Рубрика: Наука

У всьому світі блискавка щороку є причиною понад 4000 смертей і завдає збитків на мільярди доларів; Сама Швейцарія щорічно витримує до 150 000 страйків. Розуміння того, як саме утворюється блискавка, є ключовим для зниження ризику, але оскільки явища блискавки відбуваються на часових шкалах до мілісекунди, отримати прямі вимірювання надзвичайно важко.

Тепер дослідники з Лабораторії електромагнітної сумісності під керівництвом Фархада Рачіді в Інженерній школі EPFL вперше безпосередньо виміряли невловиме явище, яке багато пояснює про народження блискавки : рентгенівське випромінювання.

У спільному дослідженні з Університетом прикладних наук Західної Швейцарії та Упсальським університетом у Швеції вони зафіксували удари блискавки у вежі Сентіс на північному сході Швейцарії, визначивши рентгенівські промені, пов’язані з початком позитивних спалахів, спрямованих угору. Ці спалахи починаються з негативно заряджених вусиків (лідерів), які ступінчасто піднімаються від об’єкта на великій висоті, перш ніж з’єднатися з грозовою хмарою, передаючи позитивний заряд землі.

«На рівні моря спалахи, спрямовані вгору, трапляються рідко, але можуть стати домінуючим типом на великих висотах. Вони також можуть завдати більшої шкоди, тому що під час спалаху, спрямованого вгору, блискавка залишається в контакті з конструкцією довше, ніж під час спалаху. спалах вниз, даючи йому більше часу для передачі електричного заряду», – пояснює Ph.D. Electromagnetic Compatibility Lab. кандидат Тома Орегель-Шомон.

Хоча рентгенівське випромінювання раніше спостерігалося від інших типів блискавок, це перший випадок, коли вони були зафіксовані від спрямованих угору позитивних спалахів. Орегель-Шомон, перший автор статті Scientific Reports, яка описує спостереження, каже, що вони дають цінну інформацію про те, як утворюються блискавки — і зокрема блискавки, спрямовані вгору.грати

«Фактичний механізм, за допомогою якого блискавка ініціює та поширюється, досі залишається загадкою. Спостереження блискавки, що йде вгору, від високих споруд, таких як вежа Säntis, дає змогу співвідносити рентгенівські вимірювання з іншими одночасно виміряними величинами, такими як високошвидкісні відеоспостереження та електричні течії».

Унікальна можливість спостереження

Можливо, не дивно, що нові спостереження були зроблені у Швейцарії, оскільки вежа Säntis пропонує унікальні та ідеальні умови вимірювання. 124-метрова вежа розташована на високій вершині Аппенцелльських Альп, що робить її основною ціллю для блискавки. Є чітка лінія видимості з сусідніх вершин, а величезний дослідницький центр оснащений високошвидкісними камерами, рентгенівськими детекторами, датчиками електричного поля та приладами для вимірювання струму.

Важливо те, що швидкість і чутливість цього обладнання дозволили команді побачити різницю між негативними лідерними кроками, які випромінювали рентгенівське випромінювання, і тими, які не випромінювали рентгенівське випромінювання, підтверджуючи теорію утворення блискавки, відому як модель холодного біжачого електрона. У двох словах, асоціація рентгенівського випромінювання з дуже швидкими змінами електричного поля підтвердила теорію про те, що раптове посилення електричного поля повітря змушує навколишні електрони «втікати» і перетворюватися на плазму: блискавку.

«Як фізику мені подобається розуміти теорію, що лежить в основі спостережень, але ця інформація також важлива для розуміння блискавки з інженерної точки зору: все більше і більше висотних споруд, таких як вітрові турбіни та літаки, будуються з композиту. Вони менш електропровідні, ніж метали, як-от алюміній, тому вони нагріваються сильніше, що робить їх уразливими до пошкодження блискавкою, що йде вгору», — говорить Орегель-Шомон.

