Рубрика: Наука

Кілька десятиліть тому було встановлено, що найвіддаленіші куточки нашої планети протягом багатьох років зберігали вуглець у замерзлій вічній мерзлоті. Однак нещодавні дослідження, проведені фахівцями НАСА, свідчать про те, що арктична вічна мерзлота наближається до переломного моменту. Танучи, вічна мерзлота вивільняє парникові гази, такі як вуглекислий газ і метан — обидва вони прискорюють глобальне потепління.

Замерзла арктична вічна мерзлота

Вічна мерзлота — це ґрунт, який залишається постійно замороженим, як правило, цілий рік, протягом тривалих періодів — часто протягом десятиліть, століть або навіть тисячоліть. Розташована переважно в північних регіонах Землі, таких як Арктика та частини Аляски, Канади і Сибіру, вічна мерзлота слугує природним сховищем вуглецю. Ця мерзла земля утримує органічні речовини, такі як відмерлі рослини та рештки тварин, які не повністю розклалися через низькі температури.

Підземний вуглець безпечний

З часом ці матеріали накопичують величезну кількість вуглецю, ефективно замикаючи його під землею в місці, яке здавна вважалося «вуглецевим сейфом». Однак, оскільки Арктика прогрівається прискореними темпами — до чотирьох разів швидше, ніж інші регіони — вічна мерзлота починає танути. Цей процес танення вивільняє в атмосферу раніше накопичені парникові гази, зокрема вуглекислий газ і метан.

Ці гази, що утримують тепло, сприяють глобальному потеплінню, перетворюючи вічну мерзлоту з поглинача вуглецю на джерело викидів.

Парникові гази, що виділяються з вічної мерзлоти

Нещодавнє дослідження, проведене вченими НАСА та Стокгольмського університету, дає інтригуюче уявлення про цей величезний регіон вічної мерзлоти. У дослідженні ретельно проаналізовано, куди і як парникові гази втікають з Арктики в міру її потепління.

Дослідники виявили, що в період між 2000 і 2020 роками викиди з суші майже затьмарили поглинений нею вуглекислий газ.

Таким чином, регіон вічної мерзлоти робить все більший внесок у глобальне потепління. Це явище також пов’язане з іншим парниковим газом — метаном. Хоча метан не такий довгоживучий, як вуглекислий газ, він може завдати чималого удару протягом свого короткого життя, утримуючи тепло набагато ефективніше.

Перехилення балансу вічної мерзлоти

Абхішек Чаттерджі — науковець з Лабораторії реактивного руху НАСА (JPL) у Південній Каліфорнії та співавтор дослідження.

«Ми знаємо, що регіон вічної мерзлоти захоплював і зберігав вуглець протягом десятків тисяч років, — каже Чаттерджі. «Але зараз ми виявляємо, що зміни, спричинені кліматом, схиляють баланс у бік того, що вічна мерзлота стає чистим джерелом викидів парникових газів».

Можливо, концепція вічної мерзлоти потребує трохи більше розпакування. Зріз з ядра вічної мерзлоти відкриває шари крижаних ґрунтів. Ці ґрунти переповнені відмерлими рослинними і тваринними рештками, які можна датувати за допомогою різних методів. Це органічний вуглець, яким харчуються мікроби, коли вічна мерзлота відтає і розкладається, виділяючи частину його у вигляді парникових газів.

Відстеження викидів вічної мерзлоти

Вчені використовують безліч методів для відстеження викидів — від наземних приладів і літаків до супутників. Експеримент НАСА з вивчення вразливості Арктики та Бореальної зони (ABoVE) зосереджений на Алясці та західній частині Канади. Однак проводити вимірювання на величезних північних просторах зовсім не просто.

У новому дослідженні, що є частиною проекту RECCAP-2 Глобального вуглецевого проекту, з 2000 по 2020 рік проводився моніторинг трьох парникових газів — вуглекислого газу, метану та закису азоту — на території площею 7 мільйонів квадратних миль, вкритих вічною мерзлотою.

Викиди вуглецю в арктичних екосистемах

Експерти виявили, що ліси поглинають трохи більше вуглекислого газу, ніж виділяють. Однак це було значною мірою компенсовано викидами вуглекислого газу з озер і річок, а також лісовими і тундровими пожежами.

