hosen unter den Achseln ermöglichen es uns nicht, an den Ort zu gelangen, an dem der Abschaum, den wir brauchen, beginnt, den Seegras Zostera Marina. Erst nach einer Stunde hüfttiefer Wanderung im Teich konnten wir die Stelle finden, an der Ekmans Eimer die Vegetation packte. Aber bei den Tieren - und das ist das erste Zeichen eines gesünderen Ökosystems - gab es keine Probleme: Schnecken konnte man handvoll sammeln, und die Krabbenjagd mit einem Netz machte sogar Spaß (am Ende begannen wir, die gefangenen loszulassen, weil es zu viele Proben gab).
Nach zwei Tagen Kontakt mit Zecken – es waren so viele, dass dies der Haupterfolg des Programms wäre, wenn ich keine Borreliose bekommen würde – kehrten wir ins Labor zurück. Aber bevor man zu Reagenzgläsern und Mikrodispensern übergeht, müssen neun Algenproben nach Typ zerlegt werden - manuell, mit einer Pinzette (ein weiterer Life-Hack: zwei Pinzetten sind viel bequemer), sorgfältig von Schmutz und daran befestigten Eiern zu reinigen. Diese äußerst meditative Lektion dauerte mehr als drei Stunden, als Ergebnis erhielten wir 70 (70) Proben von sechs Algen- und Abschaumarten sowie ein paar Dutzend Tierproben. Alle diese Proben mussten in einem Ofen getrocknet und gewogen werden, und einige von ihnen mussten in einem Mörser zu feinem Staub zermahlen und dann einem Massenspektrometer zugeführt werden. Während wir uns die Wale ansahen, machte sich am Sonntag ein tapferer Techniker namens Marshall an die Arbeit, um für uns δ13C und δ15N zu bestimmen, das Verhältnis von schweren und leichten Isotopen von Kohlenstoff und Stickstoff in den Geweben von Pflanzen und Tieren (warum dies so ist unten benötigt) …
Algenprobe persönlich entnommen vom Korrespondenten von N + 1
Sortieren einer Probe, Erste Schritte
Sortierprobe, Arbeitsende
Ergebnis der Probensortierung
Wir trocknen die erhaltenen Proben im Ofen.
In Wasserproben musste die Konzentration von NO3- und NH4 + bestimmt werden. Wir haben dies mit einem Spektrophotometer gemacht - einem Gerät, das die Lichtabsorption bewertet (zuerst müssen die NH4 + -Proben gefärbt werden, indem die notwendigen Reagenzien sorgfältig hinzugefügt und NO3- ebenfalls in NO2- umgewandelt werden). Viel schlauere Leute haben herausgefunden, dass es einen Zusammenhang zwischen der Absorption von Licht und der Konzentration einer bestimmten Verbindung gibt, was bedeutet, dass Sie durch die Ermittlung der Absorption für Proben auch die Konzentration ermitteln können.
Es stimmt, zuerst müssen Sie die mathematischen Muskeln leicht anspannen. Tatsache ist, dass die genauen numerischen Parameter dieser Abhängigkeit durch viele Indikatoren beeinflusst werden können, einschließlich der unvorhersehbaren Qualität der Reagenzien, dh es gibt keine magische Gleichung, in die die Absorption eingesetzt und die Konzentration erhalten werden kann. Sie müssen diese Gleichung selbst erhalten, indem Sie aus Ihren eigenen Reagenzien und entionisiertem Wasser sogenannte Standards herstellen - eine Reihe von Lösungen mit einer vorbestimmten Konzentration - und basierend auf diesen Datenpunkten eine Regression erstellen. Das heißt, wir dürfen uns nicht damit verwirren, wie man sechs bis sieben andere so genau wie möglich aus einer Lösung verdünnt (zum ersten Mal in unserem Leben übrigens einen Mikrodispenser in die Hand nimmt und kalibriert), die Proben mit Reagenzien mischt und Setzen Sie die Röhrchen geduldig nacheinander in das Spektralfotometer ein und achten Sie darauf, dass nicht versehentlich eine Luftblase eingeschlossen wird.
Zur Erleichterung aller Beteiligten wurde NO3- für uns maschinell analysiert - eine Kette aus einem Autosampler und einem daran angeschlossenen Spektralphotometer und einem Computer, der auch sofort die Konzentration ausgab, es waren keine weiteren Berechnungen erforderlich. Aber ich habe NH4+ mit meinen eigenen Händen gemacht und war voller Ehrfurcht, zuerst auf das Urteil des Spektralphotometers (habe ich es zu bewältigen) und dann auf Microsoft Excel (in dem ich das Abhängigkeitsdiagramm erstellt habe) gewartet. Es stellte sich so heraus: Je näher R2 an eins ist, desto genauer haben Sie Ihre Arbeit erledigt):
Während ich entionisiertes Wasser tropfenweise in die Röhrchen gab, um exakt 100 Milliliter zu entnehmen, platzierten meine Kollegen lebende, unbeheizte Algen der Gattungen Gracilaria und Ulva in einer speziellen Klimakammer für das Pflanzenwachstum. Darin haben wir Photosynthese und Atmung mit Sauerstoffsensoren gemessen, um zu verstehen, wie viel Sauerstoff die Algen produzieren und wie viel sie verbrauchen (dafür werden Tag und Nacht in der Kammer simuliert).