Спостереження в Сентісі, який щороку отримує понад 100 ударів блискавки, тривають. Далі вчені планують додати до арсеналу обладнання вежі мікрохвильовий датчик; це може допомогти визначити, чи модель холодного випромінювання також застосовується до блискавки, що йде вниз, оскільки, на відміну від рентгенівських променів, мікрохвилі можна виміряти з хмар.

Вчені відкрили метод надзарядки «двигуна» сталого виробництва палива – трохи видозмінивши матеріали. Дослідники під керівництвом Кембриджського університету розробляють недорогі світлозбираючі напівпровідники, які живлять пристрої для перетворення води на чисте водневе паливо, використовуючи лише енергію сонця. Ці напівпровідникові матеріали, відомі як оксиди міді, є дешевими, поширеними та нетоксичними, але за своїми характеристиками не наближаються до кремнію, який домінує на ринку напівпровідників.

Однак дослідники виявили, що, вирощуючи кристали оксиду міді в певній орієнтації, щоб електричні заряди рухалися через кристали по діагоналі, заряди рухалися набагато швидше та далі, що значно покращувало продуктивність. Випробування фотокатода з оксиду міді, заснованого на цій техніці виготовлення, показали покращення на 70% порівняно з існуючими найсучаснішими фотокатодами з оксиду міді, а також показали значно покращену стабільність.

Дослідники кажуть, що їхні результати, опубліковані в журналі Nature, показують, як недорогі матеріали можуть бути налаштовані для переходу від викопного палива до чистого, стійкого палива, яке можна зберігати та використовувати в існуючій енергетичній інфраструктурі.

Проблеми та потенціал оксиду міді

Оксид міді (I) або оксид міді протягом багатьох років рекламувався як дешева потенційна заміна кремнію, оскільки він достатньо ефективний для захоплення сонячного світла та перетворення його в електричний заряд. Однак велика частина цього заряду має тенденцію втрачатися, обмежуючи продуктивність матеріалу.

«Як і інші оксидні напівпровідники, оксид міді має свої внутрішні проблеми», — сказав один із авторів, д-р Linfeng Pan з кафедри хімічної інженерії та біотехнології Кембриджа. «Однією з цих проблем є невідповідність між тим, наскільки глибоко поглинається світло, і як далеко заряди переміщуються всередині матеріалу, тому більша частина оксиду під верхнім шаром матеріалу є фактично мертвим простором».

«Для більшості матеріалів для сонячних елементів саме дефекти на поверхні матеріалу спричиняють зниження продуктивності, але з цими оксидними матеріалами все навпаки: поверхня в основному хороша, але дещо в об’ємі призводить до втрат», сказав професор Сем Стренкс, який керував дослідженням. «Це означає, що спосіб вирощування кристалів є життєво важливим для їх продуктивності».

Щоб розробити оксиди міді до такої міри, щоб вони могли стати надійною конкуренцією з відомими фотоелектричними матеріалами, їх потрібно оптимізувати, щоб вони могли ефективно генерувати та переміщувати електричні заряди – що складаються з електрона та позитивно зарядженої електронної «дірки» – під сонячним світлом. б’є їх.

Вплив і майбутні напрямки

Одним з потенційних підходів до оптимізації є монокристалічні тонкі плівки – дуже тонкі шматочки матеріалу з високовпорядкованою кристалічною структурою, які часто використовуються в електроніці. Однак створення цих фільмів зазвичай є складним і тривалим процесом.

Використовуючи методи осадження тонких плівок, дослідники змогли виростити високоякісні плівки оксиду міді за тиску навколишнього середовища та кімнатної температури. Завдяки точному контролю росту та швидкості потоку в камері вони змогли «зрушити» кристали в певну орієнтацію. Потім, використовуючи спектроскопічні методи високої тимчасової роздільної здатності, вони змогли спостерігати, як орієнтація кристалів впливає на те, наскільки ефективно електричні заряди рухаються крізь матеріал.