Отримані дані свідчать про те, що парникові гази сприяли планетарному потеплінню протягом 20-річного періоду. Але впродовж 100-річного періоду викиди та поглинання в основному врівноважуватимуть один одного. Таким чином, регіон коливається між тим, щоб бути джерелом вуглецю і слабким поглиначем вуглецю.

Виникла складна картина

Щоб дійти таких висновків про танення вічної мерзлоти і пов’язані з ним викиди парникових газів, вченим довелося використовувати комбінацію методів. «Висхідні» методи оцінювали викиди за допомогою наземних і повітряних вимірювань, а також екосистемних моделей, тоді як “низхідні” методи використовували атмосферні вимірювання за допомогою супутникових датчиків, включаючи Орбітальну вуглецеву обсерваторію NASA-2 (OCO-2) і супутник спостереження за парниковими газами JAXA (Японського агентства аерокосмічних досліджень).

«Це дослідження — одне з перших, де ми змогли інтегрувати різні методи і набори даних, щоб зібрати цей дуже всеосяжний бюджет парникових газів в одному звіті», — сказав Чаттерджі. «Воно розкриває дуже складну картину».

Команда астрофізиків під керівництвом вчених з Інституту перспективних досліджень розробила інноваційну техніку пошуку світлового відлуння чорної діри. Їхній новий метод, який спростить вимірювання маси та обертання чорних дір, є великим кроком вперед, оскільки він працює незалежно від багатьох інших способів, якими вчені досліджували ці параметри в минулому.

Дослідження, опубліковане в The Astrophysical Journal Letters, представляє метод, який може надати прямі докази фотонів, що обертаються навколо чорних дір через ефект, відомий як «гравітаційне лінзування».

Гравітаційне лінзування виникає, коли світло проходить поблизу чорної діри, і його шлях вигинається сильним гравітаційним полем чорної діри. Цей ефект дозволяє світлу пройти кілька шляхів від джерела до спостерігача на Землі: деякі світлові промені можуть йти прямим маршрутом, тоді як інші можуть обертатися навколо чорної діри один або кілька разів, перш ніж досягти нас. Це означає, що світло від одного джерела може надходити в різний час, що призводить до «луни».

«Про те, що світло кружляє навколо чорних дір, спричиняючи відлуння, теоретизували протягом багатьох років, але такі відлуння ще не були виміряні», — говорить провідний автор дослідження Джордж Н. Вонг, член Френка та Пеггі Теплін у Школі природничих наук Інституту. та асоційований науковий співробітник Прінстонської гравітаційної ініціативи Прінстонського університету. «Наш метод пропонує план для проведення цих вимірювань, які потенційно можуть революціонізувати наше розуміння фізики чорних дір».

Ця техніка дозволяє ізолювати слабкі сигнатури відлуння від сильнішого прямого світла, що вловлюється добре відомими інтерферометричними телескопами, такими як Event Horizon Telescope. І Вонг, і один із його співавторів, Лія Медейрос, відвідувач Школи природничих наук Інституту та науковий співробітник NASA Ейнштейна в Прінстонському університеті, багато працювали в рамках співпраці Event Horizon Telescope Collaboration.

Щоб перевірити свою техніку, Вонг і Медейрос, працюючи разом з Джеймсом Стоуном, професором Школи природничих наук, і Алехандро Карденасом-Авенданьо, науковим співробітником Національної лабораторії Лос-Аламоса та колишнім асоційованим науковим співробітником Прінстонського університету, провели симуляції з високою роздільною здатністю, які зробили десятки тисяч «миттєвих знімків» світла, що обертається навколо надмасивної чорної діри, схожої на ту, яка знаходиться в центрі галактики M87 (M87*), яка розташована на відстані приблизно 55 мільйонів світлових років від Землі.

Використовуючи ці симуляції, команда продемонструвала, що їх метод може безпосередньо визначити період затримки відлуння в змодельованих даних. Вони вважають, що їх методика буде застосовна і для інших чорних дір, крім M87*.