Röhrchen mit Standardkappen
Proben für einen Autosampler vorbereiten
Autosampler (links) mit Spektralfotometer verbunden
Wir kennen also die Konzentration von NO3- und NH4 + in unseren 39 Wasserproben, δ13C und δ15N bei Proben lebender Organismen und sogar den Verbrauch und die Produktion von Sauerstoff durch Algen. Was können wir mit diesen Daten machen?
Erstens, und für Dummies wie uns, ist dies vielleicht das Wichtigste, es ist notwendig zu überprüfen, ob unsere Daten dem vorhandenen Wissen und dem gesunden Menschenverstand entsprechen. Wir wissen beispielsweise zuverlässig, dass die ökologische Situation im Childs River deutlich schlechter ist als im Sage Lot Pond, sodass wir mit einer höheren Nährstoffkonzentration und einer höheren Algenbiomasse rechnen müssen. Ein weiteres gutes Zeichen ist, dass wir den anspruchsvollen Yachthafen Zostera erwartungsgemäß nur im Teich vorgefunden haben. Zweitens können Barrieren für die Wasserreinigung von NO3- auch theoretisch die Situation nicht verschlechtern, dh die Konzentration von Nitrationen im Wasser sollte nach dem Passieren der Barriere sinken und nicht ansteigen. Wir wissen, dass Algen bei Tageslicht Nettosauerstoff produzieren (sie atmen weniger ein als Photosynthese betreiben), und im Dunkeln atmen sie ihn nur ein, und die Linie auf der Sauerstoffkonzentrationskurve im Wasser sollte wie das Dach eines Hauses aussehen. Schließlich wissen wir ungefähr, welche Werte von δ13C und δ15N wir für Pflanzen und Tiere bekommen sollten, die das Massenspektrometer Hunderte und Tausende Male besucht haben, und es wäre seltsam, wenn wir etwas ganz Besonderes erwischen würden. Darüber hinaus ändert sich das Verhältnis von schweren und leichten Kohlenstoffisotopen in der Nahrungskette praktisch nicht, aber das Verhältnis von schweren und leichten Stickstoffisotopen sollte steigen (15N reichern sich in Organismen an) - das sollten wir auch sehen. So sehen einige Diagramme aus unserer Präsentation am Ende des Kurses aus:
Zweitens können wir versuchen, unsere sehr angewandte Frage zu beantworten, ob Barrieren funktionieren. Auf den ersten Blick ja, sie funktionieren auf jeden Fall in der Bucht selbst gelegen, dort ist der Unterschied durchaus spürbar:
Aber da ich von einem Hochschulabschluss in Wirtschaftswissenschaften und zwei Semestern Ökonometrie leicht traumatisiert bin, testen Sie mich statistisch auf die Bedeutung dieses Unterschieds. Für unsere Zwecke eignet sich beispielsweise ein t-Test, der es uns erlaubt, die Hypothese über die Gleichheit der Erwartungen zweier Allgemeinbevölkerungen zu testen (wenn die Erwartungen an die NO3-Konzentration vor und nach der Barriere gleich sind, dann funktioniert die Barriere nicht - die Konzentration ändert sich nicht). Ich berechnete einen einseitigen (weil die Barriere die Situation nicht verschlimmern kann, erinnern Sie sich?) Zweistichproben-t-Test für unabhängige Stichproben mit unterschiedlichen Varianzen (weil es keinen Grund gibt, die Varianzen als gleich zu betrachten) und stellte fest, dass der Wakwoite Die Bay Barrier funktioniert wirklich (p = 0,01441), und das gleiche kann man nicht über die Childs River Barrier (p = 0,26469) sagen.
