FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

Uddannelses- og Forskningsudvalget 2014-15 (1. samling)
FIV Alm.del Bilag 191
Offentligt

Aktuel

NATURVIDENSKAB

MAJ I 2015

FORSKNING • ERKENDELSE • TEKNOLOGI

Pris kr. 50,00

Et hav fuld af

(mikro)

plastik

På opdagelse i materialernes indre

Algoritmer regner på krypterede data

Bliver man stærkere af D-vitamin?

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

TEMA: XXXXXX

Skoven på den

politiske dagsorden

Den borgerlige opposition har højst overraskende foreslået at udlægge 20 %

af statens skove til nye initiativer til gavn for den biologiske mangfoldighed.

Men forslaget vil samtidig slække på beskyttelsen af naturen i det åbne land.

Er det nu nødvendigt?

ldrig har naturpolitik stået så højt på den poli-

tiske dagsorden. Aldrig før har Folketingets

partiet på tværs af det politiske spektrum i en sådan

grad kappedes om at fremsætte visionære beslut-

ningsforslag med fokus på biologisk mangfoldighed.

Alene inden for en enkelt uge i slutningen af marts

fremsatte både den borgerlige opposition (VKOI) og

Enhedslisten hver deres forslag.

Det visionære element i de borgerliges forslag er at

udtage 20 % af statens skovareal af den nuværende

skovdrift med træproduktion for øje og reservere det

til natur og biodiversitet. Staten ejer en tredjedel af

skovarealet, så forslaget vil omfatte ca. 25.000 ha

eller godt en halv procent af det samlede landareal.

I et land som Danmark, som klimatisk og geograﬁsk

i høj grad er et skovland (eller ville have været det

uden mennesker), lyder det måske ikke af meget.

Begejstringen ville nok hurtigt være sluttet, hvis skov-

lande som Canada eller Brasilien fremlagde planer

i samme beskedne størrelsesorden. Men denne del

af forslaget er faktisk visionært, fordi det er første

gang, at der direkte foreslås at reservere en bety-

delig del af skovarealet til naturformål.

I løbet af de seneste 25 år er der udlagt ca. 2.500

ha skov til urørt skov – altså en tiendedel af forsla-

gets tal. Regeringens Naturplan Danmark taler om

at øge dette areal med – hold nu fast – 250 ha. Lidt

enkel hovedregning vil hurtigt give et indtryk af, hvor

lille en andel af landets samlede areal eller af skov-

arealet, der er tale om. Det borgerlige forslag over-

byder altså regeringens plan med 100 gange. Der er

dog også en hage ved forslaget fra “blå blok”, som

jeg skal komme tilbage til.

Af Hans Henrik Bruun,

lektor ved

Biologisk Institut,

Københavns Universitet

[email protected]

Foto: Jens Chr. Schou

at naturbeskyttelsen i skoven halter langt bagefter,

at nye initiativer til fremme af biologisk mangfol-

dighed mest omkostningseffektivt kan henlægges

til skoven, samt at nye initiativer er påkrævede, hvis

det politisk fastsatte mål om at standse tabet af

biodiversitet inden år 2020 skal have nogen chance

for at blive indfriet. Den målsætning blev fastsat på

Biodiversitetstopmødet i Nagoya i 2010. Her opstil-

ledes også de 20 såkaldte Aichi-mål, hvoraf ét lyder,

at Danmark og de andre lande skal bestræbe sig på

at udpege mindst 17 % af deres landareal og 10 %

af deres havareal til natur, specielt arealer af betyd-

ning for den biologiske mangfoldighed. Status i dag

er, at omkring 12-13 % af Danmarks landareal har en

eller anden form for naturbeskyttelse.

Gustent overlæg

Det bringer mig til den anden del af de borgelige

partiers forslag. De vil nemlig knytte den øgede

beskyttelse af skovens natur sammen med en tilsva-

rende indskrænkning af arealet af beskyttet natur

i det åbne land. Denne del af beslutningsforslaget

forekommer mig at være smålig og søgt. Smålig,

fordi der – i forhold til målet om at beskytte 17 % af

landarealet – er brug for at forstærke naturbeskyt-

telsen i skoven, ikke at slække på den andre steder.

Søgt, fordi der ikke er nogen logisk kobling mellem

de to dele. Det er ikke sådan, man normalt foretager

en økonomisk prioritering. Man fornemmer dermed

et gustent overlæg om at fritage det private land-

brugserhverv for produktionsindskrænkende natur-

beskyttelse. Men jeg er ekspert i biodiversitet, ikke

i fordelingspolitik. Og i den optik er forslaget bedre

end SR-regeringens politik.

Man kunne godt opgive beskyttelsen af de 20 %

mindst værdifulde enge uden at miste levesteder

for truede arter. Hvis man samtidig beskyttede de

20 % bedste skove, ville nettoværdien for biodiver-

siteten faktisk være positiv. Hvis regeringspartierne,

der i egen selvforståelse har en “grøn” proﬁl, blot

stemmer imod forslaget, og ikke fremsætter et mere

visionært forslag, vil det være en visionsløs automat-

reaktion.



SYNSPUNKT

Politikere har lyttet

Enhedslistens forslag har en lidt anden vinkel på sagen.

Deres forslag går ud på at gøre den kommende Natio-

nalpark Kongernes Nordsjælland til en 8.000 ha stor

natur-nationalpark med mere fokus på biodiversitet

end på lokal erhvervsudvikling. Med begge forslag føler

jeg for en sjælden gangs skyld, at politikerne har lyttet

til budskabet fra forskerkolleger og mig selv, nemlig

Aktuel Naturvidenskab 3 2 2013

2015

Aktuel Naturvidenskab

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

Indhold

FORSKNING OG NYHEDER

Kort nyt

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Et hav fuld af mikroplastik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Bliver man stærkere af D-vitamin? . . . . . . . . . . . . . . .

TEMA: Tre tigerspring for materialeforskningen:

Tema

(fortsat)

Tre tigerspring for

materialeforskningen

I seneste nummer tog vi hul på et tema om

dansk materialeforskning med udgangs-

punkt i de muligheder, der vil byde sig i

fremtiden med de store nye røntgen- og

neutronfaciliteter: Europaen Spallation

Source og MAX IV i Lund og den europæiske

frirøntgenlaser E-XFEL ved Hamborg. I dette

nummer afslutter vi temaet med

ﬁ

re artikler,

der spænder lige fra forskning i virkemåden

af medicin over selvorganiserende strukturer

i cellemembraner til undersøgelser af det

indre af fx metaller og energibarrierer i

molekylære magnetiske materialer.

På opdagelse i materialernes indre . . . . . . . . . . . . . .

En spids vinkel på sygdomme og medicin . . . . . . . . .

Form og funktion på nanoskala . . . . . . . . . . . . . . . . .

Molekylære magnetiske materialer

- studeret med neutroner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Algoritmer regner på krypterede data . . . . . . . . . . . . .

PERSPEKTIV, DEBAT OG SERVICE

Synspunkt: Skoven på den politiske dagsorden? . . . . . .

Når forandringens vinde blæser . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Vejen til drømmestudiet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Bagsiden: Frygtløse forskningsassistenter

. . . . . . . . . .

Et hav fuld af mikroplastik

Hvad sker der egentlig med de enorme mængder af plastik,

som ender i havet?

Et bud er, at det nedbrydes til mikroplastik, som måske kan

påvirke havets mindste liv og dermed grundlaget for alt liv i havet.

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

KORT NYT

Hvornår er en drone “harmløs”?

Små, fjernstyrede helikoptere er blevet billig hvermandseje, men

nybagte dronepiloter må strengt taget kun

ﬂ

yve med dem på behørig

afstand af veje, forsamlinger og bebyggede områder. Traﬁkstyrelsen er

dog på vej med lempeligere regler, og har bedt lektor Anders la Cour-

Harbo fra Aalborg Universitets Institut for Elektroniske Systemer om at

analysere sikkerhedsrisikoen. Droneforskeren har derfor set på, hvor

store dronerne skal være, før de begynder at udgøre en sikkerheds-

trussel, hvis de falder ned og rammer nogen. Og han er nået frem til

en grænse på 250 gram.

I stedet for vægtgrænsen kunne man også have deﬁneret grænsen ud

fra, hvor hurtigt dronerne må

ﬂ

yve, hvor meget kinetisk energi, de har,

eller hvor meget, de trykker kropsvævet sammen, hvis de rammer et

menneske. Men det er svært for almindelige mennesker at måle, så

derfor fokuseres der på vægten.

Sammenhængen mellem vægt og potentiel skadevirkning er dog

ikke helt ligetil. En riffelkugle vejer fx ikke mere end et par gram, men

gør stor skade, fordi den trænger ind i kroppen og ødelægger vævet.

Omvendt kan en drone af skum veje mange hundrede gram uden at

kunne gøre særlig skade, hvis den rammer nogen, fordi den typisk blot

trykker vævet sammen.

Anders la Cour-Harbo har set på tre parametre: Hvor stor sandsynlig-

heden er for, at en drone falder ned; hvor stor sandsynligheden er for,

at den rammer nogen, og hvor stor skade vil den potentielt gøre på

dem, den måske rammer. Inden for bemandet luftfart er der en tom-

melﬁngerregel, der siger, at der mindst skal være 100 millioner

ﬂ

yve-

timer for hvert dødsfald. 100 millioner timer svarer til over 11.000 år;

altså en forsvindende lille risiko. Og samme mål gælder for de ube-

mandede droner.

Jo tungere dronerne bliver,

jo mere skade kan de gøre.

Foto: Colourbox

Efter at have analyseret tallene er forskeren nået frem til, at den magi-

ske grænse for, hvornår en drone kan betegnes som harmløs, går ved

250 gram.

»Jo tungere dronerne bliver, jo mere skade gør de. Og det er ikke sådan,

at en drone på 200 gram gør dobbelt så meget skade som en på 100

gram. Når vi rammer en vægt på 250 gram, har vi en sandsynlighed

for at komme til skade, som kombineret med sandsynligheden for, at

den falder ned – og at man bliver ramt – rent matematisk er ét døds-

fald pr. 100 millioner

ﬂ

yvetimer«, siger Anders la Cour-Harbo.

Af journalist Jakob Brodersen, Aalborg Universitet

Naturlig GMO

Arter af bakterien

Agrobacterium

bruges af forskere til at genmo-

diﬁcere planter, da bakterien er i stand til at inﬁcere planterne og

overføre dens eget DNA til værtens genom. Da Jan Kreuze og kolle-

ger fra det internationale kartoffelcenter i Lima, Peru, kiggede nær-

mere på genomet fra sød kartoffel (Ipomoea

batatas)

opdagede de,

at naturen på sin vis er kommet forskerne i forkøbet mht. at genmo-

diﬁcere denne art.

Det viste sig nemlig, at genomet hos sød kartoffel indeholder gener,

som stammer fra en eller

ﬂ

ere arter af

Agrobacterium.

De to styk-

ker bakterielt DNA fundet i kartoffelgenomet er udtrykt i

ﬂ

ere for-

skellige af plantens væv, og

ﬁ

ndes kun i den kultiverede afgrøde –

ikke i nært beslægtede vilde stammer. Ifølge forskerne kan det tyde

på, at disse gener koder for træk, der har været attraktive for kulti-

vering, og derfor er blevet selekteret for i arbejdet med at forædle

planten som afgrøde.

CRK. Kilde: Proc. Natl Acad. Sci. USA http://dx.doi.org/10.1073/

pnas.1419685112 (2015)

Aktuel Naturvidenskab

2015

Foto: via Wikimedia Commons

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

KORT NYT

Varme væsker i rummet

Kølerør er vigtige komponenter til passiv køling af fx processorer i bær-

bare computere. Et kølerør består af et rør fyldt med en væske. Når

væsker opvarmes i den ene ende af røret, fordamper den og

ﬂ

yder til

den kolde ende, hvor den kondenserer og strømmer tilbage igen. I rum-

fartøjer kan denne form for køling af elektronik virke attraktiv, da der

ikke skal bruges elektricitet på at drive fx blæsere ligesom kølerør ikke

indeholder mekaniske dele, der kan være tilbøjelige til at gå i stykker

og dermed give alle mulige problemer. Ny forskning af Joel Plawsky fra

Rensselaer Polytechnic Institute, New York og kolleger viser imidlertid,

at væsken i et kølerør opfører sig anderledes i rummet end på jorden.

Forskerne studerede ved hjælp af billeder og temperaturdata trans-

mitteret fra rumstationen et få cm langt, gennemsigtigt rør fyldt med

den organiske forbindelse pentan, mens den ene ende af røret blev

opvarmet til næsten 250 °C. Det er den temperatur, hvor væsken selv-

antænder, når den udsættes for luft. På jorden falder køleevnen ved

så høje temperaturer, fordi væsken fordamper for hurtigt i kølerørets

varme ende, så denne ende tørrer ud. I rummet er det derimod ikke

udtørring ved de høje temperaturer, der begrænser køleevnen, men

overaskende nok det stik modsatte: I stedet for at tørre ud, blev den

varme ende oversvømmet med væske ved de 250 °C. Det sker, fordi

der opstår en temperaturbetinget gradient i overﬂadespændingen,

så væsken strømmer fra steder med lav overﬂadespænding til steder

med højere overﬂadespænding. Dette kendes som Marangoni-effek-

ten, men på jorden overtrumfes denne effekt af tyngdekraften. I fra-

vær af tyngdekraft bliver Marangoni-effekten derimod dominerende.

Eksperimenter på den interna-

tionale rumstation viser, at

varme væsker opfører sig ander-

ledes i rummet end på jorden.

Foto: Nasa.

Forskerne skriver, at forholdene med “oversvømmelse” må bryde sam-

men ved endnu højere temperaturer, men

ﬂ

ere eksperimenter på ISS

er nødvendige for at afgøre, hvad der egentlig sker.

CRK, Kilde: Phys. Rev. Lett. 114, 146105

eneste, som tilsættes, er lidt vand. Biopul-

pen kan herefter blive til biogas.

Lorie Hamelins opgave er at undersøge om

produktionen af biogas er stabil nok, og om

den er fri for skadelige stoffer som tungme-

taller eller ftalater fra plastik. Viser det sig, at

biogas brygget på madaffald er af tilstrække-

lig god kvalitet, kan det udvikle sig til en ind-

bringende forretning for de virksomheder, som

er indblandet i projektet.

Ifølge Lorie Hamelin har biogas en række for-

dele, som kan hjælpe Danmark med at opfylde

sine energi- og miljømål. Først og fremmest

er biogas

ﬂ

eksibelt, så det kan lagres og bru-

ges på mange måder. Fx kan det opgraderes

og sendes ind i naturgasnettet eller bruges

i transportsektoren som brændstof til tung

transport. Hvis vi genbruger organisk affald,

kan vi desuden tilføre jorden næringsstoffer

som fosfor, kvælstof og kalium, der ellers går

tabt i forbrændingen.

Projektet Urban Energy støttes økonomisk

af et program (EUDP) under Energistyrelsen.

Mette Christina Møller Andersen, SDU

Foto: Colourbox

Fra gammel brie til biogas

I dag bliver det meste af vores skrald brændt

af på det lokale forbrændingsanlæg, som

omdanner det til fjernvarme og/eller elektrici-

tet. Men det er måske ikke den bedste måde

at udnytte energien i affaldet, og derfor leder

forskere efter alternative metoder. På Det Tek-

niske Fakultet på SDU fylder forskeren Loire

Hamelin laboratoriet med gamle madrester

såsom leverpostej, ost og tun for at under-

søge, om det kan omdannes til kvalitetsbiogas.

Som led i projektet har virksomheden N.C.

Miljø udviklet et anlæg, der kan kværne affal-

det fra husholdninger, så plastik, glas og

metalstumper bliver skilt fra madresterne.

Herefter omdannes de organiske rester til en

såkaldt biopulp helt uden brug af kemikalier,

enzymer eller opvarmning, som det ellers har

været tilfældet i andre tidligere forsøg. Det

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

KORT NYT

Mennesket mod maskinen

Er vi mennesker født med evnen til at løse problemer, eller er det noget

vi lærer hen ad vejen? Det spørgsmål arbejder en gruppe forskere på

Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet på at besvare. For-

skergruppen, der er ledet af lektor Jacob Sherson, har udviklet et com-

puterspil, Quantum Moves, der er blevet spillet 400.000 gange af gan-

ske almindelige mennesker, og som har givet en ganske unik og dyb

indsigt i den menneskelige hjernes evne til at løse problemer. Spillet

går ud på, at man skal

ﬂ

ytte atomer rundt på skærmen og score point

ved at

ﬁ

nde den optimale måde at gøre det på.

På den måde bidrager ganske almindelige mennesker til at forske i

kvantefysik. For en spillers evne til at lægge en strategi og løse et pro-

blem er markant anderledes end en computers måde at arbejde på. De

400.000 spillede spil viser, at spillerne har været overraskende gode

til at løse de problemer, forskerne har sat op i spillet.

Endnu kan forskerne ikke konkludere noget om styrkeforholdet mel-

lem menneske og maskine, men til gengæld kan de sige, at kvinderne

har været bedre til at løse problemerne end mændene. Resultatet er

for nylig offentliggjort i tidsskriftet

Human Computation.

Ifølge spilpsy-

kolog Andreas Lieberoth, der er førsteforfatter på artiklen og en del af

forskergruppen på Aarhus Universitet, er det måske er en særlig slags

kvindelig intuition, der udfolder sig for vores øjne i spillet, holdt op mod

en karikeret mandetilgang, der er mere risikobetonet og handlingsori-

enteret. Den hypotese vil forskerne gerne teste yderligere. Gruppen

har for nylig i samarbejde med forskere ved Max-Planck-Institute for

Human Development i Berlin lanceret et nyt spil, Quantum Minds, der

har til formål at afdække, hvordan den menneskelige hjerne går til det

at løse et problem og hermed også yderlige også afklare, om den kvin-

Skærmbillede fra spillet

Quantum Minds.

Foto: CODER

delige hjernes tilgang virkelig er anderledes – og mere effektiv – end

den maskuline. En af de store teser bag det nye spil er, at mennesket

er velsignet med evnen til at se bort fra irrelevante ting i et problem

og fokusere på løsningen. Her er en computer knapt så skarp, da den

ikke kan se bort fra selv de mest obskure detaljer, og altid vil tage dem

med i løsningsarbejdet.

Forskerne håber, at rigtig mange mennesker vil spille med. Spillet kan

ﬁ

nde på: http://scienceathome.org/play/

Kilde: Rømer, Aarhus Univ. Human Computation (2014) 1:2 :219-244

Skanner afslører orms skjulte liv

Der lever masser af små dyr i havets sand-

bund, som alle bidrager til at opretholde et

sundt havmiljø. Fx graver sandorme i bun-

den for at lede efter mikroalger, som de

æder. Ligesom andre dyr har de brug for

ilt, og den får de fra vand, som de trækker

ned til sig i deres gange. Derved transpor-

terer de ilt ned i bunden.

Denne “ventilering” af havbunden er afgø-

rende for omsætningen af næringsstoffer og

biogeokemien i kystzonen. Men at beskrive

og forstå det tidslige og rumlige mønster af

disse gravende dyrs aktiviteter i detaljer, er

en udfordring for marinbiologerne, da det

hele foregår skjult for vore øjne i sedimentet.

I en nylig afhandling i tidsskriftet PLOS ONE

beskriver forskere fra Syddansk Universitet

og Odense Universitetshospital, hvordan de

har taget usædvanlige midler i brug for at kigge

bunddyrene i kortene. Forskerne har brugt hospi-

talets PET/CT-skanner til at undersøge sandorme

i spande med sand hentet fra Odense Fjord.

Spandene

ﬁ

k lov at stå i 8-10 dage, så deres

indhold af sand kunne falde sammen og nogle

sandorme (Arenicola

marina)

etablere sig. Da

fem spande blev skannet, kunne forskerne følge

med i, hvordan sandormene opførte sig uden at

forstyrre de gravende kræ. Fx havde en spand

én beboer, som gravede sig ned gennem san-

det og skubbede vand foran sig, så det til sidst

mættede sandet i bunden af spanden.

Forsøgene viser, at det er muligt at få et kig ind

i bunddyrenes liv ved at skanne dem i et rela-

tivt uforstyrret miljø. Ifølge Matthieu Delefosse,

der er førsteforfatter på artiklen, kunne det være

interessant at bruge teknikken til at veriﬁcere

og videreudvikle økologiske modeller, så man

kan skanne “real life” sedimentprøver med

et naturligt dyreindhold og lade skanneren

afsløre, hvilke dyr der lever i et område, og

hvordan de opfører sig.

Kilde: SDU, Matthieu Delefosse et al: PLOS

one, DOI: 10.1371/

journal.pone.0122201

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

KORT NYT

Muslinger smitter hinanden med kræft

En leukæmi-agtig kræftform har hærget bestande af mange forskel-

lige slags muslinger rundt om i verden, og har ført til massive tab af

populationer. Sygdommen kaldes dissemineret neoplasi og er kende-

tegnet ved, at blodceller med nedsat funktionalitet vokser ukontrolle-

ret. Sygdommen blev første gang observeret i sandmuslinger (Mya

are-

naria)

langs den nordamerikanske kyst i 1970’erne. Stephen Goff fra

Columbia University i New York og kolleger har nu undersøgt DNA fra

kræftramte og ikke-kræftramte celler fra

ﬂ

ere populationer af denne

muslingeart fra kysten af det østlige USA. Det viser sig, at DNA fra de

kræftramte celler ikke matcher DNA fra værtsdyrets andre væv. Til

gengæld er cancercellerne genetisk identiske med hinanden – de er

med andre ord kloner med den samme unikke genotype, der afspej-

ler den genetiske proﬁl af den oprindelige vært, hvor canceren i sin tid

opstod. Normalt er kræfttumorer ikke smitsomme eller kan overføres

til andre individer, men dissemineret neoplasi er altså et eksempel på

en sygdom, der opstår ved overførsel af cancerceller fra individ til indi-

vid. Man kender kun to andre ”smitsomme” kræfttyper, som rammer

hhv. hunde og den tasmanske djævel.

Skaller af sandmusling (Mya

are-

naria)

– en musling, der hærges

af en smitsom type kræft.

Forskerne mener, at hvirvelløse dyr som muslinger kan være specielt

følsomme overfor ”smitsomme” kræfttyper, da de mangler en del af

hvirveldyrenes immunsystem, der genkender fremmede celler.

CRK, Kilde: Cell, Vol. 161, nr. 2, p255–263

Forskere gør gang mere effektiv

Mennesket er så effektivt til at gå, at det

på trods af mange bestræbelser hidtil ikke

er lykkedes at designe hjælpemidler til at

forbedre gangeffektiviteten, uden at disse

har en ekstern energiforsyning. Men det

har forskere ved Carnegie Mellon Univer-

sity og North Carolina State University nu

lavet om på. I tidsskriftet

Nature

har de

for nylig rapporteret, at de har bygget et

mekanisk “ankel-exoskelet”, der reducerer

energiforbruget (de metaboliske omkost-

ninger) ved at gå med ca. 7 %. Det svarer

nogenlunde til besparelsen på at lette sig

for byrden af en rygsæk på 5 kg, og det

er lige så gode resultater som andre for-

skere har opnået ved hjælp af exoskelet-

ter drevet af elektricitet.

Undersøgelser med ultralyd har afslø-

ret, at lægmusklen bruger en del meta-

bolisk energi under “ståfasen” af gang –

dvs. før anklen strækkes og benet sen-

des fremad. Forskernes opﬁ ndelse er

designet, så den aﬂaster lægmusklen i

denne fase af gangcyklus. En mekanisk kobling forbundet med en

fjeder slår til og fra, når foden er hhv. på jorden og løftes, hvilket

aﬂaster lægmusklen i den fase, hvor foden er på jorden. Og det er

altså nok til at reducere energiforbruget ved gang med 7 %, selvom

man altså må påføre sig lidt ekstra vægt i form af det påmonterede

exoskelet. Det er så til gengæld lavet af letvægtsmaterialer og vejer

omkring �½ kg pr. ben.

En besparelse på 7 % lyder måske ikke af voldsomt meget, men for nogle

mennesker med gangbesvær, kan en sådan forbedring tænkes at gøre

en afgørende forskel. Forskerne vil nu teste deres anordning på menne-

sker med forskellige former for gangbesvær for at vurdere, hvilket design

af anordningen der virker bedst for de forskellige typer. De pønser også

på at udvikle exoskelet-komponenter beregnet til knæ og hofte, hvor de

mener, at man burde kunne høste en endnu større energigevinst.

CRK

Aktuel Naturvidenskab

2015

Foto: Stephen Thrift, North Carolina State University

Foto: Jan Johan ter Poorten

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

Hvad sker der egentlig med de enorme

mængder af plastik, som ender i havet?

