Рубрика: Наука

Рослини оточені невидимою атмосферою летких сполук, за допомогою яких вони комунікують та захищаються. Подібно до запахів, ці сполуки відлякують травоїдних тварин і сигналізують сусіднім рослинам про потенційну загрозу.

Захисні сигнали рослин виявили ще в 1980-х роках, і вони відомі більш ніж у 80 видів. Нещодавно японські дослідники застосували методи візуалізації в режимі реального часу, щоб розкрити, як рослини сприймають і реагують на ці повітряні “сигнали тривоги”. Це стало важливим відкриттям, оскільки вчені знали про передачу сигналів, але не розуміли, як рослини їх сприймають.

У новому дослідженні молекулярні біологи Юрі Аратані та Такуя Уемура з Університету Сайтама розробили насос для перенесення летких сполук, що виділяються пошкодженими рослинами під час атаки комах. За допомогою флуоресцентного мікроскопа вони спостерігали, як непошкоджені рослини Arabidopsis реагують на сигнали своїх ушкоджених сусідів, які зазнали атаки гусениць Spodoptera litura.

Для точного відстеження кальцієвих сигналів дослідники використовували генетично модифіковані рослини з біосенсорами, що світяться зеленим при виявленні іонів кальцію. Ці сигнали також служать засобом комунікації в людських клітинах.

У своїх експериментах дослідники спостерігали, як рослини реагують на леткі сполуки, що виділяються пошкодженими рослинами протягом кількох секунд після травмування. Хоча ці сполуки подавалися не в природних умовах, а через спеціальний насос, це дозволило детально проаналізувати їхню дію.

На відео, знятому командою, видно, як непошкоджені рослини отримують сигнали тривоги від сусідів, відповідаючи кальцієвими спалахами, що розповсюджуються по листках.

Виявлено, що сполуки Z-3-HAL та E-2-HAL викликають кальцієві сигнали в рослинах Arabidopsis. Дослідники також визначили, які типи клітин першими реагують на ці сигнали, створивши рослини з флуоресцентними датчиками в різних клітинах.

Захисні клітини на поверхні листя формують продихи, які діють як “ніздрі” рослини. Клітини мезофілу розташовані всередині листя, а епідермальні утворюють зовнішній шар. Спочатку сигнал надходить у захисні клітини, а потім передається в клітини мезофілу. Попередня обробка рослин фітогормоном, що закриває продихи, суттєво знижує сигналізацію кальцію, підтверджуючи важливість продихів як головних “сенсорних воріт” для сприйняття сигналів.

“Ми нарешті розгадали складну історію того, коли, де і як рослини реагують на повітряні “попереджувальні повідомлення” своїх сусідів, які стикаються з небезпекою,” — пояснив старший автор дослідження Масацугу Тойота з Університету Сайтама.

“Ця невидима комунікаційна мережа відіграє ключову роль у швидкому захисті сусідніх рослин від потенційних загроз”.

Ці дослідження японських вчених проливають світло на складну систему комунікації між рослинами, розкриваючи їхню здатність швидко й ефективно реагувати на небезпеку. Подальше вивчення таких сигналів може стати ключем до більш стійкого сільського господарства, де природні механізми захисту дозволять скоротити використання пестицидів. Це не лише допоможе зменшити вплив на екосистему, але й сприятиме розвитку екологічного землеробства.

Цей прорив у розумінні “мови” рослин відкриває нові перспективи для досліджень та практичного застосування знань у галузі біології. Завдяки цим зусиллям, вчені можуть створити ефективні стратегії для захисту рослин від шкідників, використовуючи їхню природну здатність обмінюватися попереджувальними сигналами. Такий підхід здатен суттєво підвищити врожайність та допомогти зберегти біорізноманіття нашої планети.

Дослідження Юрі Аратані, Такуї Уемури та їхніх колег дають надію, що в майбутньому ми зможемо краще розуміти та захищати навколишнє середовище, використовуючи унікальні природні можливості рослин. Джерело

Відкриття того, як працює критично важливий фермент, «прихований у плані природи», проливає нове світло на те, як клітини контролюють ключові процеси фіксації вуглецю, процесу, який є фундаментальним для життя на Землі. Відкриття, зроблене вченими з Австралійського національного університету (ANU) і Університету Ньюкасла (UoN), може допомогти створити стійкі до клімату культури, здатні ефективніше всмоктувати вуглекислий газ з атмосфери, допомагаючи виробляти більше їжі в процесі.

