Opastukset ja työpajat

Alkuaineiden synty

Maailmankaikkeus alkoi laajentua 13,7 miljardia vuotta sitten alkuräjähdyksessä. Alkuräjähdyksen yhteydessä syntyi kaksi universumin yleisintä alkuainetta – vety ja helium. Yhdessä ne muodostavat n. 99 % maailmankaikkeuden massasta (75% vetyä).

Tähden ytimessä vety fuusioituu heliumiksi vapauttaen runsaasti energiaa. Oman Aurinkomme kaltaisissa tähdissä fuusioreaktiot etenevät aina rautaan saakka. Rautaa raskaammat alkuaineet syntyvät tähtien räjähdyksissä eli supernovissa ja niiden tuloksena syntyneiden neutroneista koostuvien ja kokoon luhistuneiden tähtien eli neutronitähtien törmäyksissä.

Alkuaineet maapallolla

Maapallomme sai alkunsa n. 4560 miljoonaa vuotta sitten Auringon synnystä ylijääneestä materiasta. Aluksi viileä planeettamme alkoi lämmetä hiukkaspommituksen, vetovoimasta aiheutuvan paineen sekä radioaktiivisten aineiden hajoamisen johdosta. Alkuaineiden sulamisen vuoksi raskain aines painui maan ytimeen ja kevein jäi pinnalle. Näin muodostui maapallon kerroksellinen rakenne ja ensimmäiset maankuoren laatat.

Maapallon ydin koostuu raudasta ja nikkelistä. Maankuoressa eri alkuaineet muodostavat yhdessä erilaisia mineraaleja, jotka taas yhdessä muodostavat eri kivilajeja. Maankuori koostuu yli 5600 erilaisesta mineraalista, suurelta osin kuitenkin silikaateista, eli piistä (28%) ja hapesta (46% maankuoren alkuaineista). Maankuoren laatat ovat hitaassa liikkeessä. Aineen suuresta kiertokulusta voidaan erottaa kolme mineraalien ja kivilajien synty-ympäristöä. Kivisulan jäähtyessä se kiteytyy mineraaleiksi muodostaen erilaisia magmakiviä. Maan pinnalla etenevä rapautuminen ja kerrostuminen synnyttää uusia, erilaisia mineraaleja ja sedimenttikivilajeja. Kivilajien hidas muuttuminen korkean paineen ja/tai lämpötilan vaikutuksesta synnyttää metamorfisia kivilajeja.

On sattumien summa, että meillä on vettä ja elämämme on mahdollista. Sijaitsemme sopivalla etäisyydellä auringosta, eikä täällä ole liian kuuma tai kylmä. Ilmakehän paine on sopiva ja magneettikenttä estää happea ja vetyä karkaamasta. Veden syntytarina alkaa aurinkokuntamme synnystä, siihen liittyy niin tulivuorien purkaukset kuin meteoroidit ja asteroidit. Veden tarkka syntymekanismi on kuitenkin toistaiseksi arvoitus. Vesi on olennainen yhdiste maapallon biosfäärissä, jossa elämä tuli mahdolliseksi.

Elämän kehityksen käännekohtana oli fotosynteesin alkaminen yli 2500 miljoonaa vuotta sitten. Sinibakteereille Cyanobacteria kehittyi kyky käyttää auringonvaloa energian lähteenä valmistaessaan vedestä ja hiilidioksidista sokeria. Samalla ilmakehään vapautui happea. Näin ilmakehän UV-säteilyltä suojaava otsonikerros alkoi muodostua, mikä mahdollisti elämän siirtymisen myöhemmin maalle. Nykyään maapallon ilmakehässä yleisimmät alkuaineet ovat typpi (yli 78%) ja happi (22%). Ilmakehän koostumus vaikuttaa olennaisesti siihen, paljonko auringosta lähtevää energiaa pääsee maan pinnalle ja paljon lämpösäteilyä karkaa avaruuteen.

Kasvien merkitys ravinteiden kierrossa

Kasvit tuottavat ravinteista ravintoaineita. Kasviravinteita ovat ne alkuaineet, jotka ovat välttämättömiä kasvin kasvulle ja normaalille kehitykselle. Niitä on yhteensä 16. Eri kasveilla on jonkin verran erilaisia vaatimuksia ravinteiden suhteen. Myös kasvien kehitysvaihe vaikuttaa siihen, mitä ravinteita kasvi erityisesti tarvitsee. Jos kasvi ei saa tarvitsemaansa ravinnetta, sen kehitys häiriintyy. Eri ravinteiden puutosoireet näkyvät eri tavoin.