Et bud er, at det nedbrydes til mikroplastik,

som måske kan påvirke havets mindste liv

og dermed grundlaget for alt liv i havet.

Et hav fuld af

mikro

plastik

Foto: Colourbox

illeder af døde havfugle med maven fuld af pla-

stikstykker, kvalte havskilpadder, der forveks-

lede plastikposer med gopler, eller sæler og hvaler,

der blev fanget i tabte fiskenet og druknede, har sat

plastikforureningen i havet på mediernes dagsorden.

let over de næste ti år. Mens de store stykker plast er

nemmere at få øje på, er det de små, mikroskopiske

plaststykker, som der er flest af i havet.

Det var også, hvad vi i 2014 fandt i en undersøgelse

på tværs af Atlanterhavet til Sargassohavet syd for

Bermuda med det danske havforskningsskib Dana.

På trods af, at vi sejlede igennem de store områder

med strømhvirvler (de såkaldte “gyres”), hvor der

efter sigende skulle findes veritable “plastikøer”, så

vi dem ikke. Til gengæld fandt vi mikroplastpartik-

ler så små, at de bliver overset i mange undersøgel-

ser af plastik i havet.

Forskere fra DTU Aqua har fundet plastikstykker

på op til en halv centimeter i danske sild og hvilling

i det nordlige Storebælt. Andre forskere har fun-

det plastik i sandorme, muslinger, torsk og makrel i

Norsøen og Østersøen. Og i en undersøgelse i Skot-

land af jomfruhummeres maver fandt man plastik-

stykker i 83 % af dyrene, hvoraf de fleste bestod af

sammenfiltrede plastiktråde.

For at få mere viden om udviklingen i havene

omkring Danmark undersøger DTU Aqua nu også

indholdet af plast i trawlet på de faste moniterings-

togter i Nordsøen og Østersøen.

Hvor kommer plastik i havet fra?

Det meste af det plastik, som findes i havet, kom-

mer fra land, hvorfra det enten er tabt eller blæst

ud i havet eller udledt via vandløb og spildevand.

I havet nedbrydes plastik over tid og ender som

mikroskopisk plast. Flere plejeprodukter som fx

skrubbecremer og tandpasta indeholder også små

plastikpartikler. En undersøgelse af spildevandet

ved to svenske rensningsanlæg har vist, at selv om

disse anlæg fjerner plastpartiklerne fra vandet, så

udledes millioner af mikroplastpartikler til havet

hver time.

Mere og mere plastik

I løbet af de seneste 50 år er plastproduktionen ste-

get kraftigt til 299 millioner tons i 2013, specielt i

Asien. En artikel i

Science

har netop dokumente-

ret, at mellem 4 og 12 millioner ton plastik ender i

havet hvert år, og at tallet forventes at blive fordob-

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

MILJØ

En del af havets plastik (20 %) kommer fra mari-

time erhverv, herunder fiskeri. Under fiskeri mister

fiskerne af og til deres trawl og garn. Sådanne

mistede redskaber kan være skadelige, da fugle,

havpattedyr og især fisk kan sidde fast i dem eller

kan nedbrydes til mikroplastik over tid. I Dan-

mark har vi ikke overblik over mængden og udbre-

delsen af tabte fiskeredskaber, men i fx Norge har

man på årlige oprydningstogter langs den norske

kyst hentet kilometervis af fiskegarn, trawl og tov-

værk op fra havbunden. En anden kilde til pla-

stik i havet er slitage af fiskeredskaber, når disse

skurrer mod havbunden. DTU Aqua har på togter

med Dana i Nordsøen undersøgt mængden af syn-

tetiske fibre fra tovværk, og undersøgelser tyder på,

at der især i kystzonen potentielt kan være gan-

ske betragtelige mængder af fritflydende tovrester

i vandsøjlen.

Hvor bliver plasten af?

Når plastik ender i havet, bliver det transporteret

med havstrømme meget langt væk fra dets oprin-

delsessted på meget kort tid. En undersøgelse har

vist, at plastikstykker på 60 dage kan drive mere

end 1000 km fra kysten og ud mod midten af

den Nordatlantiske Subtropiske Hvirvel (NASG

- North Atlantic Subtropical Gyre), hvor en stor

del af det flydende plastik bliver fanget. Men en

væsentlig del bliver også skyllet tilbage på land igen,

hvor det nedbrydes til mindre stykker i standkan-

ten, som igen kan spredes ud i havet.

Omkring halvdelen af det plastik, der forbruges i

Europa, er Polypropylen (PP) og Polyethylen (PE),

som er lettere end havvand. Det plast, som ender

i havmiljøet, vil derfor primært flyde nær overfla-

den. De andre plasttyper med en højere massefylde

De største kilder til plastikaffald i havet:

Ulovlig dumpning af affald direkte i

(A) spildevandssystemer eller

(B) naturen, hvor fra det transporteres

af fx

ﬂ

oder og vind til havet.

rensningsanlæg (især syntetiske

ﬁ

bre

fra vaskemaskiner),

(D) affaldsnedkastning på stranden,

(E) tabt, og (F) mistede

ﬁ

skeredskaber,

(G) mistet containerfragt,

(H) luftbårent deponeringsaffald og

dårlig forvaltning af lossepladser og

(I) udslip af industriaffald.

(CO, N

O, CH

...)

Forbrændings- Strand

anlæg

Losseplads

Brug

Atmosfære

Kystaflejring

Afstrømning

(4,8 til 12,7 mio. t/år)

0,3 mio. t > 300

μm

Overfladen

Marine

organismer

Fragmentation

Fotonedbrydning

Termonedbrydning

Hydrolyse

Bundfældelse

Frie

vandmasser

Bundfældelse

Havbunden

Plastik-

produktion

Foto: Colourbox

Begroning

299 mio. t/år

Bionedbrydning

Land

Fossile brændstoffer

Ocean

Det er måske ikke det synlige plastik,

som giver de største problemer.

Illustration af “plastikkredsløbet” – de processer, der driver plastikaffald rundt i miljøet. Der er ikke balance mel-

lem den mængde plast, der ledes ud i havmiljøet, og det, vi kan genﬁnde i overﬂaden. Dvs. der må være en

række tabsprocesser, vi ikke kender til.

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

Numerisk modellering

Resultater af en numerisk modellering af

ﬂ

ydende plastik-

kugler med en densitet svarende til polyethylen. De tre grafer

viser fordelingen af plastikkuglerne i en 20 meter dyb vand-

søjle for tre forskellige størrelser efter de har nået “steady

state” betingelser. Udgangssituationen var en lige koncentra-

tion af 1 partikel pr. meter dybde af alle tre størrelser i hele

vandsøjlen. Modelleringen viser, at små partikler blandes

dybere ned end større mikroplastikpartikler.

Observeret fordeling i havet

Den stiplede graf viser det teoretisk forventede antal frag-

mentstykker, der kommer ud af fragmentering af et enkelt

sfærisk objekt. Søjlediagrammet viser den fordeling, man

ofte observerer i havet. Det grønne område viser den store

mængder af små partikler, som man ikke

ﬁ

nder, selv om de

burde være der.

Foto af vandloppe, som har spist mikroplastik (markeret med grønt) og nærbillede af vandloppe, hvor mikroplastik (markeret

med rødt) klæber sig til vandloppens krop (th).

Plastik i sild og hvilling fra Storebælt

Der

ﬁ

ndes mange undersøgelser af

ﬁ

sks indtag af plastik, bl.a.

har man fundet plastik i maverne på 37 % af 504

ﬁ

sk fordelt

på ti arter i den Engelske Kanal. Forskere fra DTU Aqua gen-

nemførte i 2013 et studie af 45 unge sild og hvilling fra Store-

bælt ud for Sejerø Bugt for at undersøge, om også

ﬁ

sk i dan-

ske farvande spiser plastik. Fiskenes indvolde blev udtaget og

opløst, og prøverne blev

ﬁ

ltreret på net med en maskestør-

relse på 250

μm.

Forskerne fandt mikroplastik i 31 % af hvil-

lingerne og 27 % af sildene. Bortset fra en enkelt egentlig

plaststrimmel på ca. 4-5 mm bestod de

ﬂ

este forekomster af

1-4 sorte, blå eller røde

ﬁ

bre på ca. 1-4 mm. Undersøgelsen af

sild og hvilling viser således, at

ﬁ

sk i danske farvande indta-

ger plastik. Der er behov for at undersøge dette yderligere i

andre dele af danske farvande og med fokus på

ﬂ

ere

ﬁ

skear-

ter med forskellige fødestrategier, så der tages højde for, om

ﬁ

sk æder fra vandsøjlen, havbunden osv.

Aktuel Naturvidenskab

2015

Fotos: Cole, M. et al: Microplastic Ingestion by Zooplankton. Environmental Science and Technology.

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

MILJØ

som polyvinylklorid (PVC) og polyethyleneterepht-

halate (PET, også kendt som polyester) vil deri-

mod synke. Hvor hurtig plastikken synker afhæn-

ger også af andre faktorer som fragmenternes stør-

relse og form.

Adskillige studier af størrelsesfordeling og koncen-

trationen af flydende eller bundfældede plastikpar-

tikler har vist, at der er flest af de mindste partikler.

En svensk undersøgelse har fx sammenlignet antal-

let af mikroplastik over 300 μm og over 10 μm og

fandt, at der var omkring 2500 gange flere partikler

i den mindre størrelsesklasse.

Andre undersøgelser har vist, at man finder langt

mindre mængder af plastik end man “burde” i for-

hold til det, vi ved ender i havet. Det spanske glo-

bale togt Malaspina i 2010 viste, at plastikstyk-

kerne som forventet akkumulerede i de subtropi-

ske hvirvelzoner, men til forskernes store overra-

skelse var koncentrationen tusinde gange mindre

end forventet ud fra udledningerne. På tilsva-

rende vis så vi på Danas togt til Sargassohavet i

2014 en højere koncentration af plast i hvirvlerne,

men mængderne var langt lavere end forventet. Så

hvor bliver plastikken af? Svaret kan findes, hvis

vi undersøger de processer, plastikken er udsat for

i havet.

Disse begroede plastikstykker vil synke dybere ned

i vandet eller aflejres på havbunden, men kan også

stige op igen, hvis organismerne dør eller løsner

sig. Derfor kan plastikaffald cirkulere gennem hele

vandsøjlen. Derudover har laboratorieforsøg vist,

at bakterier muligvis kan omsætte visse plastikty-

per. Endelig viser modelleringer, at mindre partik-

ler blandes dybere ned i vandsøjlen end større. Det

betyder, at små partikler måske ikke fanges i repræ-

sentativt antal af prøvetagningsmetoder, der samler

plastik fra havoverfladen.

En samlet forståelse af nedbrydningshastigheden af

plastik i havmiljøet og betydningen af de forskellige

miljøpåvirkninger har vi imidlertid ikke. Derfor er

der behov for nærmere at undersøge, hvor meget

og hvor hurtig samspillet af de forskellige nedbryd-

ningsprocesser omdanner vores affald til mikro- (og

nano-) meter store plastikstøvpartikler, og hvordan

disse små plastikpartikler påvirker det omgivende

havmiljø.

Om forfatterne:

Kristina Enders er spe-

cialestuderende i Aquatic

Science and Technology

[email protected]

Robin Lenz er specia-

lestuderende i Aquatic

Science and Technology

[email protected]

Æder dyreplankton plastik?

Mens de fysiske skader på større dyr forårsaget af

plastik er meget synlige og veldokumenterede, ved

man intet om, hvordan mikroplastik påvirker dyr

som dyreplankton og småfisk. I de fleste studier

er mikroplastik defineret som plastikstykker min-

dre end 5 mm. Mange studier af mikroplastik over-

ser partikler, der er mindre end 300 μm, hvilket er

dem, som filtrerende dyreplankton som vandlop-

per kan æde (10-100 μm). Derfor er det relevant

at undersøge, om disse mikroplast-partikler kan

påvirke havets mindste liv, dyreplankton, fiskelarver

og muslinger, som mange andre dyr lever af.

Dyreplankton, domineret af vandlopper, er det vig-

tige fødekædeled mellem planteplankton og fiske-

larver. Man har i laboratoriet vist, at en lang række

planktondyr æder mikroplastik-partikler, og at

vandlopper, der fodres med mikroplastik, ændrer

adfærd. Den hydrofobe mikroplastik kan også

hæfte sig til vandlopperne, og det kan forstyrre

deres naturlige svømmeadfærd, fødeoptagelse samt

parringsadfærd.

Når plastikken optages af dyreplankton, kan det

efterfølgende føres op gennem fødekæden. Men da

plastikken tilsyneladende ikke optages i dyrenes

væv, finder der ikke en egentlig opkoncentrering af

plastik sted gennem fødekæden, da plasten udskil-

les igen med dyrenes fækalier.

Nogle af de kemikalier, der tilsættes til plastik

under produktionen, har hormon-lignende virk-

ning, og de bliver frigivet, når plastikken nedbrydes

i havet. Derudover kan andre organiske miljøgifte

som PCB og DDT bindes på plastikkens overflade,

så plastikstykkerne virker som en form for magnet,

der opsamler miljøgifte fra omgivelserne.

Thomas Kirk Sørensen

er biolog og specialkon-

sulent

[email protected]

Langtidsholdbart eller ej?

Plastik er meget holdbart, og man antager, at det

kan holde i miljøet i århundreder. Imidlertid er den

molekylære struktur af plastik i miljøet under kon-

stant forandring, fordi tilsætningsstoffer udvaskes

og påvirkninger fra vand og luft ændrer plastens

kemiske sammensætning. Disse omdannelsespro-

cesser er relativt hurtige (måneder til år).

Alt plastik gennemgår en nedbrydningsproces, der

omfatter både en fysisk nedbrydning og en lang-

sommere kemisk nedbrydning af polymeren. Hvor

hurtigt nedbrydningen foregår afhænger af fakto-

rer som saltholdighed, temperatur og UV-indstrå-

lingen, og der er sandsynligvis steder som dybha-

vet, iltfrie sedimenter eller polarområder, hvor ned-

brydning går overordentligt langsomt. Nedbryd-

ning betyder ikke, at plastikken forsvinder, men

at det nedbrydes til meget små partikler, som ikke

kan ses med det blotte øje. Nedbrydningsprocesser

alene, kan altså ikke forklare det manglende plastik

i verdenshavene.

En forklaring kan være, at de små plastikpartik-

ler bliver mere tilgængelige for organismerne i havet

og forsvinder fra overfladen gennem optag i havets

fødekæder og/eller via bundfældelse pga. begroning.

Når bakterier og senere også større organismer som

muslinger og rurer sætter sig på et stykke plastik,

vil de øge vægten og trække det ned mod bunden.

Line Reeh er kommunika-

tionsmedarbejder

[email protected]

Torkel Gissel Nielsen er

Professor i Biologisk

Oceanograﬁ

[email protected]

Alle ved DTU Aqua

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

På jagt efter mikroplastik

I 2014 var vi med Danmarks største havforskningsskib, Dana,

i Sargassohavet syd for Bermuda for at undersøge ålens

gydepladser. I den forbindelse

ﬁ

k vi mulighed for at udvikle,

teste og bruge en metode til at undersøge, hvor meget mikro-

plastik, der var i havet på Danas 10 uger lange rute fra Hirts-

hals over Atlanten og tilbage igen. Vores fokus var de helt

små mikroplastikpartikler på 10

μm.

Til det formål byggede vi et

ﬁ

ltersystem, som kunne monteres

på DANA’s saltvandsindtag og kontinuerligt indsamle prøver

på en 300

μm

og en 10

μm

ﬁ

lterkapsel langs den over

10.000 km lange sejlrute.

Ruten gik igennem forskelligartede havområder – fra Nord-

søen over det åbne Atlanterhav til Sargassohavet. Og så pas-

serede Dana igennem den Nordatlantiske hvirvel, også kendt

som “Plastikøen”. Plastikøer fandt vi dog ikke, om end vores

togt bekræftede, at der var en højere koncentration af plastik

her end i de andre havområder, som vi sejlede igennem (et

stykke plastik af

ﬂ

aske til

ﬁ

skenet-størrelse blev observeret

ca. hvert andet minut fra toppen af skibet, som sejlede med

10-12 knob). Vi udskiftede

ﬁ

ltrene i vandet fra saltvandsind-

taget cirka hver 12. time og indsamlede i alt omkring 80 prø-

ver.

20%

Stævnindtag (nederst til højre) på Dana. På grund af bølger og skibets bevægelser var

vandet, som vi

ﬁ

ltrerede for mikroplastik, en blanding af vand fra overﬂaden og op til fem

meter ned. Øverst til højre ses

ﬁ

lter i aktion. Fotos: Line Reeh

For at udvikle en standardiseret metode, som på sigt kan

gøre det muligt at sammenligne data fra forskellige studier,

har vi brugt DTU Nanotechs Raman mikro-spektrometer. Det

er et særligt mikroskop, som er udstyret med en laser, der

kan stimulere enkelte partikler ned til 1

μm

størrelse. Afhæn-

gigt af molekylestrukturen af det undersøgte materiale vil

det sprede lyset i et spektrum, som afslører stoffes kemiske

sammensætning, så det kan bruges til at bestemme typer af

plast. Det kræver stadig manuelt arbejde, da man er nødt til

at fortælle instrumentet, hvilke partikler der skal scannes,

men nyere versioner vil gøre det muligt at analysere en prøve

automatisk.

Den foreløbige analyse har vist en lang række typer af mikro-

plastik. Især

ﬁ

bre af syntetiske tekstiler (ca. 32 %), stykker af

fx. plastfolie (ca. 46 %) og fragmenter nedbrudt fra større

plastikgenstande (ca. 22 %). Koncentrationerne var mellem

100 til 400 partikler pr. kubikmeter vand, men varierede

betydeligt mellem de enkelte stationer. Vi analyserer i øje-

blikket sammenhængen mellem fragmenteringsprocesserne

og strømforhold for bedre at forstå spredningen af mikropla-

stik. Størrelsesfordelingen viser langt

ﬂ

ere af de små partik-

ler end af de større, hvilket stemmer overens med teorien om

mikro- og nanofragmentering.

Kort over Danas rute til og fra Sargassohavet, som viser hvor vi tog prøver af mikroplastik.

Diagrammet i toppen af kortet viser den samlede størrelsesfordeling af plastik. En sam-

menligning af koncentrationer af mikroplastik mellem stationerne vil være det næste trin

i den igangværende analyse.

[%]

10%

30 50

110

150

190

230

270

300

Stør

esgr

upp

[

μm]

tø

sgr

ppe

rre

lse

r pp

]

Kristina analyserer spektra af potentielle mikroplastik-par-

tikler i Raman-mikrospektroskopet (i baggrunden til højre).

Foto: Kristina Enders

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

MILJØ

På den måde kan man sige, at plastikstykker renser

havet for organiske miljøgifte ved at “opsamle” dem,

men dermed kan plastikfragmenter med miljøgifte

på overfladen blive en farlig cocktail, hvis de bliver

spist. Et engelsk studie har således vist, at miljøgifte

frigives lettere fra plastikoverfladen i et fordøjelses-

system med lavere pH og højere temperaturer end

det omgivende vand.

Alt i alt kan man sige, at mikroplastik kan påvirke

vandlopperne negativt ved at fortynde deres føde

med ufordøjelige plastikpartikler, og de giftstof-

fer, som er bundet til mikroplastens overflade, kan

optages af vandlopperne og på denne måde bioak-

kumuleres gennem fødekæden.

Koncentrationen af mikroplast i åbent hav er i sig

selv næppe skadelig for de organismer, som æder

dem. Det er dog ganske vigtigt, at vi får svar på, i

hvor høj grad organismernes indtag af plast forstær-

ker ophobningen af miljøgifte i deres væv og der-

med i marine fødekæder, hvor mennesket er øver-

ste led. Dette spørgsmål er ved at blive undersøgt af

bl.a. DTU gennem fordringsforsøg med plast i luk-

kede fiskeopdrætsanlæg.



Videre læsning:

Magnusson, K. & Wahl-

berg, C., 2014. Mikrosko-

piska skräppartiklar i vat-

ten från avloppsrenings-

verk (Microscopic litter

particles in water from

WWTPs, in Swedish) IVL

Svenska Miljöinstitutet,

Rapport B 2208 p. 30.

Cole, M. et al (2013).

Microplastic ingestion

by zooplankton. Environ-

mental Science and Tech-

nology, 47(12), 6646–

6655. doi:10.1021/

es400663f

Cózar, A. et al (2014). Pla-

stic debris in the open

ocean. Proceedings

of the National Aca-

demy of Sciences,

111(28), 10239–

10244. doi:10.1073/

pnas.1314705111

μm

Fotos af mikroplast taget gennem mikroskop. Størrelser er i

mikrometer.

Fotos: Robin Lenz og Kristina Enders

ANNONCE

70 unge greb chancen for at blive ingeniør-

studerende for en dag i 2014.

Ved dine elever, at de kan blive studerende for en dag?

Dine elever har mulighed for at afprøve et

studie, før de bestemmer sig. De følges med

en studerende, så de oplever undervisning,

projektarbejde og studiemiljø.

Det tilbud har Ingeniøruddannelserne på

SDU hele året rundt. Som noget helt særligt

afholder vi den 20. maj et fælles studerende

for en dag-arrangement.

Her samles alle studieretninger i henholds-

verne mulighed for at møde

flere studerende

– og måske kommende studiekammerater

på samme tid.

De studerende viser rundt og snakker med

eleverne om deres studie. Vi giver en sand-

wich og en T-shirt.

Måske kunne det være noget for dine elever?

Studerende for en dag-arrangement

d. 20. maj i Odense og Sønderborg:

Læs mere på

www.sdu.dk/tek/studerendeforendag

Tilmelding og kontakt

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

Bliver man

stærkere af

D-vitamin?

Foto: Colourbox

Forfattere

Mange danskere har om vinteren et for lavt niveau af D-vitamin i blodet.

Udover at dette kan have betydning for udvikling af en række sygdomme,

er der også meget, der tyder på, at et lavt niveau af D-vitamin har en

negativ virkning på vores muskelfunktion.

Rikke E. Larsen, lektor

cand. scient. i human

Ernæring,

[email protected]

Lasse Kristian Suhr,

lektor, cand. scient. i idræt

[email protected]

Michael Kristensen,

lektor, ph.d. i biologi

[email protected]

Alle ved Ernæring og

Sundhed, Professions-

højskolen Metropol.

n af de bedst beskrevne funktioner for D-vita-

min er dets rolle i forbindelse med optagelse af

den calcium (Ca

), man indtager via kosten, og der-

med for opretholdelse af knoglemassen og således risi-

koen for udvikling af knogleskørhed. I de senere år,

har en række studier også sat D-vitamin i relation til

flere andre funktioner i kroppen som fx påvirkning af

immunsystemet, forskellige former for kræft, multi-

pel sklerose og leddegigt. Og det er ikke helt uvæsent-

ligt i forhold til, hvor længe vi lever, som for nyligt er

påvist af danske forskere. De fastslog, at der var en

kraftig forøget dødelighed, bl.a. i forhold til kræft, for

folk med lave koncentrationer af D-vitamin.

den træningsindsats, man lægger hen over vinte-

ren, ikke nødvendigvis står mål med en forbedring

i præstationsevnen. Når det så bliver forår, opleves

det modsat, at der pludselig sker store fremskridt

i præstationsevnen, uden man har ændret på træ-

ningsmængden. Et bud på en forklaring er, at det

skyldes ændringer i mængden af kroppens D-vita-

min. Spørgsmålet er, om danskernes mængde af

D-vitamin i kroppen virkelig falder så meget over

vinteren, at dette er en mulig forklaring, og om

D-vitamin i det hele taget påvirker vores muskel-

funktion? Det vil vi forsøge at belyse nærmere på

baggrund af den eksisterende litteratur på området.

Udover ovennævnte sygdomme, tyder meget også

på, at D-vitamin har en effekt på vores muskula-

tur og dermed på vores præstationsevne. Det er et

velkendt fænomen for mange, der træner meget, at

D-vitamin, indtag og anbefalinger

Der fi ndes to forskellige kilder til D-vitamin:

solen og kosten. Størstedelen af den D-vita-

min, kroppen indeholder (ca. 80-90 %), dannes,

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

SUNDHED

Kilder til D-vitamin, og

den videre omdan-

nelse af D-vitamin til

dens aktive form

1,25(OH)-D-vitamin

Solen

Kosten

Leveren

Dehydro-

kolesterol

UVB-stråler

D-vitamin

Nyrerne

25-OH-D-

vitamin

Aktiv form

1,25(OH)-D-vitamin

Effekt på målvæv

(fx tarm- og

skeletmuskler)

D-vitamin

1,25(OH)-D-vitamin

Indirekte

Direkte

(og fosfat)

optaget fra tarmen

Muskelvæv

(cellulært niveau)

Helkrops Ca

homeostase

Genomisk;

binding til VDR

(proteintranskription)

Non-genomisk

(ændringer i

cellemetabolisme)

Potentielle effekter af D-vitamin på

muskelceller (for detaljer se tekst).