Дослідження, опубліковане в Science Advances, демонструє раніше невідому функцію ферменту під назвою карбоксисомна карбоангідраза (CsoSCA), який міститься в ціанобактеріях, також званих синьо-зеленими водоростями, щоб максимізувати здатність мікроорганізмів витягувати вуглекислий газ з атмосфери.

Ціанобактерії широко відомі своїм токсичним цвітінням в озерах і річках. Але ці маленькі синьо-зелені жуки широко поширені, вони також мешкають у світовому океані.

Хоча вони можуть становити небезпеку для навколишнього середовища, дослідники описують їх як «крихітних вуглецевих супергероїв». Завдяки процесу фотосинтезу вони відіграють важливу роль у вловлюванні близько 12% світового вуглекислого газу щороку.

Перший автор і доктор філософії. дослідник Саша Пулсфорд з АНУ описує, наскільки ці мікроорганізми надзвичайно ефективні у захопленні вуглецю.

«На відміну від рослин, ціанобактерії мають систему, звану механізмом концентрації вуглекислого газу (CCM), який дозволяє їм фіксувати вуглець з атмосфери та перетворювати його на цукор зі значно вищою швидкістю, ніж стандартні рослини та види сільськогосподарських культур», — сказала пані Пулсфорд.

В основі СКК знаходяться великі білкові компартменти, які називаються карбоксисомами. Ці структури відповідають за поглинання вуглекислого газу, розміщення CsoSCA та іншого ферменту під назвою Rubisco. Ферменти CsoSCA і Rubisco працюють в унісон, демонструючи високоефективну природу CCM. CsoSCA працює над створенням високої локальної концентрації вуглекислого газу всередині карбоксисоми, яку Рубіско може потім поглинути та перетворити на цукор для споживання клітиною.

Провідний автор доктор Бен Лонг з UoN сказав: «До цього часу вчені не були впевнені, як контролюється фермент CsoSCA. Наше дослідження було зосереджено на розкритті цієї таємниці, особливо в основній групі ціанобактерій, знайдених по всьому світу. Те, що ми знайшли, було абсолютно несподіваним. .

«Фермент CsoSCA танцює під мелодію іншої молекули під назвою RuBP, яка активує його як перемикач. Подумайте про фотосинтез як про приготування бутерброда. Вуглекислий газ з повітря є начинкою, але фотосинтетична клітина повинна забезпечити хліб. Це RuBP так само як вам потрібен хліб для приготування бутерброда, швидкість перетворення вуглекислого газу в цукор залежить від того, наскільки швидко подається RuBP.

«Наскільки швидко фермент CsoSCA постачає вуглекислий газ Rubisco, залежить від кількості RuBP. Коли його достатньо, фермент включається. Але якщо в клітині закінчується RuBP, фермент вимикається, роблячи систему добре налаштованою. і дивно, що фермент CsoSCA весь час був вбудований у план природи, чекаючи свого відкриття».

Науковці кажуть, що створення інженерних культур, які більш ефективно вловлюють і використовують вуглекислий газ, дасть величезний поштовх для сільськогосподарської галузі, значно підвищивши врожайність, одночасно зменшивши попит на азотні добрива та іригаційні системи. Це також забезпечить більшу стійкість продовольчих систем світу до зміни клімату.

Пані Пулсфорд сказала: «Розуміння того, як працює CCM, не тільки збагачує наші знання про природні процеси, які є основоположними для біогеохімії Землі, але також може допомогти нам у створенні стійких рішень для деяких із найбільших екологічних проблем, з якими стикається світ».

Спільна дослідницька група NIMS і Токійського університету науки успішно розробила передовий пристрій штучного інтелекту (ШІ), який виконує обробку інформації, подібну до мозку, за допомогою обчислень із резервуаром кількох молекул. Ця інновація використовує молекулярні коливання певної кількості органічних молекул. Застосувавши цей пристрій для прогнозування рівня глюкози в крові у пацієнтів з діабетом, він значно перевершив існуючі пристрої штучного інтелекту з точки зору точності прогнозування.