Es scheint, als könnte man damit aufhören, aber in gewisser Weise sind Journalisten nicht weniger akribisch als Wissenschaftler: Wenn die Mutter eines Journalisten ihm sagt, dass sie ihn liebt, geht die Journalistin zum Faktenchecker. Glücklicherweise wurde unser Miniatur-Wissenschaftsexperiment vor kurzem jedes Jahr durchgeführt, und ich habe die wissenschaftlichen Leiter um die Daten der letztjährigen Gruppe gebeten:
Die Klasse von 2018 hat den t-Test nicht gemacht, nach den ersten Daten habe ich es selbst gemacht und festgestellt, dass aus statistischer Sicht 2018 im Gegenteil die Barriere des Childs River funktioniert hat (p = 0,05056), aber nicht die Barriere in der Bucht (p = 0,14557) … Es ist interessant, dass sich trotz eines ziemlich starken Abfalls der Konzentration von 85 auf 2 der Unterschied für Waucoyte Bay als unbedeutend herausstellte: anscheinend ist das Problem eine sehr hohe Abweichung des Indikators (in den meisten Proben wurde die Konzentration berechnet in Einheiten von Mikromol pro Liter, aber in einer Probe - so viel 440, wie es scheint, haben die Kollegen mit einem Metallstift für Wasserproben irgendwo hinbekommen).
Wir fanden also heraus, dass wir nichts herausgefunden haben: Die Barrieren scheinen in dem Sinne zu funktionieren, dass die Konzentration von NO3- nach dem Durchgang von Grundwasser noch abnimmt, aber wir konnten dies nicht mit statistischem Kung-Fu beweisen. Die wichtigste Schlussfolgerung ist natürlich, dass ein paar Dutzend Proben in zwei Jahren einfach nicht genug Informationen liefern - wie die Autoren wissenschaftlicher Nachrichten gerne schreiben, sind weitere Forschungen erforderlich.
Woods Hole, wo sich MBL befindet, „in der Achselhöhle“der Cape Cod Peninsula (siehe Karte) - der Ort sieht total idyllisch und verschlafen aus: Ende Mai ist es noch kaum zu glauben, dass von Juli-August die Bevölkerung des Dorfes und die Zahl der Wissenschaftler, die in den Labors arbeiten, wächst um eine Größenordnung, und in der örtlichen Bar, Captain Kidd, ist es schwierig, abends einen freien Platz zu finden. In Russland würde Woods Hole als Wissenschaftsstadt bezeichnet, obwohl es hier nicht einmal eine Stadt ist: Neben MBL gibt es das ebenso berühmte Woods Hole Oceanographic Institute (WHOI), eine Zweigstelle der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA.).) und auch, nach allem, das älteste Ozeanarium der Vereinigten Staaten. WHOI und MBL sind stadtbildende Wissenschaftsunternehmen, die aktiv befreundet sind und vor allem ständig versuchen zu erklären, dass sie nicht ein und dieselbe Organisation sind.
Marine Biological Laboratory ist das, was passiert, wenn Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern die Möglichkeit geboten wird, frei wissenschaftlich zu arbeiten, ohne von der Logistik und dem Lärm einer Großstadt abgelenkt zu werden, und das an einem dafür äußerst bequemen Ort: Nobelpreise werden verliehen (insgesamt ist MBL beteiligt 58, und eine der Medaillen, Enkel Thomas Morgan wurde kürzlich dem Labor geschenkt, und ich hielt sie in meinen Händen). Die meisten der großen amerikanischen und internationalen Biologen unserer Zeit haben in ihren akademischen Lebensläufen die Zeile "verbrachte den Sommer an der MBL". Genau dieselbe Linie findet sich im Lebenslauf der berühmtesten amerikanischen und neuerdings auch weltweiten Wissenschaftsjournalisten: In 33 Jahren haben mehrere hundert Menschen das Logan SJP-Programm durchlaufen.
Warum jedes Jahr Unmengen an Geld ausgeben, um 12 Journalisten (die zweite Gruppe biomedizinischer Stipendiaten, die Mitochondrien und den epithelial-mesenchymalen Übergang untersuchen) Wissenschaftler spielen zu lassen? Für MBL und den gesamten Wissenschaftscluster Woods Hole ist dies zweifellos eine PR-Aktivität: Parallel zur wissenschaftlichen Arbeit gingen wir zu Treffen mit Wissenschaftlern und Exkursionen, wo wir hin und wieder unauffällig interessante Themen für Artikel mit direktem Bezug zum Thema bewarfen Laboratorien arbeiten.
Zweitens hilft schon ein spielzeughaftes Hantieren mit Proben, Mikrodispensern und vor allem genauen Waagen wirklich besser zu verstehen, ja sogar zu spüren, wie viel menschliche Arbeit sich hinter der Rubrik "Methoden" in jedem wissenschaftlichen Artikel verbirgt - das darf man hoffen Texte über Wissenschaft werden ein wenig, aber besser, und Journalisten, zumindest ein wenig, aber für Wissenschaftler günstiger. Und drittens sind das Investitionen in die Infrastruktur: Viele Wissenschaftsjournalisten schreiben nicht nur selbst, sondern lehren (wie ich zum Beispiel an der ITMO und der Staatlichen Universität Tjumen) und werden ihre gewonnenen Erfahrungen sicherlich weitergeben.
Und einige werden auch in einer eigenen Ausgabe über ihre Abenteuer schreiben.