VDR = Vitamin D-receptor.

Muskelfunktion

når huden udsættes for solens UVB-stråler. Når

dette sker, omdannes stoffet dehydrokolesterol til

D-vitamin. I sommerhalvåret har de fleste dan-

skere ingen problemer med at danne nok D-vita-

min. Som hovedregel kræver det blot, at hoved,

arme og ben bliver eksponeret for solens stråler

i 10-15 minutter to til tre gange om ugen. I vin-

terhalvåret fra oktober til marts ser det dog helt

anderledes ud. I den periode står solen i Danmark

så lavt på himlen, at der stort set ikke dannes

D-vitamin i huden, og man er derfor afhængig af

det D-vitamin, som indtages via kosten.

Selv om der er flere forskellige kilder til D-vita-

min i vores kost, kan det i praksis være svært at få

kroppens behov dækket. I perioden 2003 til 2008

var danskernes daglige indtag af D-vitamin fra

kosten på 3,8 μg og 3,1 μg for henholdsvis mænd

og kvinder. Til dette tal skal lægges et gennem-

snitligt indtag af D-vitamin fra forskellige typer

af tilskud på ca. 3 μg/dag. Det samlede indtag lig-

ger dog stadigvæk en del under anbefalingen, der

lyder på 10 μg/dag. I den forbindelse er det værd

at bemærke, at det samlede indtag er et gennem-

snit af befolkningen, hvorfor nogle indtager mere

end den anbefalede mængde, mens andre indtager

betydeligt mindre.

D-vitamin er et fedtopløseligt vitamin og bliver

derfor oplagret i vores fedtdepoter. Trods denne

buffermekanisme har mange danskere sidst på vin-

teren et D-vitaminniveau i blodet, der ligger under

den officielt bestemte nedre grænseværdi på 50

nmol/l. Etableringen af denne grænseværdi har

primært taget udgangspunkt i, ved hvilken kon-

centration af D-vitamin i blodet der ses en stabi-

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

SUNDHED

lisering af calciumniveauet. Ligger koncentrati-

onen under dette niveau, vil kroppen begynde at

nedbryde knoglerne. Det er et problem, da det på

sigt vil øge risikoen for udvikling af knogleskør-

hed. Dog er det uvist, om denne grænseværdi er

optimal i forhold til de øvrige funktioner, D-vita-

min er påvist at influere på, deriblandt muskel-

funktionen.

funktionen, så fænomenet muskeltræthed opstår.

Netop denne forskel på mængden af henholds-

vis Na

- og K

-ioner hhv. inde i og udenfor cellen

er tilsyneladende ændret hos personer, der lider af

D-vitaminmangel. Det kan være én mulig forkla-

ring på D-vitamins direkte påvirkning af muskel-

funktionen.

En konsekvens af, at et aktionspotentiale løber

over en muskelcelle, er en kraftig stigning i kon-

centrationen af calciumioner (Ca

) inde i cel-

lerne. Denne stigning kommer både fra calcium,

der løber ind i cellen, og ikke mindst fra calcium,

der strømmer ud fra et cellulært depot kaldet sar-

koplasmatiske retikulum. Calciumioner er essen-

tielle for, at musklerne kan trække sig sammen.

Det betyder også, at ændringer i calciumkoncen-

trationerne i muskelcellerne kan påvirke især den

maksimale kraft, men formodentlig også kraftud-

viklingen over længere tids arbejde.

Som nævnt regulerer D-vitamin calciumkoncen-

trationen i blodet og dermed også i cellerne, og

D-vitamin kan på den måde indirekte påvirke

muskelfunktionen. Frigivelsen og ikke mindst fjer-

nelsen af calcium fra muskelceller under aktions-

potentialer har også en stor betydning for muskel-

funktionen under fysisk aktivitet. Meget tyder på,

at D-vitamin har en direkte effekt på nogle af de

forskellige proteiner, som er med til at regulere

calciumkoncentrationerne i cellerne.

D-vitamin og muskelfunktion

I forhold til muskelfunktionen tyder det på, at

D-vitamin kan påvirke vævet både direkte og

indirekte. Den direkte påvirkning er, når D-vita-

min optages i muskelvævet og igangsætter for-

skellige processer direkte i dette. Denne mulig-

hed understøttes af, at der i muskler fi ndes D-

vitaminreceptorer. Den indirekte påvirkning på

muskulaturen er D-vitamins funktion i forbin-

delse med den generelle regulering af kroppens

calciumindhold.

Muskelmassen er estimeret til at udgøre ca. 42 %

og 35 % af den samlede kropsvægt for henholds-

vis mænd og kvinder. Muskelceller er karakteri-

seret ved, at der skal dannes et aktionspotentiale,

for at de kan trække sig sammen og dermed gøre

kroppen i stand til at bevæge sig. Et aktionspo-

tentiale er afhængig af, at der er forskel på mæng-

den af henholdsvis natrium- (Na

) og kalium- (K

)

ioner inde i cellen i forhold til udenfor. Under

længerevarende hård fysisk aktivitet har det vist

sig umuligt at opretholde denne forskel. Især den

observerede stigning i kaliummængden uden-

for muskelcellen formodes at hæmme dannelsen

af aktionspotentialer og dermed nedsætte muskel-

D-vitamin i praksis

Forskellige studier indikerer, at ovennævnte teo-

rier i større eller mindre grad også har hold i vir-

D-vitaminmangel og knogleskørhed (osteoporose)

En af de bedst beskrevne funktioner for D-vitamin er dets

Ta r m e p i t h e l c e l l e

Tarmen

Kerne

VDR

1,25(OH)-

D-vitamin

involvering i optagelsen af calcium (Ca

) fra tarmsystemet.

Calcium er nødvendigt for at opbygge vores knogler (knog-

lerne indeholder 99 % af kroppens Ca

). D-vitamin øger kon-

centrationen af det Ca

-bindende transportprotein (CaBP) i

tarmen og er dermed med til at øge optagelse af Ca

fra

denne, samt sænker D-vitamin udskillesen af Ca

fra

B l o d et

mRNA

Proteinsyntese

nyrerne. Samlet set er dette med til at bibeholde en stabil

koncentration af Ca

i blodet.

Omvendt vil mangel på D-vitamin medføre en nedsat opta-

gelse af Ca

fra tarmen. Over tid kan det medføre et fald i

-koncentration i blodet, hvilket stimulerer dannelsen af

CaBP

parathyroideahormonet (PTH). PTH stimulerer nedbrydning af

knoglerne, hvilket er med til at normalisere Ca

-koncentrati-

onen i blodet. Denne mekanisme kan med tiden føre til

Regulering af optagelsen af kalcium fra tarmen og over i blodet. VDR = Vitamin D-recep-

tor, mRNA = messanger RNA,

= kalcium, CaBP = kalciumbindende protein.

udvikling af knogleskørhed.

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

keligheden. Det er således vist, at et lavt D-vita-

minniveau i blodet hæmmer den absolutte

muskelkraft, mens det omvendt kan have en

positiv effekt, når D-vitamin er til stede i større

mængder. Generelt er det dog dårligt belyst, hvor

stor en mængde D-vitamin, det er nødvendigt

at indtage for at sikre en optimal muskelfunk-

tion. Det skyldes både, at indtagelse af D-vita-

min i de enkelte studier ofte ligger relativt tæt på

hinanden (5-25 μgram/dag), og fordi de mæng-

der, der gives, oftest er i underkanten af, hvad der

er foreslået nødvendigt for at bevare en optimal

muskelfunktion. Derudover inkluderer de fleste

studier kun to grupper, en kontrolgruppe, der får

et placebo og en gruppe, der modtager en given

mængde D-vitamin. Derfor er det ikke muligt ud

fra eksisterende litteratur at afklare, hvor stort et

D-vitaminindtag, der er ideelt i forhold til opti-

mal muskelfunktion.

Der er således både i teorien og i praksis meget,

der tyder på, at D-vitamin på en eller anden måde

har en effekt på muskelfunktionen og dermed på

præstationsevnen. Det indikerer også, at den lave

koncentration af D-vitamin mange danskere har,

kan påvirke muskelpræstationen og dermed hver-

dagen for mange danskere.

Bør danskerne indtage mere

D-vitamin?

Som nævnt tidligere er danskernes indtag af

D-vitamin langt fra optimalt i forhold til den offi-

cielle anbefaling på 10 μg/dag. Konsekvensen

er, at en stor del af den danske befolkning sidst

på vinteren har et D-vitaminniveau på under 50

Nedsat muskelstyrke kan for ældre mennesker betyde øget risiko for fald.

Foto: Colourbox

Fødevarer og D-vitamin

Fisk er den bedste kilde til D-vitamin. Det er dog ikke ligegyldigt, hvilke

ﬁ

sk man spiser. Som det fremgår af tabellen, er det

de såkaldte fede

ﬁ

sk, som indeholder langt mest D-vitamin. Derudover er det især æg og mælkeprodukter, der bidrager til

danskernes indtag af D-vitamin - men de indeholder betydelig mindre mængder D-vitamin end de fede

ﬁ

sk.

Fødevare (ﬁsk)

Torskelever, (konserves)

Laks, (gravad)

Torsk, (rogn, konserves)

Makrel i tomat (konserves)

Tun i olie, (konserves)

Skrubbe, (rå)

D-vitamin pr 100 g.

fødevare

100

μg

2,4

μg

2,1

μg

0,8

μg

Mængde af fødevare der skal spises

for at indtage 10

μg

D-vitamin

10 g

33,3 g

90,9 g

0, 42 kg

0,48 kg

1,25 kg

Fødevare (andet)

Æg, hele, rå

Smør, saltet

Svine- og oksekød (hakket)

Ost

Minimælk (0,5 %)

Minimælk, D-vitaminberiget (0,5 %)

D-vitamin pr 100 g.

1,75

μg

0,76

μg

0,6

μg

0,31

μg

0,075

μg

0,75

μg

Mængde fødevare der skal spises

for at indtage 10

μg

D-vitamin

0,57 kg

1,32 kg

1,67 kg

3,22 kg

13,3 kg

1,33 kg

Kilder: Foodcomp.dk og USDA.gov

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

SUNDHED

Relevante links og

andet læsning:

Girgis CM, Clifton-Bligh RJ,

Hamrick MW, Holick MF,

Gunton JE. The roles of

vitamin D in skeletal mus-

cle: form, function, and

metabolism. Endocr Rev.

2013 Feb;34(1):33-83

De Nordiske Nærings-

stofanbefalinger (NNR)

2013. www.norden.org/nnr

Fødevaredatabanken.

DTU Fødevareinstituttet.

www.foodcomp.dk

Muskeltræthedens vel-

bevarede hemmelighed.

Aktuel Naturvidenskab

2009, nr. 2.

nmol/l. Det korte svar er derfor: Ja, de fleste dan-

skere bør indtage mere D-vitamin. Det ville være

optimalt, hvis dette kunne ske via kosten. I prak-

sis har det dog vist sig svært, især da danskerne

spiser for lidt af den vigtigste kilde til D-vitamin,

fede fisk. Nogle mennesker prøver at afhjælpe

dette ved at indtage forskellige typer af tilskud.

En anden metode er berigelse af forskellige føde-

varer med D-vitamin, hvilket blev tilladt i Dan-

mark i 2003.

På DTU Fødeinstituttet undersøgte man i

2010/2011 effekten af at indtage D-vitaminberi-

get mælk og brød på evnen til at opretholde en til-

strækkelig koncentration af D-vitamin henover

vinteren. I alt næsten 800 børn og voksne var ind-

draget i forsøget. Halvdelen modtog de berigede

fødevarer, således at deres normale indtag af brød

og mælk blev erstattet med de berigede fødeva-

rer, mens den anden halvdel fi k fødevarer uden til-

sat D-vitamin. Det viste sig, at de personer, der fi k

D-vitaminberiget brød og mælk var i stand til at

holde et D-vitaminniveau over 50 nmol/l henover

vinteren, hvilket indikerer, at berigelse af fødeva-

rer med D-vitamin kan være en mulig løsning til

at forebygge D-vitaminmangel bredt i den danske

befolkning.

Man bør være opmærksom på, at store mæng-

der af D-vitamin kan være giftigt. Hvor meget,

der skal til for at nå denne grænse, er stadigvæk

til debat, men de Nordiske Næringsstofanbefa-

linger opererer med en øvre grænse for voksne på

100 μg/dag.

Konsekvenser af manglende D-vitamin

Man kan spekulere meget i konsekvenserne af, at

så stor en del af danskerne tilsyneladende har en

lav koncentration af D-vitamin, både i forhold til

knogleskørhed såvel som forskellige sygdomme

og i relation til nedsat muskelfunktion. Emnet er

naturligvis relevant for meget aktive personer her-

under elitesportsfolk, hvor en optimal muskel-

funktion er af afgørende betydning for præstati-

onsevnen. Emnet er dog også yderst relevant for

inaktive personer. En D-vitaminrelateret redu-

cering af muskelkraften kan potentielt gøre folk

endnu mindre aktive med fare for udvikling af

overvægt og diverse livsstilssygdomme. Det er

også relevant for ældre mennesker, hvor muskel-

styrken har indflydelse på, hvor ofte man falder og

dermed for risikoen for knoglebrud.

Der ligger således en vigtig opgave i at klarlægge

den præcise funktion af D-vitamin og muskel-

funktion, når man ser på emnets relevans, både

for den enkeltes livskvalitet og for samfundet som

helhed.



De bedste uddannelser til de bedste studerende

Naturvidenskab på Syddansk Universitet

Er det din plads?

Få tilsendt vores nye uddannelsesmagasin.

Send dit navn og din adresse til

Aktuel

Naturvidenskab

Aktuel

Naturvidenskab

[email protected]

201

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

21 UDDANNELSER OG EN

VERDEN AF MULIGHEDER

Du kan vælge mellem 21 natur- og biovidenskabelige bacheloruddannelser på

Københavns Universitet. Bygger du videre på din viden efter bacheloruddannelsen,

har vi 33 kandidatuddannelser, der kan føre til hundredevis af karrieremuligheder.

21 NATUR- OG BIOVIDENSKABELIGE BACHELORUDDANNELSER:

Biokemi

Biologi

Biologi-bioteknologi

Datalogi

De fysiske fag

Forsikringsmatematik

Fødevarer og ernæring

Geograﬁ og

geoinformatik

Geologi-geoscience

Have- og parkingeniør

Husdyr videnskab

Idræt

Jordbrugsøkonomi

Kemi

Landskabs-

arkitektur

Matematik

Matematik-økonomi

Molekylær biomedicin

Nanoscience

Naturressourcer

Skov- og landskabsingeniør

LÆS MERE OG SE FILM OM

VORES UDDANNELSER OG DINE

MANGE MULIGHEDER PÅ

science.ku.dk

LIKE FACEBOOK-SIDEN

LÆS PÅ SCIENCE - KØBENHAVNS UNIVERSITET

OG FÅ STUDIEINFO DIREKTE PÅ DIN VÆG

kø b e n h av n s u n i v e r s i t e t

d e t n at u r - o g b i o v i d e n s k a b e l i g e f a k u lt e t

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

TEMA: TRE TIGERSPRING FOR MATERIALEFORSKNINGEN

Foto: M. Alexander/2014

Forfatterne

Henning Friis Poulsen,

professor

Institut for Fysik, DTU

[email protected]

På opdagelse

materialernes

indre

Grænserne for, hvad det er muligt at visualisere af materialers indre,

har

ﬂ

yttet sig langt siden de første røntgenbilleder. Med de nyeste

røntgen- og neutronteknikker har forskerne fået kraftfulde redskaber

til at lave 3D-billeder og 3D

ﬁ

lm af de

ﬁ

neste strukturer i alt fra

fødevarer til metaller.

Jens Wenzel Andreasen,

seniorforsker

Institut for Energikonver-

tering og -lagring, DTU

[email protected];

Søren Schmidt,

seniorforsker,

Institut for Fysik, DTU

[email protected]

et er velkendt fra tandlægen og lufthavnen, at

røntgenstråler kan bruges til at gennemlyse

et objekt. Med medicinske skannere er det videre

muligt at danne tredimensionale (3D) billeder af

patienten. I vores arbejde beskæftiger vi os med til-

svarende 3D-visualiseringer i materialeforskningen.

Med disse kan vi studere, hvordan materialer og

komponenter er bygget op. Da man ikke skal skære

prøven op for at gøre det, kan man endvidere følge,

hvordan strukturen ændrer sig med tiden under

fremstilling eller brug.

des. For de fleste ikke-biologiske prøver er strålings-

skade ikke noget problem, og man kan derfor fuldt

udnytte den kraftigere stråling. Det betyder fx, at

opløsningen i billederne konstant forbedres, og i dag

kan være bedre end 10 nanometer (nm). Disse “live”-

film i 3D er en meget kraftfuld måde at forstå mate-

rialer på og bliver derfor i dag brugt indenfor alle

tekniske og naturvidenskabelige discipliner. Fx til

studier af, hvordan olie og vand flyder gennem prø-

ver af undergrunden, og af hvordan en ydre belast-

ning leder til start af en revne i en jernbaneskinne.

Robert Feidenhans’l,

professor

Niels-Bohr Institutet,

Københavns Universitet

[email protected]

Ved at bruge en synkrotron som røntgenkilde i stedet

for dem, der fx bruges på hospitaler og i lufthavne,

kan man have op til en milliard gange flere rønt-

genstråler til rådighed i hvert punkt, der skal afbil-

Røntgentomograﬁ

Ved den klassiske metode til at lave røntgenbille-

der i 3D (røntgentomografi) tages der en række

2D-skyggebilleder af en prøve, mens den roteres om

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

TEMA: TRE TIGERSPRING FOR MATERIALEFORSKNINGEN

en akse vinkelret på belysningsretningen. På vejen

igennem objektet absorberes strålerne mere eller

mindre, afhængigt af den atomare sammensætning

af materialet. Absorptionsgraden vokser med atom-

nummeret og med densiteten af materialet. Hul-

let i tanden kan således ses, fordi luften har en min-

dre densitet end tanden og derfor giver anledning

til mindre skygge. Med kraftfulde matematiske

algoritmer kan man herudfra danne et 3D-billede

af prøven, som i dag kan have 2.000×2.000×2.000

punkter. I et sådant 3D-kort kan man se hundrede-

tusindevis af mindre objekter på én gang og lave en

nøjagtig statistik på deres geometri, og hvordan de

er placeret i forhold til hinanden.

Adgangen til synkrotronstråling har betydet et

kvantespring for røntgentomografien. Tomografi

med sædvanligt røntgenudstyr tager typisk en time.

Med en synkrotron går det langt hurtigere, og de

fleste processer kan følges live. Med en total eks-

poneringstid på under 1/1.000 sekund har man fx

visualiseret, hvordan en dieselstråle injiceres indeni

en motor, og hvordan kemiske processer udbreder

sig under en eksplosion.

Røntgenstrålingen fra en synkrotron kommer des-

uden fra et kildepunkt, der er meget lille og praktisk

taget kun udsendes i én retning. Det betyder, at syn-

krotronstråling egner sig fremragende til alle former

for mikroskopi. Grænsen for, hvad man kan måle i

3D, ændrer sig drastisk i disse år. En opløsning på 5

nm er rapporteret. Til sammenligning er den maksi-

male opløsning i et optisk mikroskop ca. 300 nm.

Maleren Vincent van Gogh genbrugte ofte sine lærreder og

Nye former for kontrast

Som nævnt giver standard-tomografi kun informa-

tion om forskelle i densitet. Evnen til at adskille

materialer med næsten samme densitet er imidler-

tid ikke særlig god, hvorfor man i den medicinske

verden ofte indsprøjter tunge kontraststoffer som

overmalede dermed tidligere malerier. Således dukkede der et

portræt af en kvinde op under dette maleri af en blomstereng,

da forskere undersøgte det med røntgenstråling. Den røde

ramme på billedet viser placeringen af portrættet.

Gengivet med tilladelse. Joris dik et al: Anal. Chem., 80 (16), pp 6436–6442.

2,0

0,5

Tomograﬁsk rekonstruktion

man i teorien kan rekonstruere (beregne) et 3D

billeder, der er taget fra mange vinkler. Opdagel-

sen gik upåagtet hen, indtil Sir Godfrey Houns-

ﬁ

eld og Allan Cormack lavede det første compu-

terprogram, som i praksis kunne udføre beregnin-

gen. For dette

ﬁ

k de Nobelprisen i medicin i 1979.

Vist er et 2D-objekt bestående af en

ﬁ

rkant og en

skive. Når vi sender Røntgenstråler igennem

objektet, dannes en 1D-projektion af absorp-

tionen. Projektionen ændres som funktion af

vinklen theta (θ).

400

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

Aktuel Naturvidenskab

2015

0,0

1,5

1,0

100

200

300

400

1,5

kort af et objekt ud fra en række 2D-skygge-

1,0

Matematikeren Johan Radon opdagede i 1917 at

0,0

0,5

100

200

300

400

100

200

300

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

TEMA: TRE TIGERSPRING FOR MATERIALEFORSKNINGEN

→

Et stykke oksekød

målt med Røntgenfase-

kontrast. Billederne

viser et snit gennem en

3D-rekonstruktion af

oksekødet henholdsvis

før (tv) og efter kogning

(th). Farvelægningen er

foretaget ved hjælp af

en segmentering af

rekonstruktionen. Binde-

vævet ses tydeligt i

begge billeder, og kan

ikke detekteres så tyde-

ligt med sædvanlige

Røntgenabsorption-

målinger.

Et fasekontrastbillede af en 2

μm

solcelle og et snit ned

gennem 3D-rekonstruktionen. Til venstre ses en fasekon-

trast-projektion af en tandem-polymersolcelle, dvs. en “gen-

nemlysning”. Ud fra sådanne gennemlysninger fra mange

forskellige vinkler kan man rekonstruere fordelingen af elek-

trontæthed i 3D. Til højre ses et snit gennem 3D-rekonstruk-

tionen, som viser fordelingen af materiale og porøsitet i de

forskellige lag i solcellen med en opløsning helt ned til 20 nm.

Denne viden kan bruges til at

ﬁ

nde fejl i solcellens opbygning

og til at bestemme, hvordan den kan forbedres.

jod. Indsprøjtning er ikke så meningsfyldt for de

fleste materialestudier, da der ikke er nogen blod-

årer. Men der er i de senere år udviklet nye former

for røntgentomografi, hvor man langt bedre kan

skelne mellem forskellige materialer indeni prøven

og også kortlægge helt nye egenskaber.

Et eksempel er

fasekontrast,

hvor man udnytter, at

røntgenstråling er elektromagnetiske bølger lige-

som synligt lys og derfor brydes ligesom lys i et

prisme. Måler man denne afbøjning, som for rønt-

genstråling er ganske lille, får man en direkte

måling af elektrontætheden i et materiale. Densite-

ten kan dermed bestemmes med langt større nøjag-

tighed end med den sædvanlige måling baseret på

absorption.

Et andet eksempel er

diffraktions- eller spred-

ningskontrast.

I stedet for at se på absorptionen

af røntgenstråler, optager man med denne tek-

nik billeder af det diffrakterede eller spredte sig-

nal fra en prøve – dette indeholder en mængde

krystallografisk og strukturel information.

Ved hjælp af nye rekonstruktionsalgoritmer er

det muligt at kombinere disse billeder til en

3D-kortlægning af mange andre egenskaber end

densitet. Det kan være korn, domæner, fibre i

fiberforstærkede materialer eller de lokale spæn-

dinger i materialet.

Brug af fasekontrast

Fasekontrast er særdeles velegnet til biologiske

prøver og har et stort potentiale til undersøgel-

ser af fødevarer. I fødevarer er det ofte vanskeligt

at adskille de enkelte dele ved almindelig røntgen-

absorption, da forskellene i absorption er ganske

små. Forskningen kan fx dreje sig om sammensæt-

ningen af fedtindholdet, om udviklingen af nye

typer emulsioner til pølser, om detektering af frem-

medlegemer eller om at undersøge, hvordan en

fødevare udvikler sig under frysning, fremstilling

eller tilberedning. Sådanne målinger i 3D er vigtige,

da man dermed ikke behøver at skære fødevarerne

op for at følge med i, hvad der sker i det indre.

Et andet område, hvor vi bruger fasekontrast er til

at studere solceller. Solceller, som trykkes på pla-

stik i lange baner, er et af buddene på hvordan vi

skal høste energi i en fremtid uden fossile brændsler.