Із розширенням програм машинного навчання в різних галузях зростає попит на пристрої штучного інтелекту, які мають не тільки високу обчислювальну потужність, але й низьке енергоспоживання та мініатюрність. Дослідження перемістилися в бік обчислення фізичних резервуарів, використовуючи фізичні явища, представлені матеріалами та пристроями для обробки нейронної інформації. Однією з проблем, яка залишається, є відносно великий розмір існуючих матеріалів і пристроїв.

Прорив у пластових обчисленнях

Дослідження започаткувало першу у світі реалізацію фізичних резервуарних обчислень, які працюють на принципі поверхневого комбінаційного розсіювання, використовуючи молекулярні коливання лише кількох органічних молекул. Інформація вводиться за допомогою іонного стробування, яке модулює адсорбцію іонів водню на органічних молекулах (p-меркаптобензойна кислота, pMBA) за допомогою напруги.

Зміни в молекулярних коливаннях молекул pMBA, які змінюються залежно від адсорбції іонів водню, виконують функцію пам’яті та нелінійного перетворення форми сигналу для розрахунку. Цей процес, використовуючи розріджену сукупність молекул pMBA, вивчив приблизно 20 годин зміни рівня глюкози в крові пацієнта з цукровим діабетом і зміг передбачити наступні коливання протягом наступних 5 хвилин із зменшенням похибки приблизно на 50% порівняно з найвищою точністю, досягнутою за допомогою аналогічних пристроїв на сьогодні.

Результати цього дослідження показують, що мінімальна кількість органічних молекул може ефективно виконувати обчислення, які можна порівняти з комп’ютером. Цей технологічний прорив у складній обробці інформації за допомогою мінімальних матеріалів і в крихітних приміщеннях дає значні практичні переваги. Це прокладає шлях до створення малопотужних термінальних пристроїв штучного інтелекту, які можна інтегрувати з різноманітними датчиками, відкриваючи можливості для широкого промислового використання.

Дерево життя квітучих рослин, подібно до нашого генеалогічного дерева, дозволяє нам зрозуміти, як різні види пов’язані один з одним. Дерево життя відкривається шляхом порівняння послідовностей ДНК між різними видами, щоб ідентифікувати зміни (мутації), які накопичуються з часом, як молекулярний літопис скам’янілостей. Наше розуміння дерева життя швидко покращується завдяки прогресу в технології секвенування ДНК.

Нещодавно вчені з Королівського ботанічного саду в Кью спільно з колегами з Інституту ботаніки Куньміна (KIB) Академії наук Китаю та навколо нього створили велике ДНК-дерево життя, яке забезпечує відкритий доступ до послідовностей ДНК понад 9500 квіткових рослин. Цей безцінний ресурс дає нам відповідь на ключові запитання про сучасне рослинне життя та зазирне в минуле до його витоків. Їхнє дослідження нещодавно було опубліковано в Nature.

Технологічний прогрес у секвенуванні ДНК

Ключова перевага підходу полягає в тому, що його можна використовувати для секвенування широкого діапазону рослинного матеріалу, старого та нового, навіть якщо ДНК сильно пошкоджена. Величезні скарби висушеного рослинного матеріалу у світових гербарних колекціях, які включають майже 400 мільйонів наукових зразків рослин, тепер можна вивчати генетично.

Використовуючи такі зразки, дослідники секвенували зразок пісковика (Arenaria globiflora), зібраний майже 200 років тому в Непалі, і, незважаючи на низьку якість його ДНК, змогли помістити його в дерево життя. Вони навіть проаналізували вимерлі рослини, такі як олива з острова Гваделупе (Hesperelaea palmeri), яку не бачили живою з 1875 року. Насправді 511 із секвенованих видів уже перебувають під загрозою зникнення, згідно з даними Міжнародного союзу охорони природи. Список, включаючи ще три, схожі на Hesperelaea, які вже вимерли.

Глобальна співпраця та новітні відкриття

З 9506 видів, секвенованих для цього дослідження, понад 3400 були отримані з матеріалу, отриманого зі 163 гербаріїв у 48 країнах, з додатковим матеріалом із колекцій рослин по всьому світу (наприклад, банки ДНК, насіння та живі колекції).