«Цей метод не тільки зможе підтвердити, коли було виміряно світло, що обертається навколо чорної діри, але також забезпечить новий інструмент для вимірювання фундаментальних властивостей чорної діри», — пояснює Медейрос.

Розуміння цих властивостей є важливим. «Чорні діри відіграють значну роль у формуванні еволюції Всесвіту», — каже Вонг. «Хоча ми часто зосереджуємося на тому, як чорні діри втягують речі, вони також викидають велику кількість енергії у своє оточення.

«Вони відіграють важливу роль у розвитку галактик, впливаючи на те, як, коли та де утворюються зірки, і допомагаючи визначити, як еволюціонує структура самої галактики. Знаючи розподіл мас і обертів чорних дір, а також те, як змінюється розподіл, з часом значно покращує наше розуміння Всесвіту».

Виміряти масу або обертання чорної діри складно. Природа акреційного диска, а саме обертова структура гарячого газу та іншої матерії, що обертається всередину до чорної діри, може «заплутати» вимірювання, зазначає Вонг. Однак світлове відлуння забезпечує незалежне вимірювання маси та обертання, а наявність кількох вимірювань дозволяє нам отримати оцінку тих параметрів, «у які ми дійсно можемо повірити», — стверджує Медейрос.

Виявлення світлового відлуння може також дозволити вченим краще перевірити теорію гравітації Альберта Ейнштейна. «Використовуючи цю техніку, ми можемо знайти речі, які змусять нас подумати: «Гей, це дивно!» — додає Медейрос. «Аналіз таких даних може допомогти нам перевірити, чи справді чорні діри відповідають загальної теорії відносності».

Результати команди свідчать про те, що можливо виявити відлуння за допомогою пари телескопів — одного на Землі, а іншого в космосі — які працюють разом, щоб виконати те, що можна описати як «інтерферометрію з дуже довгою базовою лінією». Така інтерферометрична місія повинна бути лише «скромною», стверджує Вонг. Їхня техніка забезпечує зручний, практичний метод збору важливої ​​надійної інформації про чорні діри.

Спустошення Помпей виверженням Везувію у 79 році н.е. є однією з найбільш описаних катастроф в історії людства. Попіл і пемза, що випали дощем, зберегли сліди загиблих там, де вони впали, залишаючи нам можливість здогадуватися про особистості та стосунки людей, що застигли в часі.

Але ми, люди, недосконалі. Ми орієнтуємося у світі за допомогою сприйняття та упереджень, які затьмарюють наші спостереження, незалежно від того, як ми намагаємося залишатися об’єктивними. Новий аналіз ДНК жертв Помпеї показує, що наші припущення про них були помилковими — відкриття, яке дає нам розуміння бурхливого життя Помпеї до того, як її поглинув вулкан.

«Наукові дані, які ми надаємо, не завжди збігаються з поширеними припущеннями, — каже генетик Девід Райх з Гарвардського університету.

«Наприклад, одним із яскравих прикладів є відкриття того, що доросла людина, яка носила золотий браслет і тримала дитину, яку традиційно інтерпретували як матір і дитину, були неспорідненими дорослим чоловіком і дитиною. Аналогічно, пара осіб, які вважалися сестрами або матір’ю і донькою, виявилися генетично спорідненими, принаймні, з одним генетично чоловіком. Ці висновки кидають виклик традиційним гендерним і сімейним припущенням».

Вулканічний матеріал, скинутий на Помпеї під час вибуху Везувію, спричинив своєрідний процес скам’яніння. Він впав на мертвих і вмираючих та навколо них, а потім застиг на місці. Коли тіла піддалися часу і розкладанню, вони залишили за собою порожнисті відбитки попелу.

Руїни знову відкрили у 19 столітті; у 1870-х роках у порожнечі залили гіпс, щоб створити зліпки тіл, які їх створили. Але форми тіл були не єдиним, що збереглося. Кістки, що залишилися, також були запечатані в гіпс.

Археологи, які робили зліпки у 19 столітті, не могли передбачити появу майбутніх технологій, проте їхня робота виявиться безцінною більш ніж 150 років потому. Це тому, що зліпки дають нам контекст для деталей, збережених у генетичному складі жертв, що, своєю чергою, допомагає нам зрозуміти життя в Помпеях та Італії римської епохи.