De er billige at fremstille, og med de rette blække til

fremstilling af solcellerne er trykkeprocessen meget

enkel. Men plastsolcellerne har også en række udfor-

dringer, både i effektivitet og i holdbarhed, sammen-

lignet med konventionelle solceller. De problemer

kan vi måske løse ved at undersøge og styre struktu-

ren af solcellerne på nanometer-skala. Her viser især

fasekontrast-røntgentomografi sin styrke, da vi med

denne metode kan afbilde strukturer mindre end 20

nm, også i bløde materialer som plastik.

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

TEMA: TRE TIGERSPRING FOR MATERIALEFORSKNINGEN

Til venstre et 3D-kort over korn indeni en aluminiumsprøve (med 1 vægt% magnesium), til højre et 3D-kort over magnetiske domæner i jern-silicium.

Farverne viser, hvordan krystalgitteret i korn og domæner er orienteret i rummet. De er lavet ved brug af hhv. en synkrotron og en neutronkilde.

Venstre: Ikke publiceret (Krill,Gundlach og Schmidt).

Højre: Gengivet med tilladelse fra HZB/Manke, Grothausmann. Reference: Nature Communications (DOI: 10.1038 /ncomms1125)

Med en nyudviklet metode til højopløst fasekon-

trast-røntgentomografi (såkaldt ptychografisk tomo-

grafi) kan vi nu afbilde hele solcellestrukturen i 3D,

og vi håber snart at kunne undersøge strukturen i

det fotoaktive lag med en opløsning, der er bedre

end 5 nm.

Studier af metaller

Metaller består ligesom mange andre materialer

(herunder keramik, ben, sten, jord og is) af mange

små krystaller kaldet korn. De fleste egenskaber af

et metal, såsom dets styrke og evnen til at blive for-

met, afhænger kritisk af størrelsen og formen på

disse korn samt af, hvilke korn der er naboer til

hinanden. Med diffraktions-kontrast kan vi for før-

ste gang direkte visualisere denne 3D-morfologi, og

vi kan studere, hvordan nogle korn “spiser” andre,

når man varmer på metallet, og hvordan helt nye

korn opstår indeni gamle, når man deformerer det.

Det er hermed blevet klart, at mange gængse teo-

rier om metaller, som ikke inkluderer beskrivelsen

af den lokale mikrostruktur, ikke er fyldestgørende,

og nye målinger er essentielle for formuleringen af

nye forbedrede modeller.

at visualisere en lang række materialestrukturer i

3D indenfor fx biologi, geologi, arkæologi, indu-

stri- og energimaterialer. Alene neutronens kraf-

tige spredning på brint gør den velegnet til at følge

fx vandoptag i planter eller følge vandfordelingen i

en brændselscelle. Da neutroner ifølge kvanteme-

kanikken også er bølger, kan de brydes og spredes.

Derfor er der i lighed med røntgenstråling også

muligheder for at lave fase-, diff raktions- og spred-

ningskontrast-målinger med neutroner. Disse nye

teknikker forventes at få et stort gennembrud med

European Spallation Source (ESS) i Lund. Neutro-

ner er også følsomme overfor magnetfelter, så det er

muligt at studere magnetiske domæner, fx i metal-

legeringer.

Videre læsning

Kak & Skaney. (2001)

Principles of Computeri-

zed Tomographic Imaging.

http://www.slaney.org/

pct/pct-toc.html

Banhardt (2008). Advan-

ced Tomographic Met-

hods in Materials

Research and Engine-

ering. Oxford University

Press

Grünzweig (et al.), Pro-

gress in Industrial Appli-

cations using Modern

Neutron Imaging Tech-

niques, Physics Procedia

43 (2013), 231 (Open

access).

Nye muligheder i Lund

Den danske beamlinje på MAX IV-synkro-

tronen, DANMAX, vil blive udstyret med

et tomografi-instrument, der gør det muligt

at bruge alle de nævnte kontrastmekanis-

mer. Dans ke forskere er også stærkt involve-

ret i udviklingen af dataanalysemetoder til

3D-instrumentet ODIN på ESS. Med de to

instrumenter på de to førende kilder vil vi og

mange andre danske forskere få helt nye mulig-

heder for at gå på opdagelse i det indre af mate-

rialer på mange forskellige længdeskalaer og

under realistiske prøveomgivelser.



Visualisering med neutroner

Der er stor forskel på, hvordan materialer vek-

selvirker med neutron- og røntgenstråling. Neu-

tron-tomografi kan derfor med fordel benyttes til

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

TEMA: TRE TIGERSPRING FOR MATERIALEFORSKNINGEN

spids vinkel

på

sygdomme

og medicin

Næsten al medicin virker ved, at et medicinsk molekyle vekselvirker

med et molekyle i kroppen, der direkte eller indirekte er relateret til

sygdommen. Med teknikken småvinkelspredning er det muligt at

undersøge de vekselvirkende molekyler under naturlige betingelser,

hvilket er vigtigt for at kunne udvikle ny medicin.

Forfatterne

Grethe Vestergaard

Jensen, postdoc

Niels Bohr Institutet,

Københavns Universitet

[email protected]

år man behandler sygdomme med medicin, er

formålet at angribe sygdommen helt ned på

molekylært niveau. Det kan fx ske ved at rette op

på et underskud af et bestemt molekyle eller pro-

tein, som når insulin gives til diabetikere. Men også

ved at skrue op eller ned for et velfungerende mole-

kyles aktivitet. Andre sygdomme er relateret til, at

bestemte molekyler i kroppen ikke opfører sig som

tilsigtet. Det gælder fx for en lang række neurode-

generative sygdomme som Parkinsons og Alzhei-

mers sygdom, som er associeret med ophobning af

proteiner i hjernen.

Det aktive stof i medicinen kan både være et pro-

tein eller et lille molekyle som acetylsalisylsyre, der

sammen med kodein er det aktive stof i kodimag-

nyler. Udover selve effekten af lægemidlet er distri-

butionen i kroppen også en vigtig faktor for, hvor

virksomt det er.

For at forstå både sygdommene og deres behand-

ling er det vigtigt at kunne undersøge strukturen af

de implicerede molekyler og proteiner ned på den

mindste skala.

Bente Vestergaard, lektor

Institut for Lægemiddel-

design og Farmakologi,

Københavns Universitet

bente.vestergaard

@sund.ku.dk

Jan Skov Pedersen,

professor

Institut for Kemi,

Aarhus Universitet

[email protected]

ret i et velordnet gitter, tæt omgivet af nabo-protei-

ner. Det er temmelig langt fra de fysiologiske betin-

gelser, som proteinet befinder sig under i kroppen,

hvor det udfører sin funktion. Det er derfor vigtigt

også at få information om, hvordan proteinet og de

andre relevante komponenter i en lægemiddelfor-

mulering opfører sig i opløsning ved den relevante

temperatur og pH. Det kan man få med den teknik,

der hedder småvinkelspredning. Småvinkelspred-

ning giver strukturel information på længdeska-

laen fra 1 til ca. 500 nanometer på alle typer af prø-

ver. Teknikken har en lavere strukturel opløsning

end krystallografi, dvs. man kan fx ikke zoome ind

på positionen af de enkelte atomer. Den helt store

fordel er dog, at man kan se, hvordan biologiske og

medicinske molekyler vekselvirker og danner kom-

plekser under de mere frie og realistiske rammer

udenfor krystallerne. Det giver et mere repræsen-

tativt billede af, hvordan disse processer foregår i

kroppen og er en unik mulighed for at følge proces-

ser under udvikling.

Neurodegenerative sygdomme på nano-skala

Såkaldt neurodegenerative sygdomme som Par-

kinsons og Alzheimers er alvorlige sygdomme, der

resulterer i mistet hjernefunktion. De er forbundet

med dannelsen af meget lange fibre af protein (pro-

teinfibriller), som består af tusindvis af proteinmo-

lekyler i en ændret, inaktiv form. I den farmaceu-

tiske industri er man meget interesseret i at under-

søge tilsvarende fibriller for at kunne forebygge, at

Lise Arleth, professor

Niels Bohr Institutet,

Københavns Universitet

[email protected]

Teknikken krystallografi har været essentiel for den

forståelse, man i dag har af proteiners struktur og

funktion. Her kan den atomare struktur af et pro-

tein bestemmes ud fra diffraktionsmønstre af rønt-

gen- eller neutronstråling. Det kræver dog, at pro-

teinerne er krystalliserede – dvs. at de er place-

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

Småvinkelspredning: SAXS og SANS

I teknikken småvinkelspredning placeres en prøve i en Rønt-

genstråle (Small-Angle X-ray Scattering, SAXS) eller neu-

tronstråle (Small-Angle Neutron Scattering, SANS). Typisk er

prøverne opløsninger eller suspensioner af partikler som

proteiner, emulsions-dråber eller polymerer. Hvert punkt i

partiklerne spreder strålingen og bidrager dermed til det

totale, observerede spredningsmønster. Spredningsmøn-

stret vil derfor afhænge af partiklernes størrelse og form,

hvilket vil sige, at data indeholder information om nano-

strukturen i prøven.

Data opsamles på storskala-faciliteter i stil med MAX IV og

ESS, der er under opbygning i Lund. På nuværende tidspunkt

Røntgen- eller neutronstråle

Det synkrotronbaserede

SAXS-instrument på

storskala-faciliteten

ESRF (European

Synchrotron Radiation

Facility) i Grenoble.

kan data måles fx i Grenoble, hvor der både

ﬁ

ndes en rønt-

gen- og en neutronkilde. Røntgenstråling kan også genereres

Prøve

Spredningsmønster

på detektor

på en lille laboratoriebaseret røntgenkilde, fx et røntgenrør.

Derfor

ﬁ

ndes der også rigtigt gode laboratoriebaserede

SAXS-instrumenter.

Principskitse for et småvinkelspredningsinstrument. Intensi-

teten af den stråling, der spredes fra prøven, detekteres ved

små vinkler, typisk op til 5 grader. Afhængigt af instrumentet

dækker SAXS og SANS størrelser fra ca 1 nanometer og op til

100 eller 500 nanometer.

Det laboratoriebaserede

Røntgenstråling spredes fra elektronerne i prøven, hvorimod

neutronerne spredes fra atomkernerne. Det betyder, at SAXS

og SANS er følsomme overfor forskellige komponenter i par-

tiklerne, hvilket giver forskellige “kontrastforhold” og dermed

komplementær information.

SAXS instrument på Aar-

hus Universitet. Røntgen-

strålen er indtegnet med

gult og den prøve, der

skal studeres, med blåt.

de dannes i protein- og peptidbaserede lægemidler

under fremstillingen.

Det er vanskeligt at studere den strukturelle udvik-

ling af fibrillerne, fordi der på ethvert tidspunkt i

processen findes et væld af forskellige, sameksiste-

rende former, og fordi den relative fordeling mel-

lem disse former udvikler sig over tid. Småvinkel-

spredning har dog vist sig at være et meget velegnet

værktøj til at få central information. SAXS-data er

nemlig additive, hvilket betyder, at man ved grun-

dig analyse af dataserier, der er samlet, mens udvik-

lingen forløber, kan adskille spredningsmønstre

for de enkelte former, der dannes i løbet af proces-

sen og dermed få detaljeret information om deres

struktur. Med denne metode har vi bl.a. undersøgt

fibrildannelsen af proteinet alpha-synuclein, som

er relateret til Parkinsons sygdom. Metoden er sta-

dig særdeles arbejdskrævende, men vi arbejder på et

computerprogram, der kan automatisere analysen.

I vore studier har vi også vist, at lipid-modelsy-

stemer, der imiterer cellevægge, destabiliseres og

destrueres af de protein-former, der dannes tidligt

i forløbet. Vi har påvist, at der undervejs dannes et

aggregat, der består af både protein og lipid. Det er

måske en central del af forklaringen på den celle-

nedbrydning, der observeres i forbindelse med de

neurodegenerative sygdomme. Med denne viden er

vi ét skridt nærmere mod at forstå sygdommen på

molekylær skala, hvilket er forudsætningen for at

kunne behandle den målrettet.

Insulin

For lidt over 100 år siden blev det opdaget, at suk-

kersyge hænger sammen med mangel på signal-

stoffet insulin, som er et lille protein. Hurtigt efter

fandt man ud af, at patienter med sukkersyge meget

effektivt kunne symptombehandles ved at injicere

insulin oprenset fra fx hunde. Siden har bioteknolo-

gerne fundet ud af at fremstille insulin langt mere

effektivt, præcist og dyrevenligt i genmodificerede

gærorganismer. En stor ulempe ved behandling af

sukkersyge med insulin er dog, at stoffet skal inji-

ceres direkte under huden, for at dosen kan styres

tilstrækkeligt præcist. Dette er til gene for de fle-

ste patienter og medfører, at medicineringen ikke

altid bliver tilstrækkeligt god. Derfor har forskere

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

Den molekylære basis for neurodegenerative sygdomme

dette korrelerer med forkert foldning af de sygdomsspeci-

ﬁ

kke proteiner. Vi ved også, at tilstedeværelsen af disse mis-

foldede proteiner kan være giftigt for cellerne. Systemerne

udvikler sig imidlertid på en meget kompleks måde, som det

fremgår af

ﬁ

guren.

Proteiners native fold (hvid trekant øverst til venstre) er den

3D-struktur, der udgør den primære funktionelle tilstand.

Men proteiner er dynamiske molekyler, som i brøkdele af

deres tid er delvist eller helt udfoldede, og den nativt funktio-

nelle tilstand er en ligevægt mellem disse tilstande (illustre-

ret i den mørkegrønne trekant). Proteinerne kan danne oligo-

merer med funktionel relevans, eller aggregere amorft (nedre

venstre hjørne). Imidlertid kan proteinet også antage en form,

Ved neurodegenerative sygdomme dannes proteinﬁbriller af

et sygdomsspeciﬁkt protein. I Parkinsons syge dannes fx

såkaldte Lewy bodies, som indeholder store mængder

ﬁ

bril-

leret alpha-synuclein. Der er dog ikke en simpel sammen-

hæng mellem tilstedeværelsen af

ﬁ

briller og tabet af kogni-

tive funktioner. Man ved, at nervecellerne langsomt dør, men

man forstår endnu ikke den bagvedliggende molekylære

mekanisme. Det er tydeligt, at forskellige faktorer som regu-

lering af cellernes oxidative tilstand og deres normale signa-

lering henover cellemembranen er stærkt forandret, og at

der har potentiale for at interagere systematisk og dermed

danne de højt ordnede proteinﬁbriller (blå boks). Der

ﬁ

ndes

ﬂ

ere forskellige intermediære oligomere former, hvoraf nogle

kan være byggeblokke i

ﬁ

brillen (on-pathway), og andre kan

være midlertidige, stabiliserede former, som ikke fører

direkte til

ﬁ

brilllens opbygning (off-pathway). Nogle af for-

merne er giftige og kan slå celler ihjel. Man regner med, at

dette sker via kontakt til cellens membran, men man ved

ikke hvilken intermediær form, der er præcist ansvarlig for

dette, eller hvad der gør den giftig for celler.

SAXS-data

Moden fibr

en fibril

Midlertidig struktur

Illustration af sammenhængen mellem cellenedbrydning og de tidlige

aggregatformer i processen, hvor proteiner omdannes til

ﬁ

briller i neuro-

degenerative sygdomme som Alzheimers. Baseret på GISAXS-data har vi

kunnet beskrive både de strukturer, der dannes midlertidigt i løbet af pro-

cessen og de modne

ﬁ

briller. Fibrillerne består af mange tusinde proteiner.

De grå strukturer (som dannes midlertidigt) har en diameter, der svarer til

ﬁ

brillens diameter og er sandsynligvis byggesten i

ﬁ

brillen. Når lipid-base-

rede vesikler (modelsystemer for cellerne) tilsættes enten de oprindelige,

native proteiner eller de midlertidige former (grå partikler) kan man obser-

vere, at vesiklerne nedbrydes. Det fremgår af billederne nederst (optaget

med 2-foton mikroskop). Pilen angiver et område, hvor vesikler først går i

stykker og der derefter dannes aggregater af protein og lipid i baggrunden.

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

TEMA: TRE TIGERSPRING FOR MATERIALEFORSKNINGEN

Principper for proteinbaseret lægemiddelformulering

Insulin er godt eksempel på et proteinbaseret lægemiddel,

og den formuleringsstrategi, man benytter til insulin, er i

grove træk den samme, som benyttes til en lang række af

andre proteinbaserede lægemidler. Proteiner, der indtages

oralt, dvs. spises, vil hurtigt blive nedbrudt af fordøjelses-

systemet til enkelte aminosyrer og miste deres relevans som

medicin. Derfor skal de

ﬂ

este proteinbaserede lægemidler

injiceres direkte, enten i blodbanerne eller lige under huden.

Grundlæggende gælder, at proteiner, der injiceres på mono-

mer-form, dvs. som enkelte protein-molekyler, virker hurtigt,

fordi monomeren næsten altid er den aktive form. Proteiner,

der injiceres på oligomerform, dvs. små ansamlinger af

monomerer, virker derimod langsomt, fordi de skal falde fra

hinanden til monomerer, før de kan udføre deres funktion.

Insulin i blodbanen

hexamer

dimerer

monomerer

10 nm

Struktur af insulin-hexamer

”hexamer-konglomerat”

Figur: Når insulinen produceres i den raske krop lagres den

midlertidigt i form af hexamerer koordineret omkring zinkato-

mer (pink kugle). Når insulinhexamererne kommer ud i blodba-

nerne, falder de fra hinanden, først til dimerer og siden til insu-

lin-monomerer, som derefter kan binde til en insulinreceptor,

der igen giver signal til cellerne om, at de skal optage glucose

fra blodbanen. Moderne insulintyper udnytter dette samspil

mellem lagring af inaktivt insulin på hexamerform og aktivt

monomerisk insulin. Når man skal lave hurtigtvirkende insulin,

overﬂademodiﬁcerer man de enkelte insulinmolekyler, sådan

at de i højere grad er på monomer- eller dimer-form. Dermed

virker de umiddelbart efter injektion. Omvendt fås langsomt-

virkende insulin ved at stabilisere hexamererne og overﬂade-

modiﬁcere disse, sådan at de samler sig i større konglomera-

ter. Disse konglomerater af hexamerer skal så først falde fra

hinanden til hexamerer, dernæst skal hexamererne falde fra

hinanden til dimerer, som så til sidst falder fra hinanden til de

aktive monomerer. Alt i alt giver dette en forsinket frigivelse

af insulinen.

både på universiteterne og i medicinalvirksomhe-

derne i mange år arbejdet på at gøre den injicerede

insulin så langtidsvirkende som muligt ved at skabe

bedre kontrol over insulinfrigivelsen. En af de vig-

tigste strategier er at etablere mikroskopiske depo-

ter af insulin lige under huden på patienten. Herfra

vil insulinen så frigives langsomt over lang tid. Der-

med vil patienten ikke skulle injicere insulin alt for

ofte, og insulinniveauet i patienten vil kunne hol-

des mere konstant.

Småvinkelspredning er i de seneste par år blevet en

mere og mere hyppigt benyttet teknik til at få yder-

ligere indsigt i disse mikroskopiske insulinstruk-

turer. Den helt store fordel ved småvinkelspred-

ning er, at man let kan studere insulinmolekylerne

under fysiologisk relevante betingelser. Bl.a. kan

man undersøge, hvordan forskellige modifikatio-

ner af insulinens overflade påvirker mikrostruktu-

ren af insulindepoterne og den måde hvorpå, insu-

linmolekylerne sidder sammen med hinanden. Vi

ved nu, at en af de nyeste kommercielle insulintyper

organiserer sig i lange tynde stave, som igen er dan-

net af enheder af hver seks insulinmonomerer. Med

denne struktur er det mest oplagt, at den aktive

insulin bliver frigivet fra enderne af stavene. Det er

formentlig en vigtig del af forklaringen på, at insu-

linen frigives så langsomt fra denne formulering.

Denne nyttige viden kan bruges som et springbræt

til at finde ud af, hvordan man yderligere kan kon-

trollere frigivelsen af insulin og dermed nedsætte

generne samt øge livslængden og livskvaliteten for

patienterne.

Lægemiddelformuleringer

For at lægemidler kan virke, er det essentielt, at de

kan optages i blodbanen. Det er en udfordring for

de mange lægemidler, der ikke er opløselige i vand.

Derfor er tabletter og kapsler bl.a. tilsat specielle

polymerer, olier og overfladeaktive stoffer, der skal

øge opløseligheden af lægemidlerne i vand. Når

man blander lægemidlerne med disse stoffer, taler

man om

lægemiddelformuleringer.

Polymererne vil

typisk være sammensat af to blokke af forskellige

polymerer, hvoraf den ene er vandopløselig, og den

anden er vandskyende. Når polymeren er opløst i

vand, samles den spontant i nanometer-store aggre-

gater, der kaldes miceller. Heri danner den vand-

skyende blok en kerne, hvori lægemidlet kan oplø-

ses, og den vandopløselige blok omgiver kernen, og

gør hele micellen vandopløselig. Indkapslingen af

lægemidlet i kernen giver yderligere den fordel, at

lægemidlet kan frigives gradvist og langsommere, så

der opnås en konstant koncentration i blodet over

længere tid. Polymer-micellerne er ofte så små, at de

kan krydse blod-hjerne-barrieren, hvis vitale funk-

tion er at forhindre skadelige stoffer og især bakte-

rier og virus i at komme ind i hjernen. Micellerne

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

TEMA: TRE TIGERSPRING FOR MATERIALEFORSKNINGEN

Micelle

Kerne af vandskyende

blokke + lægemiddel

lige blokke: En vandopløselig og en vandskyende blok. Ved

at indkapsle et vandskyende lægemiddel på denne måde,

V d l

Vandopløselige

lig

blokke

kan det gøres opløseligt i blodstrømmen. Til højre ses kon-

trasterne for de forskellige komponenter i tre forskellige

solventblandinger. Det svarer til et SANS-eksperiment,

hvor de forskellige komponenter er “mærket” med deute-

Figuren illustrerer en micelle fra en computersimulering,

baseret på målinger med SAXS og SANS. Micellen består

af lange polymer-molekyler, der igen består af to forskel-

rium (D

O) og undersøgt i forskellige blandinger af H

O og

O. Denne “kontrastvariation” får de forskellige kompo-

nenter til hhv. at fremtræde tydeligt eller blive usynlige.

Videre læsning

Mere om småvinkel-

spredning:

Læs også i dette nummer

artiklen ”Form og funk-

tion på nanoskalaen” af

Dorthe Posselt.

kan således bruges til at levere lægemidler til hjer-

midler frigives langsomt (tyk skal og lægemidlet

nen. For at dette kan gøres, skal man kende og

er fortrinsvist til stede dybt i kernen), mens andre

kunne kontrollere micellernes størrelse og struktur.

lægemidler frigives hurtigt (tynd skal og lægemidlet

Til det formål er småvinkelspredning baseret på

sidder på overfladen af kernen). Denne indsigt kan

både røntgen- og neutronstråling en optimal teknik. bruges til at optimere lægemiddelformuleringen ved

fx at ændre molekylemasse af de to polymerblokke

For nogle polymerer er dannelsen af kerne-skal-

eller typerne af polymerer, der anvendes for blok-

strukturen i micellerne ikke så tydelig, hvis prøverne kene, så der kan opnås en given frigivelseprofil, fx

studeres med småvinkel-røntgenspredning (SAXS).

med konstant frigivelse over tid af lægemidlet, så

I dette tilfælde er småvinkel-neutronspredning

koncentrationen i blodbanen holdes konstant.