Kasvit pystyvät tuottamaan elottoman luonnon raaka-aineista eloperäisiä ravintoaineita, joita eläimet ja ihmiset tarvitsevat ravinnokseen. Kasvien ravinteet ovat peräisin kallioperästä. Ravinteet ovat maassa erilaisina ioneina tai yhdisteinä. Maan pieneliöt ja happamuus vaikuttavat paljon siihen, missä muodossa ravinteet ovat ja miten helposti ne ovat kasvien saatavilla.

Hiilen ja hapen kasvit ottavat kaasuina: hiilidioksidina (CO₂) ja happena (O₂). Vedyn kasvi saa vedestä (H₂O). Typpeä kasvi voi ottaa maasta joko ammonium- että nitraatti-muodossa. Palkokasvien ja muutamien muiden kasvien juurissa elää typensitojabakteereja, jotka voivat ottaa typpeä typpimolekyyleinä ilmasta.

Typpi, fosfori, kalium ja magnesium liikkuvat kasvin sisällä helposti. Viljelyssä on erityisen tärkeä huolehtia siitä, että näitä ravinteita on kasvin saatavilla kasvukauden alussa ja voimakkaimman kasvun aikana. Kasvin sisällä huonosti liikkuvat ravinteita ovat mangaani, rikki, kupari, sinkki, rauta, kalsium, boori ja molybdeeni. Huonosti liikkuvien ravinteiden kohdalla on huolehdittava erityisesti, että näitä ravinteita on koko kasvukauden ajan saatavilla.

Alkuaineet ihmisessä

Oletko koskaan ajatellut, mistä alkuaineista ihmiskeho koostuu? Yli 90% painostamme muodostuu vain kolmesta alkuaineesta: hapesta (65%), hiilestä (18%) ja vedystä (n.10%). Jokainen orgaaninen molekyyli kehossamme sisältää hiiltä C, mutta suurin osa ihmiskehon painosta on kuitenkin vettä H₂O. Lisäksi kehossamme on paljon typpeä N (n. 3%), kalsiumia Ca (n. 1,5%) sekä fosforia P (n. 1%). Muita alkuaineita on yhteensä alle 1% kehonpainosta, mutta monet niistä ovat elintärkeitä.

Kuten luonnossa, vesi on ihmisessä keskeinen aine. Suurin osa kehomme vedestä on solujen sisällä, kolmasosa solujen väleissä. Jotta solut voivat hyvin ja ovat tasapainossa, niiden pitää olla riittävän nestepitoisia. Vesi on tärkeä ihmisen aineenvaihdunnalle, ravintoaineiden ja jätteiden kuljetukselle sekä sydämen toiminnoille. Vesi ylläpitää verenkiertoa ja verenpainetta, ja vaikuttaa keskeisesti lämmönsäätelyyn. Munuainen huolehtii vesitaloudesta, mutta monet lääkkeet ja sairaudet muuttavat vesitasapainoa.

Ihmiset saavat tarvitsemansa ravintoaineet ruoasta, veden juomasta ja hapen ilmasta. Merieliöt saavat tarvitsemansa hapen vedestä. Koska suuri osa ilmasta on typpeä, typpikaasua löytyy keuhkoista, mutta se ei imeydy kehoomme. Meren pesusienen luut ovat piilasia, mutta ihmiskehossa piitä on vain vähän. Ihmisen luusto koostuu pääosin kalsiumista ja fosforista. Ihmisen hemoglobiinin ydin rautaa, kasveilla lehtivihreässä on magnesiumia ja hämähäkeillä sinisessä veressä kuparia.

Kun ajattelee alkuaineiden matkaa tähdistä maapallolle ja elämän kehitystä tällä planeetalla, voi vain ihmetellä kuinka monta asiaa onkaan pitänyt tapahtua, että ihminen on koskaan voinut kehittyä!

Lähteet:

Yle: H₂0. Ilman vettä ei olisi elämää – Maapallon vesi on 4,5 miljardia vuotta vanhaa.