Аналіз під керівництвом судового археолога Олени Піллі з Флорентійського університету в Італії був проведений на фрагментарних залишках скелетів з 14 гіпсових зліпків, відібраних з 86 зліпків, які зараз проходять реставрацію. Антрополог Алісса Міттнік з Гарвардського університету та Інституту еволюційної антропології Макса Планка в Німеччині розповіла ScienceAlert, що це непросте завдання.

«Як екстремальна спека під час виверження вулкана, так і процес відливання гіпсу можуть бути шкідливими для довготривалого збереження ДНК. У генетичному аналізі ми зазвичай намагаємося зосередитися на скелетних елементах, які, як відомо, надзвичайно добре зберігають ДНК, таких як внутрішнє вухо черепа або зуби, — пояснила вона.

«У цьому дослідженні нам довелося бути менш вибірковими, оскільки ми змогли взяти зразки лише з тих частин скелетів, які були відкриті в пошкоджених зліпках, що перебували на стадії реставрації. Складність отримання стародавньої ДНК за таких обставин проявляється в тому, що лише шість з 14 відібраних зразків надали нам генетичні дані».

Але цих шести осіб було достатньо для того, щоб кинути серйозний виклик тому, що ми думали, що знали про жертв Помпеї.

Зліпки чудові, але не ідеальні, а деталі буває трохи важко визначити на око, тому археологи покладалися на інші докази. Показний золотий браслет, який носила людина, що обіймала дитину, вважався жіночою прикрасою. Ніжна прихильність, з якою кожна пара обіймалася, інтерпретувалася як жіноча. Обидва ці припущення, як виявилося, були помилковими.

У Будинку Золотого Браслета четверо людей, яких інтерпретували як батьків, і двоє їхніх дітей не були генетично пов’язані один з одним. Щонайменше одна особа в парі, що обіймалася, була чоловіком — і, ймовірно, друга теж.

Ці знахідки натякають на набагато глибше і складніше суспільство, ніж ми уявляли собі у Помпеях.

«Я стикався з традиційними розповідями про деякі з цих груп жертв до того, як вивчав їх з наукової точки зору, і вони здавалися мені правдоподібними, тому я був дуже здивований, коли побачив, що генетичні результати показали, що в історіях цих людей є щось більше, ніж «те, що здається на перший погляд», — розповів Міттнік в інтерв’ю ScienceAlert.

«Отримані результати змушують нас переглянути спрощені інтерпретації гендерної та сімейної динаміки в римському суспільстві, які можуть не відповідати сучасним західним уявленням».

Аналіз також виявив більшу генетичну різноманітність у Помпеях, ніж передбачалося. Досліджувані особи в основному походили від відносно недавніх іммігрантів зі східного Середземномор’я та Близького Сходу, а не від людей, які жили в цьому регіоні протягом століть.

Це схоже на розмаїття, яке спостерігається в цілому в римському регіоні Західної Італії, що відображає ранні набіги глобалізації, яким сприяло посилення торгівлі в Римській імперії.

І це лише шість осіб у багатотисячному місті. Це приголомшливий результат. Він не тільки дає нам можливість по-новому поглянути на життя людей, які жили тисячі років тому, але і є протверезним нагадуванням про необхідність залишити наші упередження за дверима, якщо ми хочемо провести точне дослідження історії людства.

«Хоча наші висновки дозволяють нам кинути виклик деяким традиційним наративам, ми повинні бути обережними, щоб не повторити тієї ж помилки», — сказав Міттнік в інтерв’ю ScienceAlert. «Натомість, наші результати підкреслюють важливість інтеграції різних доказів і не накладати сучасні припущення на стародавні контексти». Дослідження опубліковане в журналі Current Biology.

Дослідження показують, що розмір пащі бірманських пітонів більший, ніж вважалося раніше, що дозволяє їм споживати більшу здобич і суттєво впливати на екосистему Флориди, полюючи на більших тварин.

Нове дослідження, опубліковане в журналі Reptiles & Amphibians, показує, що бірманські пітони можуть споживати набагато більшу здобич, ніж вважалося раніше. Таким чином, вони становлять більшу загрозу для дикої природи на півдні Флориди, де ці чужорідні, інвазивні змії вже знищили популяції лисиць, рисей, єнотів та інших тварин.