(SANS) et fantastisk værktøj til at undersøge micel-

lerne. Når vi bruger SANS, hvor neutronerne spredes

En efterspurgt teknik

fra atomkernene i opløsningen, kan vi ved at “mærke” Småvinkelspredningsmetoden er i løbet af de sene-

kun den ene af blokkene bestemme fordelingen af de ste ti år gået fra at være en halveksotisk metode,

to blokke i strukturen. Dette gøres ved at bruge en

der kun blev benyttet af specialister, til i højere

polymerblok, hvor hydrogen (H) er udskiftet med

og højere grad at være en metode, der benyt-

tungt hydrogen, deuterium (D), der foruden den

tes af en bredere skare af forskere og udviklere til

sædvanlige proton også har en neutron i sin atom-

at få essentiel information om medicinske mole-

kerne. Når micellerne så opløses i almindeligt vand

kyler og sygdomsrelaterede molekylære struktu-

O), kan neutronerne se den deutererede blok,

rer. Metoden er en af de mest efterspurgte teknik-

mens vi ved at opløse den i tungt vand (D

O), vil se

ker på de internationale neutronspredningsfacili-

den blok, der ikke er deutereret ved hjælp af neutro-

teter, og på røntgen-synkrotronerne har den været

nerne. Man kan derefter gå skridtet videre og studere en stærkt voksende teknik de seneste ti år og er

fordelingen af et lægemiddel ved delvist at mærke

en central del af instrumentporteføljen på de fle-

det med deuterium og så undersøge flere blandin-

ste internationale faciliteter. Småvinkelspredning

ger af H

O og D

O. Dermed får man “flere lignin-

er dog stadig en relativt svært tilgængelig metode,

ger” til de “flere ubekendte”, som man kan bruge til

fordi det kræver et stort analysearbejde at fortolke

at bestemme, hvor de enkelte bestanddele er placeret

data, og den vil næppe lige med det første blive en

i forhold til hinanden. Denne metode kaldes også for fuldt automatiseret og bredt tilgængelig screening-

kontrastvariation, da synligheden af de enkelte kom- metode. Dog er der en lang række af situationer,

ponenter varieres ved at variere H

O/D

O-indholdet hvor småvinkelspredning giver essentiel informa-

i den opløsning, der udgør baggrunden.

tion, der vanskeligt kan fås på andre måder. Der

arrangeres derfor store internationale kurser flere

Resultaterne for kernestørrelse, skaltykkelse og pla-

steder i verden med henblik på at uddanne flere

cering af lægemidlet forklarer, hvorfor nogle læge-

unge forskerer indenfor feltet.



Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

Fysiklærerdag

om plasmafysik og

fusionsenergi

Kom til fysiklærerdag

og hør foredrag, der gør dig

klogere på plasmafysik og fusionsenergi

- og ikke mindst den forskning inden for emnet, der foregår på

DTU Fysik. Du får også mulighed for at komme i laboratoriet og

teste nye øvelser udviklet til dig og dine elever.

Tidspunkt: Torsdag den 8. oktober 2015.

Læs mere, og tilmeld dig på

to:

Foto

www.nanoteket.fysik.dtu.dk

Fysiklærerdagen giver dig input til undervisningen. Det er gratis at deltage,

men der er begrænset deltagerantal. Fysiklærerdagen foregår på DTU i Lyngby.

Aktuel Naturvidenskab

2015

Fot

ild

ork

ris

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

TEMA: TRE TIGERSPRING FOR MATERIALEFORSKNINGEN

Form og funktion

på

nanoskala

Naturen er mester i at skræddersy systemer af selvorganiserende

molekyler med de rette egenskaber til en given opgave. Med røntgen- og

neutronspredning kan vi studere både naturens komplekse strukturer og

mere simple syntetiske systemer. Vi kan dermed lære, hvordan form og

funktion hænger sammen, og hvordan sammenhængen kan

ﬁ

ntunes.

vordan opstår struktur og mønstre i naturen?

Hvordan er funktion og “performance” knyt-

tet til den underliggende struktur? Er det muligt

at efterligne nogle af naturens byggeprojekter på

en kontrolleret måde? Hvordan kan fysiske meto-

der være med til at belyse sådanne spørgsmål? Disse

store spørgsmål inspirerer de forskningsprojekter, jeg

arbejder med i det daglige, der handler om bløde

materialers struktur og dynamik. Bløde materia-

ler er alt det i vores omgivende verden, der er nemt

at deformere og som ofte fremtræder som en mel-

lemting mellem væske og fast stof – tandpasta, cre-

mer, salatdressing, blod, cellemembraner mv. Jeg vil

i denne artikel give to eksempler: et “syntetisk”, hvor

to lange molekylkæder er koblet sammen og et bio-

logisk, der handler om det fotosyntetiske membran-

system i grønne planter. Syntetiske molekyler kan

skræddersys af en dygtig kemiker, og det er således

til en vis grad muligt at designe systematiske under-

søgelser af en samling veldefinerede molekyler, som

beskrevet nedenfor. Biologiske systemer er mere

komplekse og ukontrollable og udviser en høj grad

af variation, der i særlig grad er med til at udfordre

fysikkens værktøjskasse.

er fedtopløselig (man siger, de er amfifile). I vandig

opløsning organiserer phospholipidmolekyler sig der-

for i strukturer, hvor de vandskyende haler beskyttes

mod vandfasen af de vandelskende hovedgrupper. Et

eksempel er et phospholipid-dobbeltlag, der fungerer

som grundstruktur i en cellemembran.

I nanoteknologi udnytter man frustrerede molekylers

evne til at organisere sig selv i en struktur med en

karakteristisk længdeskala på 10 – 100 nm. Kemi-

kere skræddersyr molekyler med bestemte egenska-

ber og nøje udvalgte frustrationer, således at en sam-

ling af molekylerne selvorganiserer sig i strukturer,

der kan bruges som udgangspunkt for fremstilling af

fx nanoporøse membraner, støbning af nanolednin-

ger eller til nanolitografi.

Studier af selvorganiserende polymerﬁlm

Jeg arbejder med såkaldte diblok copolymerer, der

er et eksempel på en selvorganiserende struktur. En

polymer er sat sammen af mange ens grundenhe-

der, monomerer, der er koblet i en lang kæde. Og

en diblok copolymer består af to kemisk forskellige

polymerkæder, der er sat sammen med en kemisk

binding. De to halvdele frastøder hinanden, og hvis

ikke de to kæder var koblet sammen, ville de danne

helt adskilte faser. Ved at variere temperaturen, den

samlede længde af polymerkæden og den indbyrdes

længde af de to polymerkæder, kan diblok copolyme-

rer danne mange forskellige strukturer.

I samarbejde med en gruppe fra Det Tekniske Uni-

versitet i München studerer jeg strukturen i tynde

film af diblok copolymerer. Sådanne film laves ved at

opløse diblok copolymerer i et organisk opløsnings-

middel og placere en dråbe på en tynd skive af fx sili-

cium, der roteres med høj hastighed. Efterhånden som

opløsningsmidlet slynges væk, belægges siliciumskiven

med en tynd film af diblok copolymer. Med det rette

Når strukturer laver sig selv

Forfatteren

Dorthe Posselt, lektor i

fysik, IMFUFA, Institut

for Natur, Systemer og

Modeller

Roskilde Universitet

[email protected]

Selvorganisering betyder, at en samling af molekyler

lokalt og spontant organiserer sig i en ordnet struk-

tur – altså uden ydre styring af processen – syste-

met “syr” så at sige sig selv. I naturen er der tale om

den ypperste form for skrædderkunst, Haute Cou-

ture: I mitokondrier og i grønkorn findes fx mem-

bransystemer med et fascinerende design, hvor form

og funktion går op i en højere enhed. Drivkraften

bag selvorganisering er som oftest frustrerede mole-

kylære byggesten, som fx phospholipider, der danner

grundstrukturen i en biologisk membran. Phospholi-

pider er “frustrerede”, fordi de er delt i to – en hoved-

gruppe, der er vandopløselig og en halegruppe, der

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

TEMA: TRE TIGERSPRING FOR MATERIALEFORSKNINGEN

Selvorganiserende polymerﬁlm

Som vist øverst på

ﬁ

guren består diblok copolymerer af to

kemisk forskellige polymerkæder holdt sammen af en

kemisk binding. Hvis ikke A og B var bundet sammen, ville de

to slags molekyler danne helt adskilte faser. Ved at variere

temperatur og længden af A- og B-kæderne kan sådanne

diblok copolymerer danne mange forskellige strukturer. Hvis

A er lige så lang som B, kan der dannes en lagdelt struktur

med lameller (til venstre) og hvis A er mindre end B, kan der

vet af B (midten). Endelig kan A danne kugler, der er placeret

på et velordnet gitter og omgivet af B (yderst til højre). Den

karakteristiske tykkelse af lameller, stænger og kugleradius

er ~ 10-100 nm.

Et vigtigt resultat af vores eksperimenter er mekanismen

illustreret nederst på

ﬁ

guren: Et organisk opløsningsmiddel

på dampform (fx toluen) trænger ind i en diblok copolymer

ﬁ

lm af polystyren-polybutadien med en lagdelt struktur som

vist på den midterste

ﬁ

gur yderst til venstre. Ved hjælp af

GISAXS kan der optages en “ﬁlm” af processen, og på den

måde har vi fundet ud af, at diblok copolymererne først bliver

mere udstrakte, når de blandes med opløsningsmidlet, hvil-

ket koster i entropi – systemet bliver mere ordnet. Dernæst

ruller polymerkæderne sig sammen igen, hvorved de får et

større tværsnitsareal, og lamellerne begynder således at

“bule” op for at få plads til det øgede areal. En stak af lamel-

ler bryder derfor op og danner en stak med

ﬂ

ere, men tyn-

dere lag.

Efter Papadakis et al, 2008, Langmuir, vol.24, side 13815

Diblok-copolymer

Molekyle A

Molekyle B

10-100 nm

dannes stænger af A stablet på en velordnet måde og omgi-

GISAXS

I teknikken ”røntgen-småvinkelspredning i reﬂeksionsgeo-

metri” (GISAXS) sendes røntgenstråler ind mod prøveover-

ﬂ

aden i en vinkel på omkring 1/10°. Ved at vælge den rig-

tige vinkel kan vi opnå, at røntgenstrålen trænger ned i

vores diblok copolymer-ﬁlm og bliver reﬂekteret fra den

underliggende siliciumskives overﬂade, således at et stort

prøvevolumen belyses, uden at røntgenstrålen dæmpes ved

passage af siliciumskiven. På den måde kan vi få informa-

tion både om en eventuel lagdeling i

ﬁ

lmen og om struktu-

rer parallelt med prøveoverﬂaden. Figuren viser et eksem-

pel på et GISAXS-“map” fra en

ﬁ

lm med en lagdelt struktur,

hvor lagene har alle mulige ”skæve” orienteringer, hvilket

ses som en halvcirkel af høj intensitet. Intensiteten er

højest i røde områder og aftager med gul-grøn-blå. Hvis

ﬁ

lmen er lagdelt, giver lag (lameller) parallelt med

ﬁ

lmover-

ﬂ

aden anledning til intensitetsvariation langs q

, mens

lameller, der står vinkelret på overﬂaden, giver anledning til

intensitetsvariation langs q

. Mønstrene i et GISAXS-map er

interferensmønstre, der opstår ved overlap af forskellige

dele af den spredte røntgenbølge.

GISAXS er en videreudvikling af teknikken SAXS (røntgen

småvinkelspredning), hvor røntgenstråler sendes vinkelret

ind på prøven og den spredte stråling måles bag prøven

efter at have passeret gennem prøven. I stedet for røntgen-

stråling kan samme type måling udføres med neutroner – i

så fald hedder teknikken SANS. I vores studier af thylakoid-

membraner benyttes både SAXS og SANS, og prøven, der er

en grøn “ærtesuppe”, er under målingerne hældt i en behol-

der af glas.

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

TEMA: TRE TIGERSPRING FOR MATERIALEFORSKNINGEN

design af diblok copolymeren og den rette efterbe-

handling kan man få en film med en struktur, hvor en

samling af den ene slags molekyle i copolymeren dan-

ner lodret stående “stænger” omgivet af en samling af

den anden slags molekyler. Ved at ætse stængerne væk

kan filmen eksempelvis bruges som støbeform for tæt-

liggende nano-ledninger, som laves ved at fylde de

tomme huller op med et ledende materiale.

processer. Ilt frigives til atmosfæren undervejs i foto-

syntesen, og fotosyntese er således en af de mest fun-

damentale biokemiske processer overhovedet.

Selve thylakoid-membranen er foldet i en kompli-

ceret tredimensionel struktur. Som i tilfældet med

de lamel-dannende diblok copolymerer, er det cen-

trale element en stak af “lameller”, der dog er betyde-

ligt mere kompliceret i dette tilfælde. Stakken består

af fladtrykte “sække” (thylakoider) af membran, den

såkaldte grana-stak, der er omvundet af stroma-

lameller, der forbinder de enkelte sække i stakken og

desuden forbinder nabo-stakke. Strukturen er derfor

hierarkisk opbygget med flere karakteristiske længde-

skalaer, der rækker fra størrelsen af et enkelt lipidmo-

lekyle over størrelsen af et proteinkompleks og tyk-

kelsen af en enkelt fladtrykt “sæk” i stakken til stør-

relsen af en hel stak, bestemt af antallet af lag i stak-

ken. Denne organisering har en funktionel betyd-

ning i den komplicerede biokemi bag fotosyntesen.

Bl.a. findes nogle proteiner kun i grana-stakken,

mens andre fylder for meget til, at de kan sidde i de

tætte lag og er i stedet lokaliseret i stroma-lamellerne.

Perfektionering af

ﬁ

lm-strukturen

I vores studier er vi især interesserede i, hvorledes man

kan kontrollere og perfektionere strukturen i filmen,

og i, hvilke omorganiserings-processer der finder sted,

når filmen vekselvirker med organisk opløsningsmid-

del på dampform. Til det formål benytter vi os af en

røntgenspredningsteknik kaldet GISAXS (der står for

Grazing Incidence Small-Angle X-ray Scattering), der

giver information om nanoskala-struktur både langs

med filmoverfladen og ned gennem filmen.

Vi studerer film med forskellige nanostrukturer, fx en

film bestående af vandrette lag (lameller) af de to poly-

merhalvdele i diblok copolymeren på skift. Vi fylder

prøvekammeret, hvori polymer-filmen er monteret,

med organisk opløsningsmiddel på dampform. Opløs-

ningsmidlet trænger ind i polymerfilmen, hvor det vir-

ker som “smøremiddel”, der gør det muligt for mole-

kylerne at flytte rundt og dermed omorganisere film-

strukturen. Vi kan med GISAXS optage en “film”, der

følger strukturomdannelsen i polymerfilmen, mens

den sker. Billederne i filmen er ikke direkte billeder af

molekylerne, men komplicerede mønstre, hvis fortolk-

ning kræver en del modellering og regning.

Den viden, vi opnår, er interessant i sig selv: Hvor-

dan kan en samling indfiltrede spaghetti-lignende

molekyler vikle sig ud af hinanden og finde sam-

men i nye strukturer? Men det har også mere prak-

tisk betydning for fremstillingen af diblok copoly-

merfilm uden defekter i strukturen og med en på for-

hånd veldefineret struktur. Vi kan således på forhånd

bestemme, om fx stænger står op eller ligger ned i

den færdige, tørre polymerfilm ved at behandle med

damp på den rigtige måde.

Kobling af struktur og funktion

I samarbejde med en ungarsk forskningsgruppe

undersøger jeg thylakoid-membranen med rønt-

gen- og neutron-småvinkelspredning. Vi bestemmer

den karakteristiske afstand i en grana-stak og imel-

lem stroma-lamellerne, der for grana-stakken typisk

er omkring 17 nm og for stroma-lamellerne omkring

30 nm. Da prøven er i vandig opløsning under betin-

gelser svarende til de fysiologiske, kan vi med denne

teknik studere dynamikken i thylakoid-membran-

strukturen. Fx kan vi påvirke systemet ved at belyse

det og følge, hvordan strukturen ændrer sig og tilpas-

ses de nye betingelser. Det viser sig, at membransy-

stemet skrumper, når vi belyser det med hvidt lys, og

at systemet vender tilbage til sin oprindelige struktur,

når lyset igen slukkes. Tidskonstanten for de obser-

verede ændringer afhænger af intensiteten af det

anvendte lys – for belysning skrumper systemet med

en typisk tidskonstant på omkring 35 s, mens en

hurtig (~ 2s) og en langsom proces (~100 s) er invol-

veret, når lyset slukkes, og systemet vender tilbage til

sin oprindelige struktur. Ved at gribe ind i den foto-

syntetiske proces kan vi manipulere systemet og der-

med koble struktur til funktion. Fx kan vi stimulere

forskellige dele af elektron-transportprocessen i foto-

syntesen ved at tilsætte forskellige elektron-accepto-

rer eller -donorer og iagttage, hvordan dynamikken i

systemet påvirkes ved belysning.

Fotosyntesen er en meget kompliceret proces med

mange deltrin, og det er et område, hvor der forskes

meget og med bidrag fra mange forskellige naturvi-

denskabelige discipliner. Den information, vi opnår

med vores eksperimenter, giver en brik til det store

puslespil, det er at forstå fotosyntesen – og eventu-

elt blive i stand til at lave kunstig fotosyntese, dvs.

Øverst ses ærteplanter,

der er dyrket under kon-

trollerede forhold.

Nederst ses en opkon-

centreret prøve af thy-

lakoid-membraner iso-

leret fra grønkorn i ærte-

bladene – når vi måler

på “ærtesuppen”,

fortynder vi den først

med vand.

Videre læsning

Peter Willendrup m.ﬂ:

Tre tigerspring for mate-

rialeforskningen. Aktuel

Naturvidenskab nr.

1/2015

Vigild, M. E. og Morten-

sen, K.: Neutroner og

polymerer – Nanotekno-

logi. Kvant, maj 2007.

Jensen, G.V.; Vesterga-

ard, B.; Pedersen, J.S. og

Arleth, L.: En spids vinkel

på sygdomme og medicin

Aktuel Naturvidenskab,

2/2015.

Mere om fotosyntese

Bibi Ziersen m.ﬂ.: Drevet

af lyset – fotosyntesen

på arbejde. Aktuel Natur-

videnskab 1/2013

Selvorganisering i naturen

Sammenlignet med de syntetiske film, vi arbejder

med, er en biologisk cellemembran et eksempel på

en meget mere kompliceret selvorganiserende struk-

tur. Som nævnt består cellemembranen grundlæg-

gende af et dobbeltlag af phospholipider, og i denne

struktur er der indlejret store proteinsystemer, som fx

sørger for transport af ioner ind og ud af cellen. Kon-

kret studerer vi thylakoid-membranen, som findes i

grønkorn (kloroplast-organellerne) hos grønne planter.

Thylakoid-membranen er hjemsted for alle de protein-

komplekser, der er aktive i fotosyntesen, hvor absorp-

tion af sollys driver omdannelsen af kuldioxid og vand

til sukkerstoffer. Sukkerstofferne binder kemisk energi,

der kan bruges af planten til at drive andre biokemiske

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

Thylakoidmembranens opbygning

I vores eksperiment bruger vi typisk friske

ærte- eller spinatblade som udgangspunkt.

De enkelte bladceller indeholder grønkorn

(kloroplast), hvis grønne farve skyldes kloro-

fyl. Indeni grønkornet er thylakoid-membra-

nen foldet op i en kompliceret struktur med

grana-stakke forbundet af stroma-lameller.

De biokemiske elementer i fotosyntesen, fx

protein-komplekserne fotosystem I og foto-

system II, er indlejret i og forbundet til thy-

lakoid-membranen. En grana-stak består af

en stabel af thylakoider,

ﬂ

adtrykte “sække”

af membran, der adskiller et indre vandigt

rum, lumen, fra et ydre vandigt rum, stroma.

Både lumen og stroma er hver for sig ét sam-

menhængende rum. De enkelte grana-stakke er omvundet af stroma-lameller, der forbin-

der de enkelte thylakoid-sække i grana-stakken og desuden forbinder nabo grana-stakke.

Grana-stak

Stroma-lameller

Lumen

Stroma

røn

Stroma-lameller

Thylakoid

Grana-

stak

Lumen

Illustration: Efter CC-BY-SA-3.0 via Wikimedia Commons

Stroma

Lumen

Fotosystem I

Fotosystem II

Figuren viser, hvordan to centrale proteinkomplekser i foto-

syntesen (fotosystem I og fotosystem II) sidder placeret i

thylakoid-membranens dobbeltlag af phospholipider. Et

enkelt phospholipidmolekyle er angivet skematisk med en

vandopløselig hovedgruppe og to vandskyende “haler”.

Hovedgrupperne skærmer dobbeltlagets vandskyende indre

mod vandfasen udenfor membranen. På samme måde har

proteinkomplekserne områder, der er vandopløselige og

områder, der er vandskyende, hvorfor disse sidstnævnte er

placeret indeni membranen. På

ﬁ

guren skelnes membranens

to sider – den ene side vender indad mod lumen og den

anden udad mod stroma. Fotosystem II beﬁnder sig i thy-

lakoid-membranens grana-stakke, hvor thylakoiderne er sta-

blet meget tæt. Dette kan lade sig gøre, fordi fotosystem II

næsten ikke stikker ud til stromasiden, så de enkelte thylako-

ider kan komme tæt på hinanden. Fotosystem I fylder deri-

mod til stromasiden og der er ikke plads i grana-stakken – i

overensstemmelse hermed er fotosystem I placeret i stroma-

lamellerne. Denne strukturelt begrundede adskillelse afspej-

les i den detaljerede biokemiske fotosynteseproces.

opfange og lagre energien fra sollys i kemiske bindin-

ger med en proces, der kan kontrolleres og effektivi-

seres i højere grad end dyrkning af planter. En stor

fordel ved at bruge spredningsteknikker fremfor fx

elektronmikroskopi, der ellers er en meget anvendt

teknik i biologi, er, at vi ikke behøver at fiksere og

”farve” prøven med forstyrrende kemikalier. Da prø-

ven ikke fikseres, kan vi undersøge dynamik, dvs.

ændringer i tid, som ovenfor beskrevet.

Nye muligheder venter

Studiet af lipid-membraner med indlejrede protein-

komplekser kan også lære os noget mere generelt om,

hvordan strukturer dannes i naturen. Et protein ind-

lejret i et lipid-dobbeltlag er med til at drive selvor-

ganiseringen af den foldede membranstruktur gen-

nem en tilpasning af form og vekselvirkninger. Det

er muligt at lave en film af lipid-membran i mange

lag på en tynd siliciumskive, og det er derfor også

muligt at anvende GISAXS til at studere protein-

organiseringen i membranen. Hvor vi i eksemplet

med diblok copolymer skelner områder af de forskel-

lige diblok copolymer-halvdele fra hinanden, vil vi i

det biologiske tilfælde kunne skelne områder, hvor

lipid dominerer fra områder med protein. Den tilsva-

rende teknik med neutroner (GISANS) har et stort

potentiale i denne sammenhæng, men rummer også

mange udfordringer. Det vil derfor være et område,

hvor den nye forskningsfacilitet European Spallation

Source ved Lund vil være med til at åbne op for nye

og spændende muligheder for at studere naturlige og

syntetiske materialers Haute Couture.



Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

ONLINE

INGENIØR-

UDDANNELSE

Bliv i din hverdag,

mens du læser til ingeniør.

Læs mere på

bachelor.au.dk/elektronikingeniør

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

TEMA: TRE TIGERSPRING FOR MATERIALEFORSKNINGEN

Molekylære

magnetiske

materialer

- studeret med neutroner

Vekselvirkninger mellem uparrede elektroner, der ikke er engageret i

kemisk binding mellem atomer, giver molekyler magnetiske egenskaber.

Enkelte molekyler kan derfor fungere som individuelle magneter, logiske

enheder, kølere mv. Vekselvirkningerne, der bestemmer de magnetiske

egenskaber, kan undersøges effektivt vha. neutronteknikker.

år man lagrer data på sin harddisk, er der tale

om magnetisk hukommelse. Vekselvirkninger

mellem uparrede elektroner i atomerne i det materi-

ale, harddisken består af, skaber små magnetfelter, der

som små stangmagneter kan vendes i to forskellige

retninger svarende til nuller og ettaller. Harddisken

kan holde på informationen, fordi det kræver energi

at vende retningen på de små magneters poler.

tisk informationslagring. Dels er det vanskeligt at

adressere de enkelte molekyler tilstrækkeligt hur-

tigt, og dels fungerer den magnetiske hukommelse

af enkeltmolekyle-magneter stadig kun ved tem-

peraturer, der er for lave til at være praktisk anven-

delige.

Informationslagring er dog ikke den eneste poten-

tielle anvendelse af enkeltmolekyle-magneter. Hvis

man er i stand til at sammenknytte informationen

indeholdt i de magnetiske tilstande for flere enkelt-

molekyle-magneter og foretage operationer på disse

kollektive tilstande, så har man konstrueret en

såkaldt kvantecomputer. I denne sammenhæng er

levetiderne af de magnetiserede tilstande, og der-

med temperaturbegrænsningerne, mindre væsent-

lige. Derfor repræsenterer kvantecomputing nok det

mest realistiske anvendelsesperspektiv for enkelt-

molekyle-magnetisme.

Forfatterne

Tidligere anså man magnetisk hukommelse som et

fænomen, der kun kunne observeres, når et meget

stort antal uparrede elektroner vekselvirker i domæ-

ner i faste stoffer (som i en harddisk eller en køle-

skabsmagnet). Stærke vekselvirkninger mellem de

uparrede elektroner gør, at de magnetiske momen-

ter for et helt domæne skal vendes samtidigt for at

ændre retningen på magnetens poler.