Peda.net: Kasvibiologiaa

Sciencenotes.org: Elements in the Human Body and What They Do

Aiemmat Kiepin ja GTK:n yhteistyössä tehdyt materiaalit

Suomessa pesivistä linnuista yli puolet on muuttolintuja. Loput lajeista ovat osittaismuuttajia, vaelluslintuja tai paikkalintuja. Työpajassa tutustumme eri lintuihin ja siihen mitä voimme päätellä niiden rakenteesta, nokasta ja rintalastasta. Mitä ne syövät, minne ne muuttavat? Veikko Salkion luontokokoelmassa on edustettuna noin 200 Suomessa pesivää lintulajia. Käytössä myös Suomen linnut -cd, josta näkyvät muuttolintujen muuttoreitit ja -ajat sekä pesintä- ja esiintymisalueet.

Linnunmunat voivat olla yksivärisiä tai kirjavia, soikeita tai pyöreitä – kaikella on tarkoituksensa. Tutustumme lintujen pesintään, erilaisiin pesiin sekä linnunmuniin Kiepin munakokoelman ja Veikko Salkion kokoelman näytteiden kautta. Mitä laki sanoo linnunmunista? Asiantuntijana linnunmunien ja pesien tunnistamisessa on toiminut biologi Harri Hongell. Työpajassa jokainen voi tehdä itselleen linnunpesän ja munia eri materiaaleista. Käytössä myös Suomen linnut -cd, josta näkyvät muuttolintujen muuttoreitit ja -ajat sekä pesintä- ja esiintymisalueet.

Tällä pöllöretkellä näet pöllöjä ja kuulet niiden huhuilua takuuvarmasti. Työpajassa perehdytään Suomessa eläviin pöllölajeihin ja niiden elintapoihin. Veikko Salkion pienoisdioraamat kertovat pöllöjen pesinnästä ja niiden saaliseläimistä. Voimme myös luoda yöllisen metsän tunnelmaa varjoteatterin keinoin.

Nokkosperhonen ja sitruunaperhonen ovat kaikille tuttuja päiväperhosia, mutta mitä ovat kiitäjät, kehrääjät tai mittarit? Työpajassa tutustumme perhosten moninaisuuteen sekä muodonmuutokseen munasta aikuiseksi. Mitä tapahtuu kehityksen eri vaiheissa? Voimme myös pohtia sudenkorentojen eroja perhosiin tai tutkia muitakin hyönteisiä. Origamiperhosen taittelu vaatii tarkkuutta, mutta lopputulos palkitsee.

Hirvi levittäytyi Suomeen viimeisen jääkauden jälkeen noin 10 000 vuotta sitten. Se on sopeutunut hyvin kylmyyteen; ontot, lämpöä eristävät karvat suojaavat sitä pakkaselta ja pitkät raajat auttavat lumessa. Mutta mitä hirvet käyttävät ravinnokseen eri vuodenaikoina? Tutustumme hirveen ja muihin hirvieläimiin Veikko Salkion kokoelman sarvi- ja kallonäytteiden kautta. Jyrki Portin tuo valokuvissaan esille hirven eri elinympäristöissään. Voimme myös pohtia, mikä merkitys hirvellä on ollut Suomen esihistoriassa, entä nykypäivänä?

Talven pakkasta voi lähteä karkuun, mutta tänne jäävät yksilöt saavat suojaa lumesta. Toiset lepäävät kuukausia, toiset etsivät ruokaa herkeämättä päivittäin koko lyhyen valoisan ajan. Pehmeästä lumesta löytyy jälkijonoja, joista voimme tutkia yksittäisiä jälkiä ja kulkutapoja.

Tervetuloa tutustumaan eläimiin, joita voimme nähdä talvisessa luonnossa. Miten ne selviytyvät pitkästä, kylmästä talvesta?  Ryhmä saa samalla myös ohjeet talviseurantaan osallistumiseen.

Fossiilien kautta saamme tietoa maapallon historiasta ja elämän kehityksestä. Työpajassa kurkistamme miljoonien vuosien taakse ja huomaamme, miten eliöstö on muuttunut aikojen kuluessa. Miten mantereet ovat liikkuneet maapallon historian aikana? Mitkä tekijät ovat vaikuttaneet maapallon ilmastoon? Asiantuntijana fossiilien tunnistamisessa ja ajoittamisessa ovat toimineet Helsingin yliopiston paleontologit.