Вимірювання Gape показують дивовижні дані

Пітони ковтають оленів, алігаторів та іншу здобич цілком. Їхній раціон частково обмежений розміром здобичі, яку вони можуть обхопити своїми гнучкими, розтягнутими щелепами, що дослідники називають зміїною пащею.

За словами професора Університету Цинциннаті Брюса Джейна, вимірювання змій, спійманих у Національному парку Еверглейдс та його околицях, показують, що найбільші пітони мають навіть більшу пащу, ніж передбачають математичні моделі. Джейн дослідив трьох найбільших змій, спійманих партнерами по дослідженню Яном Істерлінгом і Яном Бартошеком з Природоохоронної служби Південно-Західної Флориди, довжиною 15, 17 і 19 футів.

Раніше дослідники вивчали пітонів з пащею діаметром 22 сантиметри (або 8,7 дюйма). Але найбільша зі змій, яку зловили партнери Джейн по дослідженню, мала максимальну пащу 26 сантиметрів (або 10,2 дюйма).

«Це не так вже й багато — всього на 18% більше», — каже Джейн.

Однак, за словами Джейн, загальна площа зяяння збільшилася на колосальні 40%. Найбільші змії мали окружність зяяння понад 81 сантиметр — це еквівалент 32-дюймової талії штанів.

Наслідки збільшення розміру розриву

Ці висновки вказують на те, що змії можуть споживати набагато більшу здобич, ніж було відомо раніше. Виходячи з предметів здобичі, знайдених всередині бірманських пітонів, дослідники знають, що вони вбивають і поглинають тварин, які майже занадто великі, щоб їх проковтнути. Дослідники спостерігали, як одна змія з’їла 77-фунтового оленя, що становить дві третини загальної маси змії.

«Спостерігати, як інвазивний верхівковий хижак ковтає повнорозмірного оленя у вас на очах — це те, що ви ніколи не забудете, — сказав Бартошек, — Вплив бірманського пітона на місцеву дику природу неможливо заперечувати. Це проблема дикої природи нашого часу для екосистеми Великих Еверглейдсів».

Знання обмежень на розмір здобичі, яку можуть з’їсти хижаки, може допомогти дослідникам спрогнозувати екологічний вплив, який можуть мати інвазивні змії, коли вони проникатимуть у нові райони.

Бірманські пітони походять з тропічних лісів Південно-Східної Азії. Вони були завезені до дикої природи Флориди через торгівлю домашніми тваринами як втечі та навмисні випуски безвідповідальних власників.

Анатомія та ріст Python

Те, що дає пітонам можливість поїдати таких великих тварин, — це їхні неймовірні роти. Нижня щелепна кістка не зрощена спереду, що дозволяє щелепам широко розтягуватися. Їх шкіра настільки м’яка і надзвичайно еластична, що займає більше половини окружності пащі, що дозволяє пітонам споживати здобич у шість разів більшу, ніж в інших видів змій подібного розміру.

Дослідники вивчили взаємозв’язок між розміром пащі змії та її черепною анатомією і загальним розміром, щоб зрозуміти її хижі можливості. Бірманські пітони мають довжину близько 24 дюймів і важать близько 4 унцій, коли вилуплюються, але вони швидко ростуть. За рік вони можуть подвоїти свою довжину і масу тіла. Найбільші дорослі особини можуть витягуватися майже на 20 футів і важити понад 200 фунтів.

«Великі пітони, довші за 16 футів, зустрічаються дуже рідко. З більш ніж 9 000 пітонів, яких підрядники зловили у Флориді, менше 1% були такого екстремального розміру», — говорить Джейн.

Зусилля щодо збереження у відповідь на інвазивні види

Природоохоронна організація Південно-Західної Флориди розпочала дослідження та вилучення бірманських пітонів у південній Флориді у 2013 році.

Група відстежувала пересування 120 радіомічених дорослих пітонів, відомих як «змії-розвідники», щоб краще зрозуміти інвазивну популяцію. Основна мета дослідження — створити базу даних про поведінку та використання середовища проживання для кращого розуміння активності пітонів. Це дослідження допомагає інформувати політиків, біологів і землевпорядників для розробки кращих стратегій контролю за інвазивними зміями.