Серед секвенованих видів понад 800 ніколи раніше не секвенували ДНК. Ця послідовність була важливою, щоб заповнити важливі прогалини в знаннях і пролити нове світло на еволюційну історію квіткових рослин. Дослідники також скористалися загальнодоступними даними про понад 1900 видів, підкреслюючи цінність підходу відкритої науки для майбутніх геномних досліджень.

Незважаючи на контрастні біологічні властивості ядерного та пластидного геномів (наприклад, розмір, кількість копій, спосіб успадкування, рекомбінація та швидкість еволюції), які можуть призвести до конфліктних філогенічних дерев, результати значною мірою підтверджують філогенетичну класифікацію, що базується переважно на пластидах. IV група філогенезу покритонасінних. Наприклад, 58 з 64 прийнятих на цей час порядків і 406 з 416 родин були відновлені як монофілетичні (за винятком артефактів).

Найбільш вражаючим винятком є ​​немонофілія айстрових, найбільшої родини покритонасінних, до якої входять соняшники та їхні родичі. Дерево, отримане в результаті цього дослідження, також підтверджує 85% зв’язків між сім’ями, відновленими вченими з KIB за допомогою філогеномічного дерева покритонасінних рослин за допомогою пластомів.

«Огидна таємниця» Дарвіна та еволюційні ідеї

Квіткові рослини виникли понад 140 мільйонів років тому, після чого вони швидко витіснили інші судинні рослини. Дарвін був спантеличений, здавалося б, раптовою появою такого різноманіття в літописі скам’янілостей і писав: «Швидкий розвиток, наскільки ми можемо судити, усіх вищих рослин протягом останніх геологічних часів — це жахлива загадка».

Використовуючи 200 скам’янілостей, дослідники відстежили своє дерево життя назад у часі, щоб показати, як квіткові рослини еволюціонували протягом геологічного часу. Вони виявили, що ранні квітучі рослини справді вибухають у різноманітності, як зазначив Дарвін. Швидкий розвиток цих рослин дав початок, невдовзі після їх походження, більш ніж 80% основних ліній, які існують сьогодні. Однак ця тенденція потім знизилася до більш стабільної швидкості протягом наступних 100 мільйонів років, доки інший сплеск диверсифікації не стався приблизно 40 мільйонів років тому, що збіглося з глобальним падінням температури.

Ці нові відкриття зачарували б Дарвіна і, безсумнівно, допоможуть сучасним вченим, коли вони борються з проблемами розуміння того, як і чому диверсифікуються види.

Квіткова рослина дерево життя має величезний потенціал для дослідження біорізноманіття. Це пояснюється тим, що, так само як можна передбачити властивості елемента на основі його положення в періодичній таблиці, розташування виду в дереві життя дозволяє передбачити його властивості. Тому нові дані будуть безцінні для вдосконалення багатьох галузей науки та не тільки.

Щоб зробити це можливим, дерево та всі його базові дані були відкрито та вільно доступні як для громадськості, так і для наукової спільноти, в тому числі через Kew Tree of Life Explorer. Дослідники вважають, що такий відкритий доступ є ключовим для демократизації доступу до наукових даних у всьому світі.

Відкритий доступ також допоможе вченим максимально використати дані, наприклад, поєднати їх зі штучним інтелектом, щоб передбачити, які види рослин можуть містити молекули з лікарським потенціалом. Так само дерево життя можна використовувати, щоб краще зрозуміти та передбачити, як шкідники та хвороби вплинуть на рослини в майбутньому. Зрештою, зазначають дослідники, застосування цих даних буде залежати від винахідливості вчених, які мають доступ до них.

Дослідники з Університету Піттсбурга, Університету Дрекселя у Філадельфії та Брукхейвенської національної лабораторії співпрацюють, щоб розкрити складну таємницю, спрямовану на те, щоб зробити процедури дезінфекції води більш стійкими.

Масштабовані технології виробництва електрохімічного озону (EOP) для дезінфекції брудної води можуть колись замінити централізовану обробку хлором, яка використовується сьогодні, чи то в сучасних містах, чи у віддалених селах. Однак мало що розуміють про EOP на молекулярному рівні та про те, як технології, які роблять це можливим, можна зробити ефективними, економними та стійкими.