I begyndelsen af 1990’erne skete et paradigmeskift

indenfor forståelsen af de magnetiske egenskaber af

molekylære forbindelser: Man fandt, at nogle mole-

kyler kunne opføre sig ligesom makroskopiske mag-

neter og udvise magnetisk hukommelse. I mod-

sætning til klassiske magneter, hvor vekselvirkning

mellem elektroner i store domæner skaber barrieren

for at ændre magnetiseringen, så er det på det mole-

kylære plan indbyggede energibarrierer i moleky-

let, som gør ændringen af molekylets magnetisering

til en langsom proces. Enkeltmolekyle-magneter er

interessante, fordi de principielt repræsenterer den

tætteste informationslagring, man kan forestille sig.

Der er dog store praktiske problemer forbun-

det med at anvende enkelte molekyler til magne-

Kasper Steen Pedersen,

postdoc ved CRPP Bor-

deaux, tidligere ph.d.-

studerende ved KU

[email protected]

Hvad er en molekylær magnet?

En god molekylær magnet er indrettet sådan, at den

har en lav energi, når dens magnetiske moment er

ensrettet eller modsat rettet af et ydre magnetisk

felt, mens den har en høj energi, når dets magneti-

ske moment er vinkelret på et ydre magnetfelt. Der-

ved opstår der en energibarriere for at vende mag-

netiseringen (magnetpolerne) for molekylet, hvil-

ket er afgørende for at molekylet kan “holde på” sin

magnetisering.

For at forstå og optimere egenskaberne af moleky-

lære magnetiske materialer er det helt afgørende at

kunne bestemme den energimæssige fordeling af

Mikkel Agerbæk Søren-

sen, ph.d.-studerende,

mikkel.agerbaek@

chem.ku.dk

Högni Weihe, lektor

[email protected]

Jesper Bendix, professor,

[email protected]

Alle ved Kemisk Institut

Københavns Universitet

Akt

turvid

kab

uel

Naturvidenskab

Aktuel

Natur

vid

ens

ska

201

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

TEMA: TRE TIGERSPRING FOR MATERIALEFORSKNINGEN

En enkeltmolekyle-mag-

net, der kun indeholder

et enkelt magnetisk

center (Er

; et af lantha-

noid-grundstofferne)

vekselvirker med neutro-

ner og giver et informati-

onsrigt spektrum

(orange, til højre) som

afslører hvordan omgi-

velserne har påvirket

energiniveauerne på

metalcenteret.

de lavtliggende tilstande, som bidrager til moleky-

lets magnetiske egenskaber. Magnetiske vekselvirk-

ninger foregår på en energiskala, som er meget vel-

egnet til eksperimenter med såkaldt uelastisk neu-

tronspredning. Med denne teknik er det muligt

direkte at observere energiforskelle mellem til-

stande, der fremkommer, når metalioner vekselvir-

ker indbyrdes. Man får derved direkte bestemt styr-

ken af vekselvirkningen mellem de magnetiske byg-

gesten, der indgår. Desuden er neutronspektroskopi

meget velegnet til at undersøge effekten af de umid-

delbare omgivelser (det såkaldte ligandfelt) på ener-

giniveauerne af de tunge grundstoffer, herunder de

grundstoffer, der er beslægtede med uran (actino-

iderne) og de sjældne jordarter (lanthanoiderne),

som er nogle af de vigtigste grundstoffer for mole-

kylære magnetiske materialer.

grundstoffer ved at kunne have helt op til syv upar-

rede elektroner på et enkelt atom. Derudover vek-

selvirker elektronernes spin for tunge atomer stærkt

med det magnetiske moment, der opstår, når elek-

tronen cirkulerer omkring atomkernen. Det gør de

magnetiske egenskaber meget følsomme overfor

metalcenterets omgivelser. Gennem kemisk syntese

kan man kontrollere lanthanoidionens omgivelser

og dermed de magnetiske egenskaber.

Et eksempel på et sådan system er molekylet

Er(trensal), hvor en erbiumion (Er

) er bundet til

et organisk molekyle gennem fire nitrogenatomer

og tre oxygenatomer, som definerer den magneti-

ske ions nærmeste omgivelser. Til at bestemme for-

delingen af de energiniveauer, der giver de magneti-

ske egenskaber er neutronspektroskopi ideel, og ved

hjælp af denne teknik er fordelingen af de lavestlig-

gende energiniveauer i Er(trensal) blevet observe-

ret direkte.

Det er muligt kemisk at manipulere det organiske

molekyle, der binder til Er

-ionen. På den måde

kan vi fremstille systemer med små strukturelle for-

skelle til den oprindelige Er(trensal)-forbindelse og

undersøge, hvor stor en effekt disse små modifika-

tioner af Er

-ionens omgivelser har på de magne-

tiske egenskaber. Direkte målinger af forbindelser-

nes magnetiske moment viser, at kemiske ændrin-

ger omkring metalionen nogle gange kun ændrer

de magnetiske egenskaber ganske lidt. Men neu-

tronspektroskopi viser, at dette kan dække over, at

ligandfeltet og dermed splitningen mellem energi-

Molekylære magneter med

en enkelt metalion

Den simpleste molekylære magnet, man kan fore-

stille sig, har et enkelt metalcenter og helst med

mange uparrede elektroner. Lanthanoiderne

(cerium-lutetium) tilhører de såkaldt sjældne jord-

arter og udgør den ene halvdel af det periodiske

systems f-blok, som omfatter grundstoffer med del-

vist fyldte f-orbitaler. Fra resten af det periodiske

system kender vi s-orbitaler (kommer i sæt af én),

p-orbitaler (kommer i sæt af tre), og måske endda

d-orbitaler (som fyldes i midten af det periodiske

system og som kommer i sæt af fem). f-orbitalerne

er der derimod syv af, og grundstofferne i denne del

af det periodiske system overgår derfor alle andre

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

TEMA: TRE TIGERSPRING FOR MATERIALEFORSKNINGEN

Energiniveauer målt med uelastisk neutronspredning

I et uelastisk neutronspredningseksperiment spredes neutro-

ner med en veldeﬁneret energi i en prøve. Efterfølgende måles

Prøve

–

p p

−

(

og impulsvektorer,

hvor

er neutronens masse og

hastigheden af neutronen)

ændringerne i energi,

for neutronerne, som er opstået ved vekselvirkningen med

prøven.

En langt overvejende del af de anvendte neutroner vil forlade

prøven med samme energi, som de ankom med (elastisk

spredning), mens et mindre antal af neutroner får ændret

deres impuls og samtidigt formindsket energi og et endnu

Neutronkilde

mindre antal får forøget energi. I begge

disse tilfælde, hvor neutronens energi

ændres, betegnes spredningen som

værende uelastisk.

Detektorer

Bestemmelse af magnetiske barrierer

En enkelt elektron er karakteriseret ved et spinkvantetal

= �½ og et tilhørende, proportionalt magnetisk moment.

Der er kun to mulige orienteringer (m

= ±�½) af elektronens

magnetiske moment i et magnetfelt, groft sagt svarende til

at elektronens magnetfelt kan pege med eller mod det ydre

magnetfelt. Disse to tilstande vil for den enkelte elektron

have samme energi i fravær af et ydre magnetfelt, men det

er ikke nødvendigvis tilfældet, når

ﬂ

ere elektroner vekselvir-

ker og genererer et større totalspin. For molekyler med

ﬂ

ere

uparrede elektroner (S > �½) vil der være mange orienteringer

af deres magnetiseringsretning (M

-S, -S+1,

-S+2,..., +S) i

forhold til et ydre magnetfelt.

Den gode molekylære magnet er indrettet således, at den

har en lav energi når dens magnetiske moment er ensrettet

eller modsat rettet af et ydre magnetisk felt, svarende til lave

energier for tilstandene

= -S og

= +S, mens den har en

høj energi, når dens magnetiske moment er vinkelret,

= 0,

på et ydre magnetfelt. Derved opstår der en energibarriere

for at vende magnetiseringen (magnetpolerne) for molekylet,

hvilket er en nødvendighed for at molekylet kan blive til en

molekylær magnet. Hvis molekylet i sin grundtilstand har

mange uparrede elektroner, fx ved at elektroner på

ﬂ

ere ind-

gående metalcentre indretter deres spin og dermed deres

magnetiske momenter parallelt, kan molekylet ende med et

meget stort magnetisk moment, som vil have mange mulige

orienteringer i forhold til et magnetfelt. Eksempelvis vil 12

parallelt koblede elektroner give anledning til et totalspin på

12 × �½ = 6, og en sådan gruppe af tilstande vil svare til 13

mulige orienteringer i forhold til et magnetfelt.

Det er illustreret i

ﬁ

guren øverst for et molekyle indehol-

dende tre Mn

-ioner, hver med

ﬁ

re uparrede elektroner, som

vekselvirker og giver et totalspin på

= 6. Nedenunder er vist,

hvordan neutronspektroskopi giver et fuldstændigt billede af

fordelingen af energiniveauerne og dermed også af den

energibarriere, der skal overvindes for at bringe molekylet fra

at have det magnetiske moment i én retning (M

= -6) til den

modsatte (M

= +6) – man skal “over trappestigen”.

Mn 1

total

uparrede

elektroner

l k

Mn 2

Mn 3

= 0

= −1

= −2

= −3

= −4

= −5

= −6

=+1

=+2

=+3

=+4

=+6

Neutron-intensitet

= 1.5 K

= 6.0 K

= 20 K

1.2

0.8

0.4

0.0

-0.4

-0.8

-1.2

Energioverførsel [10

-3

eV]

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

TEMA: TRE TIGERSPRING FOR MATERIALEFORSKNINGEN

En effektiv molekylær køler bestående af tre Gd

-ioner (lilla) og to Cr

-ioner (orange). Højre: Et tokernet modelkompleks, der viser den lineære Gd

–F

–

–Cr

binding. Når bindingen bøjes falder vekselvirkningen mellem Gd

og Cr

og forsvinder helt ved overgangen mellem den røde og grønne farve, omkring 140°.

niveauerne i de samme systemer kan være fuldstæn-

digt forskellige. Mange veje kan med andre ord føre

til Rom. Denne forståelse er afgørende for rationelt

at kunne designe nye molekylære magneter baseret

på lanthanoiderne.

Magnetisk køling

For nogle anvendelser er det ønskeligt at kunne

pakke molekylære magneter så tæt som muligt, uden

at de individuelle systemer vekselvirker stærkt ind-

byrdes. Det er bl.a. tilfældet, hvis man vil udnytte et

magnetfelt til at skabe orden (lav temperatur) ud af

uorden (høj temperatur) ved at ensrette magnetise-

ringen af en samling af molekyler. Når magnetiske

molekyler udsættes for et magnetfelt, vil de enkelte

elektroners spin rette sig ind efter det ydre mag-

netfelt. Når feltet derefter fjernes, vil det magneti-

ske materiale suge energi fra omgivelserne, dvs. dets

krystalgitter. Energien omdannes derved fra varme-

energi i form af vibrationer af krystalgitteret til uor-

den i molekylernes magnetisering. Derved køles

materialet, og man kan udnytte den såkaldte mag-

netokaloriske effekt til at lave molekylære køleskabe.

Størrelsen af denne køleeffekt afhænger af flere fak-

torer. En af de vigtigste er vekselvirkningen mel-

lem metalcentrene i den molekylære køler. Vi har de

seneste år arbejdet med molekylære klyngeforbin-

delser, der indeholder både metalioner fra d-blok-

ken midt i det periodiske system (overgangsmetal-

ler) og metalioner fra f-blokken (lanthanoider) bun-

det sammen af fluoridioner (F

–

). Her har vi opdaget

nogle nye meget effektive magnetiske kølere, bl.a. en

ret kompliceret femkernet forbindelse med tre gado-

linium-centre og to chrom-centre. Forbindelsens

komplicerede opbygning gør det vanskeligt at for-

stå egenskaberne ved at undersøge denne køler alene.

Derfor fremstillede vi et simplere tokernet model-

system og undersøgte det vha. neutronspektroskopi.

Ved at studere, hvordan styrken af den svage Gd

-vekselvirkning afhænger af bindingsvinklen

omkring den brodannende fluoridion, kunne vi for-

stå, hvorfor det mere komplicerede molekylære køle-

skab var en meget nær optimal struktur.



Molekylære magneter med

ﬂ

ere metalioner

Der er andre måder at opnå molekyler med mange

uparrede elektroner på end ved at anvende forbin-

delser af lanthanoiderne. Man kan i stedet binde

flere metalcentre med uparrede elektroner sammen

i et molekyle. Denne strategi til at opnå enkeltmo-

lekyle-magneter er faktisk den ældste, og det var

opdagelsen af en 12-kernet manganforbindelse, der

opførte sig som en enkeltmolekyle-magnet, som for

ca. 20 år siden gav startskuddet til forskningsom-

rådet. Siden har man fundet ud af, at et højt antal

metalatomer ikke nødvendigvis giver de bedste

magnetiske egenskaber. Nogle af de bedste kendte

enkeltmolekyle-magneter i dag består af moleky-

ler med kun tre eller seks mangancentre arrangeret

optimalt.

Ved at overveje, hvordan de uparrede elektroner på

metalcentrene vekselvirker, kan man finde ud af,

hvad molekylets samlede arrangement af elektron-

spin bliver. Hvis man så samtidig kan bestemme,

hvordan de forskellige tilstande (orienteringer af

molekylets magnetiske moment) fordeler sig ener-

gimæssigt, kan man forudsige, om der er tale om et

molekyle, der kan “huske” sin magnetisering – eller

om det er “glemsomme” molekyler. For at opnå den

magnetiske hukommelse skal molekylet have en

energibarriere for at vende sit magnetiske moment,

og de nævnte trekernede manganforbindelser har

nogle af de højeste kendte energibarrierer for at

vende molekylets magnetisering.

Videre læsning

K. S. Pedersen et al.: Flu-

oride-Bridged {Gd

III3

-M

III2

}

(M = Cr, Fe, Ga) Molecu-

lar Refrigerants. Angew.

Chem. Int. Ed. 2014, 53,

2394–2397.

S. K. Singh et al: Angu-

lar dependence of the

exchange interaction in

ﬂ

uoride-bridged Gd

III

–Cr

III

complexes. Chem.

Commun. 2013, 49,

5583–5585.

K. S. Pedersen et al:

Modifying the properties

of 4f single-ion magnets

by peripheral ligand func-

tionalization. Chem. Sci.

2014, 5, 1650–1660.

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

LÆS MERE

NANO.AAU.DK/SRP

H JÆ L P T I L D I T

STUDIERETNINGS-

PROJEKT ?

L AV F O R S Ø G T I L D I T ST U D I E R E T N I N G S P R OJ E K T

I A A U ’ S V E L U D S T Y R E D E L A B O R AT O R I E R , O G S PA R

MED VORES DYGTIGE FORSKERE.

D U K A N FÅ H JÆ L P T I L E M N E R S O M :

FYSIK

SUPERLEDNING

K VA N T E M E K A N I S K E T U N N E L E F F E K T E R

U V- L I TO G R A F I

B E S T E M M E L S E A F P L A N C K ’ S K O N S TA N T

KEMI/BIOTEKNOLOGI

M E TA L L I S K E N A N O PA R T I K L E R

MICELLER

PEPTIDSYNTESE

ENZYMKINETIK

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

Algoritmer

regner

på krypterede

data

I takt med at samfundet bliver digitaliseret, registreres

ﬂ

ere og

ﬂ

ere fortrolige personoplysninger. Det udgør en

trussel imod vores privatliv. Ny avanceret kryptograﬁ

kan beskytte os, uden at vi skal give afkald på

fordelene ved indsamling af data.

Forfattere

Thomas P. Jakobsen,

ph.d. studerende

Datalogisk Institut,

Aarhus Universitet

[email protected]

Sebastian Cappelen,

journalist på Alexandra

Instituttet

sebastian.cappelen@

alexandra.dk

orestil dig en verden, hvor oplysninger om DNA Vi tænker ofte ikke over det, og i mange tilfælde

bliver indsamlet rutinemæssigt i forbindelse

er der tale om følsomme data. På den ene side er vi

med fødsler og hospitalsindlæggelse. Selv om dit

interesserede i de fordele, indsamlingen giver os. På

DNA behandles fortroligt, slipper det ud som følge

den anden side udgør indsamlingen af data en trus-

af en IT-skandale og ender på internettet. Nogle år

sel mod vores privatliv.

senere lykkes det forskere at udvikle en metode, der

ud fra DNA kan forudsige, hvor stor sandsynlighed

At regne på krypterede data

en person har for at udvikle sukkersyge eller svær

Fordelen ved indsamling af datamængder skyldes

depression.

ofte, at man kan

regne

på de indsamlede data. Tænk

på Google, hvis forretning består i at lave beregnin-

Hvordan vil du have det, hvis det viser sig, at du har ger ud fra enorme mængder indsamlede data, der

høj risiko for at udvikle en medfødt svær depres-

tillader dem at målrette reklamer. Et andet eksem-

sion? Forestil dig, hvilken betydning det kan have,

pel er forskningsdatabaser, hvor man samler store

hvis du ønsker at købe en sundhedsforsikring, søge

mængder af information om borgeres sundhed. Her

job eller finde en kæreste.

ligger værdien i, at forskerne kan regne på de ind-

samlede data, fx udregne statistikker.

Det er en hypotetisk situation, men den nuværende

udvikling peger i retning af, at det kan blive virke-

Man kan til en vis grad sikre sig imod misbrug og

lighed. Forskerne bliver hele tiden bedre til at for-

beskytte borgernes privatliv via lovgivning. Aktuelt

stå vores gener, og indsamling af DNA sker alle-

er EU på vej med en forordning, der strammer reg-

rede i dag. Samtidig viser adskillige eksempler os, at lerne for, hvordan man behandler og opbevarer per-

følsomme data kan havne i de forkerte hænder på

sondata. Hvis den bliver gennemført, vil virksom-

trods af beskyttende lovgivning og IT-sikkerheds-

heder, der har rod i personfølsomme data, kunne

foranstaltninger.

straffes med op til fem procent af deres omsætning,

dog maksimalt 100 millioner euro.

Problemet med indsamling af DNA illustrerer et

generelt dilemma. I takt med udviklingen indsam-

Lovgivning kan dog aldrig stå alene. Erfaringen

les stadig større mængder af data, eksempelvis fra

viser, at der altid vil kunne ske læk som følge af IT-

forskningsforsøg, færden på nettet og smartphones. skandaler og kriminalitet.

Akt

uel Na

ens

Aktuel

turvid

kab

Naturvidenskab

201

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

KRYPTOGRAFI

Kryptering kan give et ekstra niveau af sikkerhed.

Hvis data krypteres, før de indsamles, så kun kryp-

terede data opbevares, vil privatlivet være sikret,

også selvom virksomheden bliver hacket. Men når

først data er krypteret, kan man ikke længere regne

på data, og selve idéen med indsamlingen går der-

for tabt.

Men der findes en løsning, der tillader, at man

kan regne på krypterede data. Teknologien hedder

secure multiparty computation

(MPC). Pointen er, at

man kan regne på data fra forskellige parter på en

måde, så data altid forbliver hemmelige, men kun

resultatet bliver kendt.

ind, uden at andre kunne dekryptere dem. Børsen

var med til at sikre et optimalt marked, hvor udbud

bedst muligt møder efterspørgsel, uden at fortrolige

informationer bliver afsløret. I første kørsel indgik

ca. 1200 fortrolige bud, og børsen har været aktiv

lige siden.

Teknologi med potentiale

Secure multiparty computation er et redskab, der

er relevant i alle situationer, hvor man ønsker at

udføre en beregning på fortrolige data, og hvor der

ikke er nogen oplagt udenforstående part, som alle

deltagere stoler på, der kan indsamle de fortrolige

data og udføre beregningen.

Sukkerroe-børsen var med til at kickstarte virksom-

heders interesse for MPC. Flere virksomheder, bl.a.

Microsoft, IBM, SAP og danske Partisia arbejder i

dag målrettet med MPC.

Partisia samarbejder bl.a. med Aarhus Universi-

tet og Alexandra Instituttet i projektet PRACTICE

om at lave en prototype, kaldet Secure Survey. Det

handler om at gøre elektroniske spørgeskemaer for-

trolige og kan fx anvendes, hvis en virksomhed

vil vide, hvor tilfredse medarbejderne er med che-

fen. Den enkelte medarbejders oplysninger forbliver

krypteret, samtidig med at man kan offentliggøre,

hvor mange der er utilfredse.

I COBE-projektet (Confidential Benchmarking)

handler det om, at alle banker er interesseret i at

lave en kreditvurdering af deres kunder. Bankerne

har hver deres metode til at beregne kreditværdig-

heden af en bankkunde. Vurderingen ville dog blive

meget bedre, hvis også andre bankers kundedata

kunne indgå, men hver banks kundedata er fortro-

lige. Med MPC vil bankerne kunne forbedre deres

kreditvurderinger uden at afsløre fortrolige kunde-

data.

Fra tung teori til praktisk anvendelse

De første MPC-teknikker stammer fra midten af

1980’erne. I 1987 kom et gennembrud, hvor det

lykkedes forskere at vise, at alle beregninger i prin-

cippet kan udføres som MPC. Det viste teknolo-

giens potentiale, men de første resultater var meget

upraktiske. Teknologien er siden optimeret, og

den MPC, vi kender i dag, er meget mere praktisk

anvendelig.

En anden milepæl for teknologien blev nået i 2009.

Her blev MPC for første gang anvendt i stor skala i

en kommerciel sammenhæng. Det var den såkaldte

sukkerroebørs, et projekt, der udsprang af et samar-

bejde mellem Aarhus Universitet, Alexandra Insti-

tuttet, daværende Danisco og de danske sukker-

roe-producenter. Man var på udkig efter at intro-

ducere en elektronisk børs, hvor landmænd kunne

købe eller sælge sukkerroe-kvoter. Men landmæn-

dene og Danisco kunne ikke enes om, hvem der

skulle administrere børsen, da landmændenes bud

indeholder fortrolige oplysninger.

Løsningen var at introducere en børs baseret på

MPC, hvor landmændene kunne sende deres bud

Anonymisering er ikke nok

Det er ikke kun ved hackerangreb, at data utilsigtet ender i

offentligheden. I nogle tilfælde har man forsøgt at sikre for-

trolighed ved at anonymisere indsamlede data, fx ved at

fjerne åbenlyse markører som navne og CPR-numre. Det er

eksempelvis ofte tilfældet ved medicinske databaser, der

frigives til forskning. Ofte har deltagerne i et forskningsforsøg

kun ønsket at deltage under forudsætning af, at data anony-

miseres.

Eksempler fra USA viser, at anonymisering alene kan være en

tvivlsom løsning. I 2008 viste dr. David W. Craig, der er gene-

tiker ved forskningsinstitutionen TGEN i Phoenix, hvordan

man kan identiﬁcere en person ved at matche en prøve af

personens DNA op imod indholdet af en anonymiseret forsk-

Efterfølgende har Yaniv Erlich fra Whitehead Institute for Bio-

medical Research i Massachusetts vist, hvordan det er muligt

at identiﬁcere personer, hvis DNA indgår i forskning, ved at

krydsreferere den anonymiserede DNA med data, der er

offentlig tilgængelige, alene via en internetopkobling.

Tilfældene har været øjenåbnere i USA. Forsøgspersoner, der

deler deres DNA, risikerer tab af ikke bare deres eget privat-

liv, men også af deres børns og børnebørns, som vil arve

mange af de samme gener, siger Mark B. Gerstein, professor

ved Yale, der studerer genetiske databaser.

ningsdatabase. Opgaven burde være umulig og svarer til at

lede efter en nål i en høstak.

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

Fra teori til virkelighed

Det var et teoretisk gennembrud i 1980'erne, der gjorde det

muligt at udføre vilkårligt avancerede beregninger på fortro-

lige data. De første resultater var upraktiske, men gav dog

andre forskere blod på tanden. I dag arbejder adskillige

forskningsgrupper bl.a. i USA, Israel, England og Danmark på

at gøre teknikken mere effektiv.

Eksemplerne nedenfor giver et indtryk af, hvad man kan med

moderne MPC. De varierende udførselstider skyldes bl.a., at

MPC-teknikkerne har forskellig grad af sikkerhed. Som det

ses, er det endnu ikke alle slags beregninger, der effektivt

kan udføres med MPC, men med den hastige udvikling, for-

venter man at være meget længere om blot få år.

AES er en moderne krypteringsalgoritme. Med en nøgle

en besked

beregnes en krypteret besked som

= AES(k,

m).