Висновок і наслідки дослідження

Бартошек і його команда видалили 770 пітонів, загальною вагою понад 33 000 фунтів, які досить великі — 6,5 футів або більше, щоб з’їсти тварину розміром щонайменше з оленя. Якби кожна з цих змій з’їла лише одного оленя, якого вона могла б проковтнути, за оцінками Джейн, це становило б приголомшливу здобич вагою 13 000 фунтів.

Джейн каже, що така величезна здатність з’їдати здобич викликає велике занепокоєння, якщо пітони поширяться на інші частини Флориди і, можливо, на решту американського південного сходу. Бірманські пітони з’являються все частіше по всій Флориді.

«Це лише верхівка айсберга цього феноменального впливу на популяції хижаків у Флориді», — сказав він. «Дослідники намагаються зрозуміти, де це поширення може зупинитися».

У неймовірному подвигу, який перевизначає біологічні кордони, вчені успішно створили тваринні клітини, здатні до фотосинтезу.  Цей прорив під керівництвом професора Сачіхіро Мацунаги з Токійського університету може змінити медичні дослідження та допомогти у розвитку виробництва м’яса, вирощеного в лабораторії. Фотосинтез в клітинах тварин

Фотосинтез, традиційно виключно для рослин, водоростей і деяких бактерій, є процесом, який використовує сонячне світло, воду та вуглекислий газ для виробництва кисню та цукру, по суті, «годуючи» організм.

«Усі живі організми на Землі, включаючи людину, здатні жити завдяки фотосинтезу», — сказав Мацунага. «Клітини тварин споживають кисень, їдять і розщеплюють цукор, виділяють вуглекислий газ. Ця реакція абсолютно протилежна фотосинтезу». 

Впроваджуючи фотосинтетичні властивості в клітини тварин, команда сподівається створити клітини, які споживають менше кисню та виділяють менше вуглекислого газу – фактично перетворюючи їх на міні-виробники кисню.

Подолання 50-річного виклику

Спроби створити фотосинтезуючі тваринні клітини відносяться до 1970-х років. «Якщо ми зможемо змусити хоча б частину фотосинтезу відбуватися в клітинах тварин, ми зможемо зменшити кількість споживаного кисню, зменшити кількість споживаного цукру та скоротити викиди вуглекислого газу», — сказав Мацунага.

Однак завдання полягає в тому, щоб переконати тваринні клітини прийняти хлоропласти, клітинні структури, де відбувається фотосинтез у рослин. Раніше клітини тварин руйнували хлоропласти, визнаючи їх чужорідними загарбниками, як бактерії чи віруси. 

Тваринні клітини поглинають хлоропласти

Команда Мацунаги зробила два важливі кроки для досягнення цього наукового прориву. По-перше, вони шукали хлоропласти, які могли б вижити в теплішому середовищі тваринних клітин, які зазвичай культивуються при температурі близько 37 градусів за Цельсієм, що значно вище, ніж температура, яку можуть витримати більшість рослинних хлоропластів.  Після знаходження відповідних хлоропластів команда повинна була запобігти відторгненню тваринними клітинами їх як чужорідного матеріалу.

«Хлоропласти, з’їдені як їжа, можуть зберігатися в клітині тварини щонайменше два дні, протягом яких може бути виявлена ​​початкова реакція фотосинтезу», — сказав Мацунага. 

Дозволивши клітинам тварин ковтати хлоропласти як «їжу», а не примусово імплантувати їх, команді вдалося обійти імунну відповідь, яка зазвичай руйнує хлоропласти.

Нове джерело енергії та зростання

Початкові результати здивували Мацунага та його колег. Клітини тварин не тільки переносили хлоропласти, але й демонстрували підвищену швидкість росту, що свідчить про те, що хлоропласти стали додатковим джерелом енергії. 

«Я був здивований, тому що ми змогли зробити те, що нікому не вдавалося протягом 50 років і від чого всі біологічні дослідники відмовилися», — сказав Мацунага. Це досягнення може мати широке значення, зокрема для застосування в медицині та штучного виробництва м’яса.