Їхнє дослідження нещодавно було опубліковано в журналі ACS Catalysis . Провідним автором є аспірант Drexel Раян Алауфей, а також дослідники з Drexel, у тому числі спів-PI Морін Танг, доцент кафедри хімічної та біологічної інженерії, докторант Ендрю Ліндсей, докторант Тана Сібунруанг та Езра Вуд, доцент хімії; співавтор Джон А. Кіт, доцент кафедри хімічної та нафтової інженерії та аспірант Лін’янь Чжао з Пітта; і Цінь Ву з Брукхейвена.

Переваги озону над хлором

«Люди використовували хлор для очищення питної води з 19 століття, але сьогодні ми краще розуміємо, що хлор не завжди може бути найкращим варіантом. EOP, наприклад, може генерувати озон, молекулу з приблизно такою ж дезінфікуючою дією, як хлор, безпосередньо у воді. На відміну від хлору, який стабільно зберігається у воді, озон у воді природним чином розкладається приблизно через 20 хвилин, що означає меншу ймовірність заподіяння шкоди людям під час споживання води з-під крана, під час плавання в басейні або під час очищення ран у лікарні», – пояснили. Кіт, який також є науковим співробітником кафедри енергетики імені Р. К. Меллона в Інженерній школі Пітта Суонсона.

«EOP для стійкої дезінфекції мав би великий сенс на деяких ринках, але для цього потрібен достатньо хороший каталізатор, і оскільки ніхто ще не знайшов достатньо хорошого каталізатора EOP, EOP є занадто дорогим і енергоємним для більш широкого використання. Ми з колегами подумали, що якщо ми зможемо розшифрувати на атомному рівні те, що змушує працювати посередній каталізатор EOP, можливо, ми зможемо створити ще кращий каталізатор EOP».

Дослідження ефективності каталізаторів НАТО

Розгадка таємниці роботи каталізаторів EOP має вирішальне значення для розуміння того, як краще розробити один із найперспективніших і найменш токсичних каталізаторів EOP, відомих на сьогодні: легований нікелем і сурмою оксид олова (Ni/Sb–SnO2 або НАТО).

У цьому, сказав Кейт, криється головоломка: що роль кожного атома в НАТО робить, щоб допомогти EOP? Чи озон утворюється каталітично так, як ми цього хочемо, чи він утворюється через те, що каталізатор розкладається, і в майбутньому необхідно виконати роботу, щоб зробити каталізатори НАТО більш стабільними?

Дивно, але дослідники виявили, що це, ймовірно, суміш обох. Використовуючи експериментальний електрохімічний аналіз, мас-спектрометрію та комп’ютерне квантово-хімічне моделювання, дослідники створили «історію в атомному масштабі», щоб пояснити, як озон генерується на електрокаталізаторах НАТО. Вперше вони виявили, що частина нікелю в НАТО, ймовірно, вимивається з електродів через корозію, і ці атоми нікелю, які зараз плавають у розчині біля каталізатора, можуть сприяти хімічним реакціям, які зрештою утворюють озон.

«Якщо ми хочемо зробити кращий електрокаталізатор, нам потрібно зрозуміти, які частини працюють, а які не працюють. Такі фактори, як вимивання іонів металу, корозія та фазові реакції розчину, можуть створювати враження, що каталізатор працює в один бік, хоча насправді він працює в інший спосіб».

Кіт зазначив, що виявлення поширеності корозії та хімічних реакцій, що відбуваються поза каталізатором, є важливими кроками, які необхідно прояснити, перш ніж інші дослідники зможуть вдосконалити EOP та інші електрокаталітичні процеси. У своєму висновку вони зазначають, що «виявлення або спростування існування таких фундаментальних технологічних обмежень буде критично важливим для будь-яких майбутніх застосувань EOP та інших передових процесів електрохімічного окислення».

«Ми знаємо, що електрохімічне очищення води працює в невеликих масштабах, але відкриття кращих каталізаторів підніме її до глобального масштабу. Наступним кроком є ​​пошук нових атомних комбінацій у матеріалах, які є більш стійкими до корозії, але також сприяють економічно та стійко життєздатному EOP», — сказав Кейт.