Når AES beregnes via MPC betyder det, at man kan få

krypteret beskeder, hvor kun den ene part kender beskeden

og kun den anden part kender nøglen. Det har mange anven-

delser, og AES bruges derfor ofte som benchmark i forbin-

delse med MPC. En besked, fx et tal mellem 0 og 2

128

, kan

via MPC krypteres på ca. 0,5 sekund.

Fællesmængde (private

set intersection)

er en anden nyttig

MPC-funktion. Kan fx bruges af to organisationer, der hver

har et fortroligt register over personer. De vil kunne identiﬁ -

Levenshtein-distance (edit distance) L(a,b) for to tekststrenge

a og b er det minimale antal simple operationer (insert,

delete, modify), der skal til for at komme fra a til b. Kan bl.a.

bruges til at sammenligne to DNA-sekvenser uden at kende

sekvenserne. For et alfabet med 4 bogstaver og a og b på

hver 200 tegn kan L(a,b) beregnes via MPC på 16 sekunder.

Andrew Yao betragtes som grundlæggeren af den diciplin inden-

for kryptograﬁ, der kaldes secure multiparty computation.

cere personer, der optræder i begge registre, uden at nogen

af dem behøver afsløre for den anden, hvem der ellers

ﬁ

ndes

i registeret. I en lempelig sikkerhedsmodel er det muligt at

beregne fællesmængden af to mængder med hver ca.

300.000 CPR-numre på 14 sekunder.

Videre læsning

Du kan

ﬁ

nde ekstrama-

teriale med et simpelt

eksempel på, hvordan

Secure Multiparty Com-

putation fungerer.:

aktuelnaturvidenskab.dk/

nyeste-numre/2-2015/

En aktuel konkurrence

med henblik på at

ﬁ

nde de

mest effektive teknikker

til genetisk analyse uden

at lække information:

www.humangenome

privacy.org

Beskrivelse af den dan-

ske auktion for sukker-

roekvoter:

http://eprint.iacr.

org/2008/068

Conﬁdential Benchmar-

king (COBE) projektet:

http://ifro.ku.dk/english/

research/centres/msap/

research/research_pro-

jects/cobe/

Practice projektet:

http://practice-project.eu

Mange anvendelsesmuligheder

Teknologien kan også bruges indenfor mange

andre områder:

• Man kunne beregne det gennemsnitlige antal

patientdødsfald som følge af lægefejl pr. hospital i

Danmark, uden at et enkelt hospital er tvunget til

at løfte sløret for antallet af sine fejlbehandlinger.

• Man vil kunne lave en elektronisk afstemning,

hvor de fortrolige input er stemmer og resultatet af

beregningen viser, hvem der har fået flest stemmer,

uden risiko for at de enkelte stemmer bliver kendt.

• To konkurrerende forskerteams vil kunne afgøre,

om de er nået frem til det samme forskningsresul-

tat, fx en ny kemisk formel, uden at afsløre deres

formler til hinanden eller andre.

• Man vil kunne matche forskellige personers DNA

eller trække specifikke egenskaber ud af DNA,

uden at nogen behøver at afsløre sit DNA.

• Man vil kunne undgå kollisioner mellem fjendt-

lige satellitter, droner, eller militærfly, da en poten-

tiel kollision vil kunne detekteres, uden at nogen

behøver at afsløre sin position eller kurs.

• Man vil kunne lave en fortrolig dating-side, hvor

man ikke afslører sine præferencer, men allige-

vel vil kunne blive matchet med en partner med

samme præferencer.

Behov for at kontrollere data

I takt med at vores liv bliver mere digitalt, bli-

ver secure multiparty computation stadig mere

aktuel. Med fænomener som big data og cloud

computing opstår der et behov for en mere fin-

kornet kontrol med, hvilke data der er fortro-

lige, og hvilke der er offentlige. Grundlæggende

handler det om at holde fast i vores privatliv

og fortrolighed uden at give af kald på forde-

lene ved big data, bl.a. de muligheder, der ligger

inden for DNA-forskning og andre sundheds-

områder.

Der er kort sagt et kæmpe potentiale i teknolo-

gien, og man kan forvente, at MPC inden for de

næste 20 år vil være med til at skabe en revolution.

Situationen svarer på mange måder til 1970’erne,

hvor man opdagede public-key kryptering. I star-

ten havde det mest teoretisk interesse, men i dag

bliver public-key kryptering brugt mange steder i

vores dagligdag, bl.a. til at sikre hjemmesider og

til NemID.



Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

Når forandringens

vinde blæser

Teknologi opstår i slipvinden fra samfundsmæssige forandringer. Men teknologi

er samtidig med til at forme vores muligheder for at skabe forandring fremover.

Teknologihistorie er et godt udgangspunkt for at forstå samspillet mellem

teknologi, samfund og historiske forandringer.

Foto: Colourbox

“N

år forandringens vinde blæser, bygger nogle

og vindmøller i de aktuelle samfundsforandringer,



Forskere, ingeniører,

læhegn, mens andre bygger vindmøller.”

er det vigtigt at have forståelse for de historiske valg,

teknikere og andre har

Tænk, hvis det velkendte ordsprog af kinesisk oprin- som andre har truffet, når de har befundet sig i et

gennem mere end 120

delse blev skrevet af en person med interesse for,

tilsvarende forandringsblæsevejr.

år satset på udvikling af

hvordan ny teknologi opstår. Selvom det ikke står

vindmølleteknologi som

helt klart, hvad denne kineser egentlig mente med

I denne artikel giver vi et par historiske bud på,

svar på “forandringens

“forandringens vinde”, er betydningen klar nok:

hvordan forandringens vinde i løbet af det 20.

vinde”.

Mange nye teknologier – hvad enten det er læhegn

århundrede har haft betydning for udvikling af

eller vindmøller – bliver opfundet og udviklet på

energiteknologi – specielt vindmøller og atomkraft

Om forfatterne

baggrund af oplevede behov, ikke som følge af

– i Danmark. Vi bruger historien til at vise, hvor-

udviklingen af ny viden. Når nogle vælger at bygge

dan teknologiudviklingen har været præget af for-

læhegn, er det for at beskytte sig mod forandrin-

andringens vinde. Vi ønsker dog også at give vores

gens vinde. De, der bygger vindmøller, øjner mulig- forestillede kineser et modsvar, der kunne formu-

heden for at udnytte forandringerne på en fremad-

leres således: “Når nogle bygger læhegn, og andre

rettet facon.

vindmøller, indvirker det på, hvordan forandrin-

Kristian Hvidtfelt Nielsen,

lektor, [email protected]

gens vinde vil blæse fremover.”

Vi kan endvidere forestille os, at den omtalte kineser

med interesse for teknologiske forandringsproces-

Udfordringen fra industrialisering

ser ikke bare ville vise, hvor vigtigt det er at træffe

Et blik på den elektricitetsproducerende vindmølles

de rigtige teknologiske valg i en given situation –

historie giver et godt billede af, hvornår og hvordan

altså vindmøller fremfor læhegn. Vedkommende

forandringens vinde for alvor har blæst henover

var måske også ude på at understrege vigtigheden

Danmark. Men det er også en historie om, hvordan

Henry Nielsen,

af en historisk forståelse af sammenhængen mellem vindmølleopfindere og -ingeniører ofte har arbejdet

lektor emeritus

[email protected]

forandringens vinde og ny teknologi. For at forstå

i modvind – altså, en historie om, at det at bygge

forandringens vinde kan det være en fordel at have

vindmøller til tider er blevet opfattet som en bag-

Begge ved Center for

viden om, hvor forandringsvindene blæser fra. Og

stræberisk reaktion på forandringens vinde, altså

Videnskabsstudier,

Aarhus Universitet

for at vide, hvad der gælder som henholdsvis læhegn som læhegn.

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

TEKNOLOGIHISTORIE

De første danske eksperimenter med at bruge vind-

kraft til fremstilling af elektricitet stod opfinderen

og højskolemanden Poul la Cour for. Det var i slut-

ningen af 1800-tallet, hvor mindre elforsynings-

net var vokset frem i de større byer som led i en til-

tagende industrialiserings- og urbaniseringsproces.

Mange mennesker søgte fra landområderne mod

byerne, hvor der var mere og bedre betalt arbejde at

få. De store erhvervsmæssige og demografiske for-

andringer fik la Cour til at bygge vindmøller.

Videre læsning

Artiklen bygger på bogen

Forandringens

vinde: Nye

teknologihistorier

(Praxis/

Nyt Teknisk Forlag, 2015)

af Henry Nielsen, Kristian

Hvidtfelt Nielsen, Keld

Nielsen og Hans Siggaard

Jensen. I bogen bruger

vi en stribe eksempler

fra teknologiens nyere

historie til at undersøge

vekselvirkningen mellem

teknologi, samfund og

historisk forandring.

Skruen uden ende: Den

vestlige teknologis histo-

rie

(3. udgave, Nyt Tek-

nisk Forlag, 2005).

Juul talte for døve øren i en tid, hvor prisen på fossile

brændstoffer var faldende, og troen på atomenergi høj.

Tiden var præget af teknologioptimisme og begyn-

dende økonomisk vækst. Der skulle for alvor sættes

gang i dansk industri, og det var svært at se, hvordan

vindmøller passede ind i den forandringsproces.

I juli 1957 blev Juuls største forsøgsmølle, Gedser-

møllen, indviet. Robert Henriksen, formanden for

Danske Elværkers Forening (DEF), der uden større

entusiasme havde støttet Juuls arbejde, spekulerede

ved samme lejlighed, om ikke Gedsermøllen var en

moderne Don Quixote, der ville bekæmpe atom-

kraften, lige som den spanske ridder havde kæm-

pet mod vindmøller i Miguel Cervantes roman fra

begyndelsen af 1600-tallet. Set i det lys var vind-

møller en fortidens fantasi, dvs. læhegn.

La Cour var ligesom andre klar over de store mulig-

heder, der lå i udnyttelse af elektricitet til mange

forskellige formål, og ydermere en stor optimist på

vindkraftens vegne. Han boede selv på landet, og

han forestillede sig, at udbredelsen af lokale elektri-

citetsværker baseret på en kombination af vindmøl-

ler og elektricitetsgeneratorer ville være med til at

vende udviklingen, altså at få folk til at blive på lan-

det og styrke det lokale håndværk og de små pro-

duktionsenheder. Han oprettede en forsøgsstation

kaldet Forsøgsmøllen med penge fra staten – ver-

dens første statsstøttede forskningscenter inden for

vindenergi!

Forandringens vinde betyder atomkraft

– eller ikke

Samme Robert Henriksen havde været en varm forta-

ler for oprettelsen af Atomenergikommissionen i 1955

og støttet byggeriet af kommissionens store og kost-

bare forsøgsanlæg ved Risø. Risø-anlægget skulle virke

til “fremme af atomenergiens fredelige udnyttelse til

samfundets gavn”, som det hed i formålsparagraffen.

Det blev indviet den 6. juni 1958, men fik aldrig den

planlagte betydning for det danske samfund.

La Cours vindenergiforskning gav gode resultater,

der kunne bruges til at bygge vindmøller og oven

i købet vandt international opmærksomhed. La

Cour var i det hele taget en vigtig person for den

decentrale elektrificering af landområderne, som

Ved Risø arbejdede en lille, men hastigt voksende

betød, at danske landsbyer og virksomheder på lan- flok af reaktoringeniører på at udvikle en særlig dansk

det fik elektricitet hurtigere end i andre lande. På

atomreaktor. Det havde de gode grunde til, men det

en måde gik la Cour imod de forandringens vinde,

var slet ikke, hvad elværkerne ønskede. Elværksfolk

der pegede i retning af centrale forsyningsnet og

som Robert Henriksen frygtede, at de kunne blive

koncentration af arbejdskraft og produktionsmid-

tvunget til at investere i Risø-reaktoren. DEF ville

ler i byerne. Det forandringspotentiale, som la Cour selv have lov at bestemme, hvornår og hvordan de

ønskede at fremme, lå andetsteds.

ville introducere atomkraft i den danske elforsyning,

men med de lave priser på kul og olie hastede det ikke.

Vindkraftens Don Quixote

Efter anden verdenskrig var der stadig interesse for

elektricitetsproducerende vindmøller, men mange

– især mange elværksfolk – så vindkraften som en

forældet teknologi. Fremtiden var kul- og oliefy-

rede kraftværker i et centraliseret forsyningssystem,

på lidt længere sigt atomkraft. Men ingeniør Johan-

nes Juul ansat ved Sydøstsjællandske Elektricitets

Aktie Selskab (SEAS) ville det anderledes. Han

havde som ung mand fulgt Poul la Cours kursus

for landelektrikere og videreførte nu la Cours vision

for vindkraft som grundlag for social og teknolo-

gisk forandring.

Juul fremlagde i 1947 beregninger, der viste, at en

udbygning af vindkraft i dansk elforsyning ville

være en sund økonomisk investering for elværkerne.

Vindkraft ville ydermere være til fordel for national-

økonomien i form af danske arbejdspladser og eks-

port, og vindkraft ville sikre forsyningssikkerhe-

den i et land, der ikke har kul eller olie, men mas-

ser af vind.

I 1963 kom det til et opgør mellem Risø og elvær-

kerne. DEF annoncerede, at man ikke længere

kunne bakke op om den forskning og udvikling, der

fandt sted ved Risø, men derimod ønskede at købe

et stort og afprøvet atomkraftværk i udlandet, når

det engang blev økonomisk rentabelt. DEF’s udmel-

ding rev med ét slag tæppet væk under Risøs reaktor-

teknologiske arbejde og indledte fem års krig mellem

DEF og Risø. Først i 1967 blev der truffet en diskret

aftale mellem de to institutioner. Den gik ud på, at

de danske elværkers suverænt måtte bestemme, hvor-

når Danmark skulle have atomkraft. Til gengæld

skulle Risø fungere som regulerende myndighed og

kontrollere kommende atomkraftværker.

I 1972-73 mente elværkerne, at tiden nu ende-

lig var moden til at bygge atomkraftværker i Dan-

mark. Men det var den ikke. Da regeringen i januar

1974 var klar med de forslag, der skulle udgøre den

nødvendige lovgivningsmæssige basis for bygge-

riet, blæste det i løbet af kort tid op til en folkelig

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

TEKNOLOGIHISTORIE

proteststorm, der kuldsejlede elværkernes og Risøs

atomplaner. I august 1976 valgte regeringen at

udskyde den nødvendige lovgivning om atomkraft

på ubestemt tid, og ni år senere besluttede et flertal

i Folketinget at tage atomkraft helt ud af fremtidige

danske energiplaner. Til gengæld blæste der igen

mildere vinde for danske vindmøller.

Energikriserne vender vinden

Udviklingen af vindkraft i Danmark var reelt gået i

stå med indvielsen af Gedsermøllen i 1957 og frem

til begyndelsen af 1970’erne, da den første oliekrise

fik folk på andre tanker. Mange forskellige menne-

sker og organisationer begyndte netop da at under-

søge mulighederne for at bruge vindkraft som alter-

nativ energikilde. Det var en ny tids Don Quixoter,

der som Johannes Juul forfulgte deres idealer om at

få vedvarende energi, selvforsyning og dansk natio-

naløkonomi til at gå op i en højere enhed.

Den ny interesse for vindkraft betød blandt andet,

at Juuls arbejde fik en renæssance. Gedsermøllen,

der havde været i stabil drift i godt ti år frem til

1967, blev renoveret med midler fra det danske og

amerikanske energiforskningsprogram. Forskerne

fandt frem til, at Juuls solide vindmølle var fuldt ud

konkurrencedygtig med de nye og mere avancerede

design, som de amerikanske luft- og rumfartsinge-

niører havde udviklet.

Blandt andet baseret på genbrug og udvikling af

Juuls vindmølledesign opstod den danske vindmølle-

industri, der med tiden fik mange arbejdspladser og

stor eksport, præcis som Johannes Juul havde fore-

stillet sig det. Udviklingen har siden da været relativ

stabil, men også præget af store udsving. Stabil, fordi

de danske vindmøller gradvist er blevet større og

gradvist har vundet indpas i elforsyningen. Udsving,

fordi udbygningen af vindkraft har været delvist

afhængig af skiftende regeringers skiftende støtte til

vedvarende energi og delvist afhængig af uforudsete

udviklinger på verdensmarkedet for vindmøller.

Forandring på forandring

Når forandringens vinde blæser, kan folk finde på

hvad som helst. Der er nogle, der bygger vindmøller,

mens andre arbejder med reaktorforskning. Andre

igen er mest interesserede i det, der kan betale sig.

Historien, der er blevet fortalt i denne artikel, rum-

mer en del af forklaringen på, hvorfor Danmark i dag

er et foregangsland inden for vindmøller, men ikke

atomkraft. I dag blæser forandringens vinde med

uforandret styrke. Det er spørgsmålet om klimafor-

andringer, der nu sætter den energipolitiske dagsor-

den. Her kan både vindmøller og atomkraft være bud

på en brugbar og fremadrettet løsning, for begge tek-

nologier er CO

-neutrale. At de fleste i Danmark tol-

ker klimaforandringens vinde som et argument for

at bygge vindmøller, er et resultat af godt hundrede

års dansk teknologihistorie. De teknologiske foran-

dringsprocesser har været med til at forme forandrin-

gens vinde og påvirker den måde, vi nu vælger, om vi

skal bygge læhegn eller vindmøller.



Vidste du, at 1/3 af RUC’s kandidater i

naturvidenskab bliver forskere?

Matematik | Medicinalbiologi | Miljøbiologi | Molekylærbiologi |

Sundhedsfremme og Sundhedsstrategier | TekSam - miljøplanlægning

Læs mere på Roskilde Universitets hjemmeside

www.ruc.dk/natbachelor

Science

Naturvidenskab 2 2015

på RUC

Aktuel

Naturvidenskab i virkeligheden

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

PERSPEKTIV

Foto: Colourbox

Vejen til

drømmestudiet

Forfatterne

Mange

ﬁ

nder uddannelsesvalg en kilde til stor frustration. Et nyligt

afsluttet forskningsprojekt kaster lys over de problemer, de unge

oplever både før og efter deres optagelse på “drømmestudiet”.

Henriette Tolstrup

Holmegaard, adjunkt

Institut for Naturfagenes

Didaktik

Københavns Universitet

[email protected]

oråret nærmer sig hastigt, og det samme gør

ansøgningsfristen til de videregående uddan-

nelser. Dette sætter eleverne i gymnasiets afslut-

tende klasser under et massivt pres, da de meget

snart skal have en plan klar for deres fremtid.

Uddannelsesvalget opleves som en frustrerende og

ensom opgave af de fleste unge. Værktøjerne, man

har til rådighed, er på én gang utroligt talrige og

utroligt få.

Ny forskning fra det internationale projekt IRIS,

der netop er afsluttet på Institut for Naturfagenes

Didaktik på Københavns Universitet, har under-

søgt de udfordringer, gymnasieelever støder på i

deres uddannelsesvalg. Resultaterne viser, at det

er nødvendigt med en reel forventningsafstem-

ning imellem elever og uddannelsessteder. Vi giver

her et bud på, hvordan forskningsresultaterne kan

omsættes til praksis med perspektiv til et konkret

initiativ på kemiuddannelserne på Aarhus Univer-

sitet.

Jacob Becker er center

manager for CMC, Inst.

for Kemi, Aarhus Universitet

[email protected]

Det komplekse uddannelsesvalg

Udgangspunktet for de unges overvejelser om

uddannelse er en rationalisering af, hvad et “godt”

valg er for en størrelse. Der er mange forestillin-

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

PERSPEKTIV

Valget opleves som vigtigt, og alle facetter af det bør

derfor grundigt overvejes. Det er imidlertid vold-

somt ambitiøst, når

gymnasietidens unge

Om det komplekse valg:

åbenbart oplever, at de

»Interesser, er selvfølgelig oplagte. Det er jo ikke

fordi, jeg vil gå ud og vælge et eller andet, som jeg

Studievalgets psykologi

skal have tænkt alle kon-

overhovedet ikke gider. Men også ønsket for, hvad

Resultater fra det europæiske forskningsprojekt

sekvenser af valget igen-

det er for et liv, man vil leve. Hvordan er lønnen, når

IRIS giver os et indblik i, hvordan forskellige inte- nem, inden det kan

man kommer ud? Hvordan er mulighederne for at få

resser spiller ind i valget. Den danske del af pro-

opleves som “rigtigt”.

job og sådan nogle ting? Der spiller samfundet også

jektet har særligt beskæftiget sig med unges valg

De fleste unge oplever, at

en rolle. Dels hvad er det for et samfund, man skal ud

i. Det er jo dumt at uddanne sig i et eller andet

af videregående uddannelse, deres overgang fra

valget er deres

egen

per-

erhverv, der er ved at uddø. Men også – jo, hvad der

gymnasiet til universitet, frafald/fastholdelse samt, sonlige opgave og ansvar

er af muligheder. Skal det være privat eller offentlig

hvordan det er at starte på en uddannelse med en

– noget de selv må finde

ansat for eksempel«.

(Fie, 3.g)

kønsskæv studenterpopulation. Fokus har været

en gangbar vej igennem.

på tekniske og naturvidenskabelige uddannelser.

Det kan være vanske-

Netop disse har stor politisk bevågenhed ud fra

ligt at forudsige konsekvenserne af forskellige valg

forventningen om nye videnskabelige opdagelser

i almindelighed, og i særdeleshed når man er blot

og teknologier, der kan markedsføres internatio-

17 år. Derfor opleves valgprocessen oftest også som

nalt. Samtidig viser prognoser, at vi i fremtiden vil frustrerende og svær.

mangle kandidater på det tekniske og naturviden-

skabelige område.

Information og misinformation

Den viden, der former valgprocessen, kommer for-

Det fremgår af de unges narrativer, at de forsøger at skellige steder fra. Onkel Prebens historier fra sine

gennemskue, sammensætte og relatere sig selv til en dage på ingeniøruddannelsen indgår i samspil med

række komplekse faktorer:

rekrutteringsmateriale fra universiteterne og søg-

ning på uddannelsesguiden. Herunder udsættes de

Forhold i samfundet:

unge for det kaotiske virvar af studietilbud, bro-

Hvilke jobs efterspørges i fremtiden? Hvilke slags

churer, pamfletter, kataloger, hjemmesider og flyve-

uddannelser er vigtige?

blade, som er de uddannelsessøgendes interface til

studievalget. Det er en jungle, det kan være vanske-

Arbejdslivet:

ligt at orientere sig i.

Hvordan er det at være ansat i det private/offent-

lige? Hvilke jobs munder uddannelserne ud i? Er

Det største problem for de unge er, at der ofte er

arbejdet socialt/ individuelt? Er der plads til et

indlejret et “markedsorienteret” formål i universite-

familieliv?

ternes rekrutteringsstrategier. Der er konstant kon-

ger i spil. De produceres politisk (fx den sene-

ste uddannelsesreform), men også rundt om mid-

dagsbordet, til familiefester, i skolen osv. Samti-

dig handler uddannelsesvalget dog for de fleste

unge om andet en ren fornuft. Det handler om at

kunne se sig selv som “sådan en, der studerer på

en given uddannelse”, og om at uddannelsen skal

give adgang til en attraktiv fremtid i det hele taget.

Derudover er der en bevidsthed om, at uddannel-

sesvalget – her og nu – skal afspejle, hvem man

føler, man

er,

foruden hvem man kunne tænke sig

blive.

Det munder ud i et sammensurium af for-

skellige interesser, som skal identificeres og juste-

res i forhold til hinanden.

Studiets beskaff enhed:

Er det interessant? Er der rart at være? Hvordan er

studielivet? Giver det adgang til et attraktivt vok-

senliv?

Identitet:

Passer jeg ind? Er jeg god nok? Kan jeg holde pres-

set ud? Synes mine omgivelser også, at uddannelsen

passer til mig?

Om IRIS-projektet

IRIS havde deltagelse fra fem europæiske lande, hvor Institut

for Naturvidenskabernes Didaktik på Københavns Universitet

var en af partnerne. Projektgruppen bestod af Professor Lars

Ulriksen, Lektor Lene Møller Madsen og Adjunkt Henriette

Tolstrup Holmegaard.

Den danske del af IRIS-projektet baserer sig på registerdata,

spørgeskemaresultater, workshop-generede data (skrive- og

diskussionsøvelser) og interviews. Denne artikel trækker på

resultaterne af den kvalitative længdesnitsundersøgelse.

Elever fra seks gymnasieklasser (HTX og STX) besvarede et

spørgeskema, som blev brugt til at udvælge 38 elever til

interviews. Af dem blev særligt 20 studerende fulgt med gen-

tagende interviews fra slutningen af 3.g og ind på en teknisk

eller naturvidenskabelige universitetsuddannelse. I alt base-

rer denne del af undersøgelsen sig på 86 interviews fordelt

over næsten tre år. Resultaterne af denne del af IRIS-projek-

tet bliver præsenteret i afhandlingen: Students’ Narratives,

Negotiations and Choices’, samt i en række internationale

artikler.