Застосування фотосинтезу тварин

У той час як фотосинтез людини залишається далекою метою, Мацунага вважає, що безпосереднє застосування лежить у медичних дослідженнях і виробництві м’яса, вирощеного в лабораторії.  Однією з головних перешкод у вирощуванні тканини для медичного використання або штучного м’яса є забезпечення доставки кисню до щільно упакованих клітин. 

Як пояснив Мацунага, «коли клітини стають багатошаровими, внутрішня частина клітинної маси [не отримує достатньо кисню]; поділ клітин припиняється, і збільшення розміру неможливо».  Завдяки вбудовуванню хлоропластів ці клітинні кластери можуть генерувати власний кисень під дією світла, потенційно відновлюючи поділ і ріст клітин.

Дивлячись у майбутнє, Мацунага передбачає медичні застосування, які б доставляли кисень до певних органів, наприклад серця. Наприклад, імплантація маленького світлодіода біля серця може забезпечити світлом фотосинтезуючі клітини, покращуючи доставку кисню пацієнтам із серцевими захворюваннями. 

Проте подовження тривалості життя хлоропластів у клітинах тварин залишається проблемою. «У майбутньому ми вдосконалимо нашу техніку, щоб хлоропласти могли якомога довше здійснювати фотосинтез у клітинах тварин», — сказав Мацунага.Нова ера в біологічній інженерії

Дослідження Мацунаги знаменує собою зміну парадигми, демонструючи, як створення клітин тварин для фотосинтезу може призвести до численних інновацій, від виробництва м’яса, вирощеного в лабораторії, до вдосконалених медичних процедур. 

Незважаючи на те, що ще потрібно зробити роботу, щоб розширити функцію хлоропластів у цих клітинах, команда Мацунаги відкрила двері в нове царство можливостей, кидаючи виклик давнім переконанням у біології та розсуваючи межі того, чого клітини можуть досягти. 

Цей прорив підкреслює трансформаційний потенціал фотосинтезу за межами рослинного життя, пропонуючи унікальний і універсальний інструмент для вирішення людських проблем у виробництві їжі, медицині та, можливо, навіть зміні клімату. Дослідження опубліковано в журналі  Proceedings of the Japan Academy.

Використовуючи лідар на базі безпілотника, дослідники склали карту двох середньовічних міст, Ташбулак і Тугунбулак, в Узбекистані, розкриваючи детальні міські структури, важливі для історії Шовкового шляху. Перше використання лідара на основі безпілотника в Центральній Азії дозволило археологам розкрити деталі двох нещодавно відкритих середньовічних торгових міст високо в горах Узбекистану.

Команда використала цю передову технологію, щоб скласти карту археологічного масштабу та розташування міст, які є одними з найбільших, коли-небудь задокументованих у гірських частинах Шовкового шляху, широкої мережі стародавніх торгових шляхів, що з’єднували Європу та Східну Азію.

Дослідження під керівництвом Майкла Фрачетті, професора археології відділу мистецтв і наук Вашингтонського університету в Сент-Луїсі, і Фархода Максудова, директора Національного центру археології в Узбекистані, нещодавно було опубліковано в Nature.

Античний урбанізм високої роздільної здатності

Лідарне сканування безпілотником забезпечило надзвичайно детальні види площ, укріплень, доріг і поселень, які формували життя та економіку високогірних громад, торговців і мандрівників у Центральній Азії з VI по XI століття. Два міста розташовані на пересіченій місцевості на висоті від 2000 до 2200 метрів над рівнем моря (приблизно порівнянно з Мачу-Пікчу в Перу), що робить їх незвичайними прикладами процвітаючого гірського урбанізму.

Розкриття складнощів гірського урбанізму

Менше місто, яке сьогодні називається Ташбулак, охоплювало близько 12 гектарів, тоді як велике місто Тугунбулак сягало 120 гектарів, «роблячи його одним із найбільших регіональних міст свого часу», сказав Фрачетті.