Työpajassa tutustumme tähtien ja aurinkokunnan syntyyn Hubble-avaruusteleskoopin kuvien kautta. Mitkä tekijät suojaavat maapalloa meteoriiteilta? Tutkimme erilaisia meteoriitteja ja törmäyskiviä. Viljo Nissisen kokoelmassa on pala kuuluisaa Bjurbölen kivimeteoriittia, joka putosi tulipallona 1800-luvun lopulla Porvoon edustalle. Etsimme karttapallolta huomattavien meteoriittien törmäys- ja löytöpaikkoja Suomessa ja muualla maapallolla. Asiantuntijoina ovat toimineet Satu Hietala (GTK), Arto Luttinen (Luomus) sekä emeritusprofessori Lauri Pesonen (Helsingin yliopisto).

Vuoristot syntyvät ja rapautuvat, myös meriä syntyy ja häviää. Planeettamme pinta muuttuu koko ajan, aine kiertää. Tervetuloa tutustumaan alkuaineiden muodostamiin mineraaleihin ja kivilajeihin. Miten ja missä ne syntyvät, mistä aineista ne koostuvat? Työpajassa tulevat tutuiksi magmakivet, sedimenttikivet sekä metamorfiset kivet. Viljo Nissisen mineraalikokoelmasta löytyy noin 3 500 miljoonan vuoden ikäinen Siuruan gneissi, joka on Fennoskandian kilven vanhin kivi. Lisäksi voimme harjoitella tunnistamaan yleisimpiä mineraaleja.

Aineen kiertokulussa satojen miljoonien vuosien aikana vuoret ja kalliot rapautuvat hitaasti kiveksi, soraksi, hiekaksi ja saveksi. Työpajassa tutustumme savimineraaleihin ja keramiikassa käytettäviin väriaineisiin Viljo Nissisen mineraalikokoelman näytteiden kautta. Mitä savi muistaa maapallon eri vaiheista? Mitä ovat Kokkolassakin esiintyvät happamat sulfaattimaat? Jokainen saa palan suomalaista punasavea, josta voi muotoilla mukaansa pienen luomuksen. Huom! Kiepissä ei savenpolttomahdollisuutta.

Viljo Nissisen mineraalikokoelmasta löytyvät monet harvinaisetkin mineraalit ja niiden jalot muodot. Työpajassa selvitämme mistä alkuaineista ja missä prosesseissa jalokivet ja korukivet syntyvät. Etsimme kokoelmasta ametistin, topaasin, rubiinin. Mitä ominaisuuksia kivellä tulee olla, jotta se voidaan hioa? Lopuksi voimme tutkia jalo- ja korukiviä eri tutkimusvälineillä, hioa kiviä käsin tai tehdä oman amuletin eri materiaaleista.

Kiepin väriseikkailussa tutustumme valoon ja väreihin monipuolisesti. Auringon säteilystä vain murto-osa on ihmissilmälle näkyvää valoa. Värit ”syntyvät” näköaistimme kautta; valon aallonpituus vaikuttaa havaitsemiimme väreihin. Taskulampun avulla saamme esille kauniita sävyjä perhosten siivissä ja lintujen höyhenissä. Jotkin mineraalit näyttävät eri värisiltä valosta riippuen. Joni Virtanen on kuvannut vuosien aikana eri ilmakehän ilmiöitä. Hänen kuviensa kautta voimme tutustua mm. meteoreihin, revontuliin, haloihin, valaiseviin yöpilviin, sateenkaariin.

Kiepin talvityöpajassa olemme osa talvista luontoa. Mietimme, mitä linnut tekevät pimeänä talviyönä? Mistä ne löytävät ruokansa lyhyenä valoisana aikana? Kaikki eläimet ei suinkaan nuku tai horrosta. Eri eläinlajit ovat keksineet kukin oman tyylinsä selviytyä talven yli. Jaana Erkkilän Talviparatiisi -tarinassa karhu kertoo tarinoita talvisen luonnon elämästä. Huurteisessa metsässä voimme nähdä pienten vipeltäjien jälkiä. On hauskaa tehdä jälkiä Keski-Pohjanmaan kamariorkesterin musiikin tahdissa.