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

PERSPEKTIV

kurrence om at tiltrække studerende. Her er målet

ikke at skabe et virkelighedsnært billede af uddan-

nelserne, men at vise dem fra deres bedste side. Det

kan give et misvisende billede af ”drømmestudiet”.

Konsekvensen kan senere blive en decideret identi-

tetskrise, når studiet og/

Valget relateres til omgivelserne

eller studielivet viser sig

»Folk sagde bare, at jeg ikke skulle være bekymret,

at være meget anderledes

jeg skulle bare tage det, jeg synes var interessant.

end det, man havde fore-

Det er lige meget, hvem man spørger. Men, altså jeg

stillet sig.

overvejede også jura og sådan, men det var ikke

at skabe forudsætninger for en reel forventnings-

afstemning. Det betyder, at uddannelsessøgende

får adgang til et helhedsindtryk af en potentiel

uddannelse – også som den ser ud onsdag efter-

middag, når kaffeautomaten er i stykker, forelæs-

ningssalen er propfyldt og forelæseren mumler

ved tavlen. Som gymnasielev kan du selv aktivt

forsøge at komme så tæt på studierne som muligt.

Der fi ndes en vifte af forskellige tilbud fra uddan-

nelsesinstitutionerne. Blandt andet studiepraktik,

der giver mulighed for, at du kan besøge uddan-

populært (…) Det var sådan noget, “jurister de er bare

sådan nogle fupmagere” og sådan noget. “De er bare

nelserne, når undervisningen er i gang, snakke

Forskningen fra IRIS-

sådan nogle, der snyder folk”. Ja okay, det skulle jeg

projektet viser, at alle stu- med ældre studerende og forsøge at se uddan-

da ikke tage, hvorfor synes jeg, det var interessant,

derende oplever en “kløft” nelsen med dine egne øjne. På nogle uddannel-

altså, det var da noget af det kedeligste«.

(Søren i 3.g)

ser er der også mulighed for at lave større skrift-

mellem deres forventnin-

lige opgaver. Gennem uddannelsens studievejleder

ger til den nye uddan-

kan du få en aftale i stand og høre om aktuelle

nelse og deres studieerfaringer. Kløften varierer i

arrangementer og besøgsmuligheder. Besøg igen-

størrelse, og de studerendes strategier i mødet med

nem længere tid giver det bedste udbytte. Der-

den er også forskellige:

med får du mulighed for at møde forskellige kur-

ser, undervisere og studerende. Hvis du er på bar

Nogle studerende efterrationaliserer og overbeviser

bund mht. hvilke uddannelse, der kan være noget

sig selv om, at studiet, sådan som det reelt viste sig

for dig, så besøg gerne flere – og også flere på flere

at være, faktisk var netop det, de havde forestillet

forskellige universiteter. Det kan nemt være rejse-

sig hele tiden. Det er dog sjældent let, og for nogle

studerende lykkedes det ikke at konstruere en over- tiden værd.

bevisende fortælling, der bygger bro mellem fore-

Du får kort sagt det bedste indtryk af en uddan-

stilling og virkelighed. Derudover er der en gruppe

nelse ved at prøve den af på din egen krop. Det

studerende, der bider tænderne sammen og hol-

der ud. De har vanskeligt ved at genfinde deres for- kvalificerer dine forventninger og dit uddannelses-

valg.

ventninger på selve studiet, men tåler forholdene,

selvom det kan virke meningsløst, og deres motiva-

tion er begrænset. De holder fast i håbet om, at stu-

Til uddannelsesinstitutionen:

diet på et senere tidspunkt vil blive som forventet.

Drop glansbillederne

Risikoen for denne gruppe er, at omkostningerne

Fra universiteternes side handler det om at turde

bliver for store og gevinsterne for små.

vise uddannelserne, som de virkelig er, ikke blot

portrættere dem fra den bedste side. Blogs, hvor

Sidst er der en gruppe studerende, der konstant

studerende skriver om hverdagen på studiet, og

afprøver forskellige måder at studere på i håbet om

studiepraktik er alle eksempler på initiativer i den

at finde den rigtige. Disse oplever tit frustration og

retning. Forholdene er i stigende omgang blevet

tager ansvaret for, at for-

et opmærksomhedspunkt og

Om kløften

ventningerne ikke umid-

indsatsområde for universite-

»Det virkede bare mærkeligt, at vi skulle havde en

delbart lader sig ind-

terne, men det kræver mod af

kittel, og så skulle den bare lægges til side. Vi

ﬁ

fri, på deres egne skuldre.

et uddannelsessted at under-

dem doneret og

ﬁ

k taget billede med dem en af de

Studerende i denne

støtte en forventningsafstem-

første dage, men vi har ikke brugt den siden, så

skulle vi bare lægge den derhjemme (…). Vi skal

gruppe bruger en masse

ning. De risikerer at afmon-

vist først i laboratoriet om et år«.

(Emil, biokemi)

tid og kræfter på at passe

tere betragtelige dele af deres

ind, og nogle ender med

attraktion overfor poten-

»Programmering er det, jeg søgte ind for, og det er

at brænde ud inden det

tielle studerende og stå sva-

det, jeg synes, mit studie bør handle om (…) Men

lykkes.

gere i rekrutterings-kaplø-

jeg kan ikke rigtig programmere noget endnu, og

det er begrænset, hvad vi har af det«.

(Christian,

bet med de øvrige universi-

software teknologi)

For alle grupperne er

teter. Risikoen kan imidler-

konsekvensen, at de stu-

tid mindskes gennem målret-

derende genovervejer deres uddannelsesvalg. Resul- tet investering i de studerendes trivsel på studiet.

tatet bliver, at et udsnit af dem vælger at forlade

Det inkluderer både de nære fysiske rammer, den

deres naturvidenskabsstudie. Nogle finder et andet, sociale del af studielivet og den faglige uddannelse.

andre ikke.

I relation til de fysiske rammer handler det om, at

Til gymnasie-eleven: Prøv det af på forhånd

der er plads til, at man som studerende rent fak-

Resultaterne fra IRIS-projektet tyder på, at der

tisk kan opholde sig på studiet, fx at arbejdsrum og

er god grund tro, at afgrunden kan mindskes ved

opholdslokaler giver plads til et varieret studieliv.

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

PERSPEKTIV

Hvad angår den sociale del, handler det om at få de

studerende – nye såvel som gamle – til utvetydigt

at opleve, at de er både velkomne og værdifulde. At

der bliver tænkt på dem. Uddannelserne kan sti-

mulere dette på forskellige måder, fx ved at under-

støtte og facilitere sociale arrangementer eller ved at

mindske afstanden til forskerne, så man som stude-

rende får mulighed for at sludre med underviseren

ved kaffeautomaten.

noverede man endvidere den store undervisnings-

fløj og etablerede to hele etager tilegnet disse stude-

rende. Ud over fire nye undervisningslaboratorier

oprettede man her både arbejdsrum, studiegruppe-

rum og en “lounge” tiltænkt blandet studieforbe-

redelse og afslapning. Sidstnævnte var et overlagt

valg ud fra en nøgtern konstatering af, at ingen kan

holde ud at studere uden pauser. Arbejdsborde og

glastavler til eksamensforberedelse blev derfor sup-

pleret med sofagrupper, puder og store planter. Man

Sidst handler det om, at uddannelserne kan tyde-

investerede endog i en lille besætning af brætspil.

liggøre deres faglige logik for de studerende. Fx

Mantraet for hele processen var “Øget trivsel”. Alle-

er det ikke altid klart for de studerende, hvordan

rede i udgangspunktet inddrog man derfor de stu-

det indhold, de undervises i, er relevant for deres

derende på instituttet som ressource; det skete via

uddannelse. Uddan-

Tutorforeningen for kemiuddan-

Mening i indholdet?

nelsen kan arbejde

nelserne. Her fik to repræsentan-

»Jeg har forsøgt at spørge, hvorfor vi skal have mate-

med at skabe en

ter til opgave (sammen med insti-

matik, men der er ingen, der ved det. De siger bare,

tydelig progression

tuttets koordinator) at sammen-

at ingeniører skal have matematik. Det er en lov«.

og relevans i studiet.

(Ali, bioteknologi)

sætte indretningen af lokalerne

Første studieår kan

– herunder udbud, evaluering af

således med fordel

indretningsforslag, afprøvning af

indrettes som et introduktionsår, hvor studerende

møbler, osv. Det var vigtigt for instituttet, at de stu-

stifter bekendtskab med de væsentligste dele af

derende følte et medejerskab af de nye rammer. Det

faget samt tilegner sig meningsfyldte studievaner.

blev efterfølgende underbygget mundtligt via både

tutorforeningen og festforeningen for kemi.



Et blik ind i den ny-

etablerede studenter-

lounge på Institut for

Kemi, Aarhus Universitet

Foto: Maria Randima

Videre læsning

IRIS-projekthjemmesi-

den:

http://www.ind.ku.dk/

forskning/projekter/iris/

Henriette Tolstrup Hol-

megaards afhandling

med udgangspunkt i

IRIS-data: http://www.

ind.ku.dk/publikationer/

inds_skriftserie/2012-

26-students-narratives/

Bog med IRIS-projektets

resultater:

Henriksen, E. K., Dillon, J.,

& Ryder, J. (Eds.). (2015).

Understanding student

participation and choice

in science and techno-

logy education.

Springer.

Kemi som case

Flere og flere uddannelsessteder i landet arbejder på

at imødekomme disse anbefalinger. Et godt eksem-

pel er Institut for Kemi på Aarhus Universitet (AU).

Her indførte man i 2010-2013 fag, som havde sær-

ligt sigte på at skabe et tidligt studieoverblik for

de studerende på instituttets to bacheloruddannel-

ser (Kemi og Medicinalkemi). I 2013-2014 totalre-

Det resultat, som AU Kemi og andre uddannelses-

steder håber på at opnå, er muligheden for at ind-

prente nye potentielle studerende et positivt ind-

tryk af stedets uddannelser

selv

på baggrund af

studiehverdagens grå virkelighed. Det bliver hur-

tigt en “win-win situation” for både studerende og

institution.



Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

SERVICE

Aktuel NATURVIDENSKAB

Udgiver

Aarhus Universitet, Science & Technology, i samarbejde med:

• Danmarks Tekniske Universitet

• Det Natur- og Biovidenskabelige Fakultet, Københavns Universitet

• Det Naturvidenskabelige Fakultet og Det Tekniske Fakultet, Syd-

dansk Universitet

• Det Teknisk-Naturvidenskabelige Fakultet, Aalborg Universitet

• Roskilde Universitetscenter

• Danmarks Meteorologiske Institut.

Styregruppe

•

Bo T. Andersen,

afdelingsleder, Det Tekniske Fakultet, Syddansk

Universitet

•

Joachim Groth,

kommunikationschef, Det Natur- og Bioviden-

skabelige Fakultet, Københavns Universitet

•

Tine Kjær Hassager,

kommunikationschef, Danmarks Tekniske

Universitet

•

Niels Kring,

chefkonsulent, Det Naturvidenskabelige Fakultet,

Syddansk Universitet

•

Elin Møller,

kommunikationschef, AU Kommunikation,

Science and Technology, Aarhus Universitet

•

Carsten Nielsen,

videnskabsjournalist, Det Teknisk-Naturviden-

skabelige Fakultet, Aalborg Universitet

Redaktionsgruppe

•

Mette Christina Møller Andersen,

Det Tekniske Fakultet,

Syddansk Universitet

•

Michael Bjerring Christiansen,

Aarhus Statsgymnasium

•

Jørgen Dahlgaard,

Aktuel Naturvidenskab

•

Niels Hansen,

Danmarks Meteorologiske Institut

•

Carsten Rabæk Kjaer,

Aktuel Naturvidenskab

•

Carsten Nielsen,

Aalborg Universitet

•

Hans Ramløv,

Roskilde Universitet

•

Line Reeh,

DTU AQUA, Danmarks Tekniske Universitet

•

Birgitte Svennevig,

Det Naturvidenskabelige Fakultet, Syddansk

Universitet

•

Svend Thaning,

Københavns Universitet

Eftertryk kun efter aftale. Citat kun med tydelig kildeangivelse.

Synspunkter, der fremføres i bladet, kan ikke generelt tages som

udtryk for redaktionens holdning

Ansvarshavende

Kommunikationschef Elin Møller

Redaktion

Redaktør Jørgen Dahlgaard og redaktør Carsten Rabæk Kjaer

Tlf.:

87 15 20 94

E-post:

[email protected]

Hjemmeside:

aktuelnaturvidenskab.dk

Postadresse:

Aktuel Naturvidenskab, Ny Munkegade 120,

Bygn. 1520, 8000 Århus C

Abonnementspris 2015

294 kr. i DK for 6 numre, inkl. moms og porto.

Abonnementsservice:

Telefonnr.: 70 25 55 12

e-post: [email protected]

Layout og illustration:

Jørgen Dahlgaard

Tryk:

Jørn Thomsen /Elbo A/S

ISSN:

1399-2309 (papirudgaven), 1602-3544 (web)

Oplag:

8.200

Omslag:

Plastikpose i havet.

Foto: Richard Whitcombe/Shutterstock.com.

Fagpanel

Aktuel Naturvidenskab samarbejder med en bred skare af fagfolk,

der stiller deres faglige viden til rådighed for bladet.

•

Katrine Krogh Andersen, ph.d.,

forsknings- og udviklingschef,

Danmarks Meteorologiske Institut

•

Flemming Besenbacher,

professor, Interdisciplinært

Nanoscience Center (iNANO), Aarhus Universitet

•

Claus Hviid Christensen,

senior manager, Innovationscenter,

Dong Energy

•

Jesper Dahlgaard, ph.d.,

Aarhus Universitetshospital og Psykologisk

Institut, Aarhus Universitet.

•

Ture Damhus,

Kemiker ved Novozymes samt formand for

Kemisk Forenings Nomenklaturudvalg

•

Søren B. F. Dorch,

astrofysiker ph.d., bibliotekschef, Syddansk

Universitetsbibliotek, adjungeret lektor ved Niels Bohr Instituttet,

Københavns Universitet

•

Michael Drewsen,

professor, Institut for Fysik og Astronomi,

Aarhus Universitet

•

Claus Emmeche,

lektor, Niels Bohr Instituttet, Københavns

Universitet.

•

Tom Fenchel,

professor emeritus, Marinbiologisk Laboratorium,

Københavns Universitet

•

Jens Morten Hansen,

statsgeolog ved GEUS samt adjungeret

professor i naturﬁlosoﬁ ved Københavns Universitet

•

Palle Høy Jakobsen,

direktør, leder af R&D Academic Relations,

Novo Nordisk A/S

•

Vagn Lundsgaard Hansen,

professor, Inst. for matematik,

Danmarks Tekniske Universitet

•

Peter K.A. Jensen,

adm. overlæge, Klinisk genetisk Afdeling,

Aarhus Universitetshospital

•

Mikkel Willum Johansen,

adjunkt i de matematiske fags videnskabsteori,

Institut for Naturfagenes Didaktik, Københavns Universitet

•

Peter C. Kjærgaard,

professor, Institut for Kultur og Samfund,

Aarhus Universitet

•

Gunnar Larsen,

geolog, NIRAS.

•

Bent Lauge Madsen,

biolog (pensioneret fra Miljøministeriet).

•

Sebastian H. Mernild,

Klima- og Polarforsker, Glaciology and Climate

Change Laboratory, Center for Scientiﬁc Studies/Centro de Estudios

Cientiﬁcos (CECs), Chile

•

Ole G. Mouritsen,

professor, Institut for Fysik,

Syddansk Universitet.

•

Bent Nielsen,

gymnasielektor, Københavns VUC.

•

Jens Olaf Pepke Pedersen,

senior forsker, DTU Space.

•

Kaj Sand-Jensen,

professor, Sektion for Ferskvandsbiologi,

Biologisk Institut, Københavns Universitet.

•

Theresa S. S. Schilhab,

forsker, Forskningscentret Gnosis,

Aarhus Universitet

•

Klaus Seiersen,

ph.d., Aarhus Sygehus, Afd. for Medicinsk Fysik.

•

Carl-Erik Sølberg,

civilingeniør, Institut for Fysik,

Aalborg Universitet.

Aktuel Naturvidenskab

2015

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

SERVICE

Intropakke

Tilbud fra Aktuel Naturvidenskab

Aktuel Naturvidenskab

på nettet

Tilmeld dig det elektroniske nyhedsbrev og få nyt om Aktuel

Naturvidenskab i din mailboks.

Du får:

• Artikler på forhånd, når der er en aktuel anledning

• Appetitvækkere og link til artiklerne digitalt

• Information om andre aktuelle tiltag.

Tilmeld dig via hjemmesiden: aktuelnaturvidenskab.dk

Intropakken – en oplagt gaveide

Bestil en intropakke med de seneste otte

numre samt abonnement i ét år (6 numre).

Pris kun kr. 354,- inkl. moms, porto og

ekspedition (merpris for udland).

Bestil via aktuelnaturvidenskab.dk

[email protected]

eller på tlf. 70 25 55 12.

Abonnementsservice

Har du fået ny adresse eller ønsker du

at bestille et gaveabonnement på bladet?

Kontakt abonnementsservice på

Telefon:

70 25 55 12

Mandag-torsdag kl. 8-16, fredag kl. 8-14.

[email protected]

Abonnement kan også bestilles via

hjemmesiden:

aktuelnaturvidenskab.dk

Husk at melde

ﬂ

ytning til ny adresse.

Vi modtager desværre ikke automatisk

besked om din nye adresse.

Artikelarkiv

I artikelarkivet på vores hjemmeside kan du søge bl.a. samtlige

artikler publiceret i Aktuel Naturvidenskab gennem tiden. Arkivet

tæller mere end 1100 artikler, og alle er frit tilgængelige for

download.

Adgang via hjemmesiden: aktuelnaturvidenskab.dk

Oprydningssalg

Mangler du nogle numre af bladet?

Så er der nu en chance for at supplere

samlingen med dette tilbud:

Tilbudspakke med ældre ikke udsolgte

numre ca. 26 blade (fra år 2007-2013):

Pris kun 250,- inkl. porto (dk) og moms.

Se mere og bestil via hjemmesiden:

aktuelnaturvidenskab.dk eller

på telefon 7025 5512.

Mød os på Facebook

Vi vil meget gerne have din respons fx hvis

du oplever, at funktioner i artikelarkivet

driller eller hvis du savner artikler om et

aktuelt emne.

Husk også at give os et like på Facebook



AHEEEHAPAJJONEOPHNMGGBPNLKHCJPDCPPAHEEEHA

BNFFFNBPEPEHICJPIKELEOMCIKMCJOICJPBNFFFNB

JGBPEPFHNGAEHMGJLDLONFMLHEMPAAKPKMANFDBHA

LMMDEGFLPOIHGHKIHBCPCMOKPAJJACOHNPANOALJF

MFAMCPFGDFBICBGPLBPBHEHOOFHHDGNODNDGNPLBI

KFIBAHFIHHLKGGJNEPJNCMNOCIMDCACGBKACNINAJ

KGIAMLFNGOPEMJJNDAPDMKIPBCPHACKPGFAHNHNHB

KJONBMFLFNLJPMJPGFDJHNFJAEKDFELGNOCMPHLCB

MFFFFFEHBHOOCHEDKNJOOMLGPCAPDAIBAHFHAJNBI

APBBBPAPEIJAGABKIKPBBKLOCKCPHACJADGEBGPAN

HHHHHHHPPHHHPHPPPPHPPHHPHHPPHHHHHHPHHHPHH

FIV, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Tidsskriftet Aktuel Naturvidenskab nr. 2-2015

AL HENVENDELSE TIL:

Aktuel Naturvidenskab, Ny Munkegade 120, Bygn. 1520, 8000 Aarhus C

Tlf.: 70 25 55 12 / 87 15 20 94, E-post: [email protected]

Frygtløse

forskningsassistenter

Af Carsten R. Kjaer, Aktuel Naturvidenskab

Isbjerge fødes, når kæmpestore stykker is brækker af en gletscher og

styrter i havet under bulder, brag og skumsprøjt. Og det er et prægtigt

skue, hvad enten det opleves live eller på en

ﬁ

lmoptagelse. Efter en

sådan oplevelse bør det samtidig stå klart for enhver, at fronten på en

sådan udløbsgletscher bør betragtes på behørig afstand, medmindre

man er usædvanlig dumdristig. Men hvad nu, hvis man som forsker

meget gerne vil lave målinger netop der, hvor en gletscher er i direkte

kontakt med havet? Ja, så er gode råd dyre.

Heldigvis er sæler i modsætning til forskere ikke bange for at færdes

tæt ved iskanten, og de kan hjælpe de datahungrende forskere. Det

har forskningsleder Sebastian H. Mernild sammen med amerikanske

og grønlandske kolleger udnyttet ved at bruge ringsæler som forsk-

ningsassistenter ved deres undersøgelser af Jakobshavn-gletscheren

i Vestgrønland og Helheim-gletscheren i Østgrønland.

Foto: Aqqalu Rosing-Asvid (Grønlands Naturinstitut)

Veludstyrede sæler

»Tidligere tog vi til Grønland og målte under feltperioder fra en uges til ca.

en måneds varighed, eller vi installerede instrumenter, der kunne måle

løbende i fjordene, hvor det var muligt. Men siden 2010 har sælerne

gjort en del af arbejdet lettere for os,« fortæller Mernild. Det foregår

ved, at forskerne sidst i sommerperioden limer en målepakke fast på

nakken af sælerne (selvfølgelig uden at sælerne lider overlast!). Pak-

ken indeholder sensorer, der kan måle vandets temperatur, dybde og

ledningsevne (som kan omregnes til saltholdighed). Hver gang sælen

dykker, opsamler sensorerne data, og når sælen stikker hovedet op af

vandet igen, sendes de målte data samt information om sælens posi-

tion til en satellit. »Sådan kan sælerne fungere som vores fremskudte,

mobile forskningsstationer helt frem til maj/juni, hvor udstyret typisk

falder af sælen, når pelsen skiftes«, forklarer Mernild.

Det har givet forskerne en masse spændende data, da sælerne har

mulighed for at komme helt tæt på iskanten. De færdes også frejdigt

i det større område foran gletscheren (5-10 km), hvor fjorden er fyldt

med afbrækkede isbjerge i alle størrelser, og hvor forskere må bevæge

sig med stor varsomhed i deres skrøbelige fartøjer.

hvordan det påvirker vandsøjlen lige foran indlandsisen. Indlandsisen

taber masse pga. atmosfærisk afsmeltning og fordampning fra dens

overﬂade, men også under havet, hvor det varmere havvand møder

gletscheren. »Hvis vi ønsker at forudsige massetabet fra Indlandsisen

i fremtiden, er det vigtigt, at vi fysisk kan beskrive sammenhængen

mellem, hvad der sker på Indlandsisen, og hvad der sker i vandsøjlen

helt tæt på iskanten«, forklarer Mernild.

For nylig har han sammen med kolleger fra New York University, New

York University Abu Dhabi og Naturinstituttet i Grønland publiceret en

artikel, hvor de sammenligner data opsamlet af sæler foran Jakobs-

havn-gletscheren med modelberegninger for afstrømning af smelte-

vand fra indlandsisen. Her kunne forskerne se en tydelig sammen-

hæng mellem mængden af smeltevand, der strømmer ud i fjorden fra

Indlandsisen (såvel fra overﬂaden som fra bunden af isen) og foran-

dringer i temperatur- og salinitetsforhold, hvor isen er i kontakt med

havvandet. »Det er vigtige observationer, når vi vil forstå de fysiske

processer i grænseﬂaden mellem is og hav, og ligeledes, når vi i nær

fremtid vil modellere og sammenkoble dynamiske is- og havmodel-

ler«, siger Mernild.

Også noget for sælforskerne

Data opsamlet af sælerne er ikke kun interessante for de forskere,

der studerer de fysiske forhold i det undersøiske miljø af Indlandsisen.

Dataserien afslører også, hvordan sælerne bevæger sig rundt i fjord-

systemet gennem sensommer-, vinter- og forårssæsonen, hvilket er

guf for biologerne tilknyttet projektet.

Videre læsning: Mernild et al: Jour. of Physical Oceanography, doi: 10.1175/JPO-D-14-0217.1.



Tæt på den undersøiske afsmeltning

Den videnskabelige baggrund for at gøre sælerne til levende målesta-

tioner er, at forskerne gerne vil have en detaljeret forståelse af de fysi-

ske processer bag den undersøiske afsmeltning af Indlandsisen, og af,

uel

videns b

Akt

Naturvidenskab

Aktuel

Natur

vid

ens

kab

201

2015