«Це були б важливі міські центри в Центральній Азії, особливо коли ви переїхали з низинних оазисів у більш складні високогірні умови», — сказав він. «Хоча гори зазвичай розглядаються як бар’єри для торгівлі та пересування на Шовковому шляху, насправді вони були місцем для основних центрів взаємодії. Ймовірно, тварини, руди та інші дорогоцінні ресурси сприяли їхньому процвітанню».

«Це місце мало складну міську структуру зі специфічною матеріальною культурою, яка значно відрізнялася від низинної осілої культури», — сказав Максудов. «Зрозуміло, що люди, які населяли Тугунбулак більше тисячі років тому, були кочовими скотарями, які зберігали свою власну незалежну культуру та політичну економію».

Технологічні досягнення в археологічних дослідженнях

Лідарна технологія зазвичай використовується для картографування археологічних ландшафтів, заблокованих густою рослинністю, але вона має додаткову цінність там, де рослинність рідкісна, наприклад у горах Узбекистану. «В Узбекистані експлуатація дронів суворо регулюється, тому це відкриття сталося також завдяки політичній підтримці та дозволам, які ми отримали від місцевих партнерів і уряду», — сказав Фрачетті.

Сканування на сантиметровому рівні дозволило провести розширений комп’ютерний аналіз стародавніх археологічних поверхонь, забезпечивши безпрецедентне уявлення про архітектуру та організацію міст. «Це одні з лідарних зображень археологічних пам’яток з найвищою роздільною здатністю, які будь-коли опубліковані», — сказав Фрачетті. «Це стало можливим, зокрема, завдяки унікальній динаміці ерозії в цій гірській місцевості».

Поєднання сучасних технологій і стародавніх відкриттів

Фрачетті, Максудов та їхня команда вперше виявили високогірні міста за допомогою прогнозних комп’ютерних моделей і старомодних обстежень у період між 2011 і 2015 роками, простежуючи передбачувані маршрути Шовкового шляху на південному сході Узбекистану. На реалізацію проекту пішли роки. Додатковий час зрештою виявився благословенням, дозволивши дослідникам максимально використати останні досягнення в лідарі на основі дронів. «Остаточні карти високої роздільної здатності складалися з понад 17 польотів дронів протягом трьох тижнів», — сказав Фрачетті. «Нам знадобилося б десятиліття, щоб нанести на карту такі великі сайти вручну».

Фрачетті та аспіранти в його лабораторії просторового аналізу, інтерпретації та дослідження (SAIE) зібрали дані лідара дронів у 3D-моделі, які передали Тао Джу, професору інформатики та інженерії, і Сяої Лю, студенту бакалаврату, обидва в Школі інженерії Маккелві при Вашингтонському університеті. Джу та Лю застосували обчислювальні алгоритми для аналізу археологічних поверхонь і автоматичного трасування мільйонів ліній, щоб передбачити ймовірні архітектурні вирівнювання. Останній крок полягав у тому, щоб зіставити цифровий вихід із порівнянними архітектурними об’єктами, відкривши величезне стародавнє місто, інакше невидиме неозброєним оком. «Проект відображає справді міждисциплінарні зусилля», — сказав Джу. «Методи аналізу мають потенційне застосування в багатьох областях, де використовується лідарне сканування».

Майбутні розкопки та наслідки

Обидва міста вимагають більш ретельного огляду, сказав Фрачетті. Попередні розкопки однієї з укріплених споруд у Тугунбулаку дозволяють припустити, що фортеця — будівля, захищена триметровими земляними стінами — могла бути фабрикою, на якій місцеві ковалі перетворювали багаті поклади залізної руди на сталь. Така промисловість була б ключовою ознакою міста та його економіки.

Уже зрозуміло, що Ташбулак і Тугунбулак були не просто віддаленими форпостами чи місцями відпочинку. «Шовковий шлях стосувався не лише кінцевих точок Китаю та Заходу», — сказав Фрачетті. «В Центральній Азії діяли основні політичні сили. Складне серце мережі також стало рушієм інновацій».

Frachetti сподівається використати таку ж комбінацію детективної роботи на землі та лідара на основі дронів, щоб отримати фотографії інших високогірних поселень уздовж Шовкового шляху та за його межами. «Ми могли б дійсно змінити карту міського розвитку в середньовічній Азії», — сказав він.