«Ці кристали в основному є кубами, і ми виявили, що коли електрони рухаються крізь куб по діагоналі тіла, а не вздовж грані або краю куба, вони рухаються на порядок далі», — сказав Пан. «Чим далі рухаються електрони, тим краща продуктивність».

«Щось у цьому діагональному напрямку в цих матеріалах є магією», — сказав Стренкс. «Нам потрібно провести подальшу роботу, щоб повністю зрозуміти, чому, і оптимізувати її далі, але наразі це призвело до величезного стрибка продуктивності». Випробування фотокатода з оксиду міді, виготовленого за цією технологією, показали підвищення ефективності більш ніж на 70% порівняно з існуючими сучасними фотокатодами з електроосадженого оксиду.

«На додаток до покращеної продуктивності, ми виявили, що орієнтація робить плівки набагато стабільнішими, але можуть впливати фактори, окрім об’ємних властивостей», — сказав Пан.

Дослідники кажуть, що все ще потрібні ще багато досліджень і розробок, але це та споріднені сімейства матеріалів можуть зіграти життєво важливу роль у переході енергії.

«Попереду ще довгий шлях, але ми на захоплюючій траєкторії», — сказав Стренкс. «З цих матеріалів можна отримати багато цікавих наукових досліджень, і мені цікаво пов’язати фізику цих матеріалів з їхнім ростом, тим, як вони формуються, і, зрештою, як вони працюють».

Наслідки діяльності людини, такі як викиди парникових газів і вирубка лісів на поверхні Землі, добре задокументовані. Нещодавно дослідники-гідрологи з Університету Арізони досліджували вплив людини на глибокі глибини Землі, які простягаються від сотень метрів до кількох кілометрів під поверхнею.

«Ми подивилися, як швидкість видобутку рідини з нафти й газу порівнюється з природною фоновою циркуляцією води, і показали, як люди зробили великий вплив на циркуляцію рідин у надрах», — сказала Дженніфер Макінтош, професор Департаменту університету Аризони. гідрології та атмосферних наук і старший автор статті в журналі Earth’s Future, де детально описуються результати.

«Глибокі надра знаходяться поза полем зору та поза увагою більшості людей, і ми подумали, що важливо надати певний контекст цій запропонованій діяльності, особливо коли йдеться про наш вплив на навколишнє середовище», — сказав провідний автор дослідження Грант Фергюсон, ад’юнкт. професор Департаменту гідрології та атмосферних наук Університету Аризони та професор Школи навколишнього середовища та сталого розвитку Саскачеванського університету.

Прогнози майбутнього та спільні дослідження

Згідно з дослідженням, у майбутньому ці спричинені людиною потоки рідини збільшаться завдяки стратегіям, які пропонуються як рішення для боротьби зі зміною клімату. Такі стратегії включають: геологічне поглинання вуглецю, яке полягає у захопленні та зберіганні атмосферного вуглекислого газу в підземних пористих породах; виробництво геотермальної енергії, яке передбачає циркуляцію води через гарячі породи для виробництва електроенергії; і видобуток літію з підземного розсолу, багатого мінералами, для живлення електромобілів. Дослідження проводилося у співпраці з дослідниками з Університету Саскачевану в Канаді, Гарвардського університету, Північно-Західного університету, Корейського інституту наук про Землю та мінеральних ресурсів та Університету Ліннея у Швеції.

«Відповідальне управління надрами має центральне значення для будь-якої надії на зелений перехід, стійке майбутнє та утримання потепління нижче кількох градусів», — сказав Пітер Рейнерс, професор Департаменту геонаук Університету Аризони та співавтор дослідження.

Діяльність людини та кругообіг підземних вод

При видобутку нафти та природного газу завжди є певна кількість води, як правило, солоної, яка надходить із глибини землі, сказав Макінтош. Підземним водам часто мільйони років, і вони набувають солоності або через випаровування стародавньої морської води, або через реакцію з гірськими породами та мінералами. Для більш ефективного видобутку нафти до солоної води додається більше води з приповерхневих джерел, щоб компенсувати кількість видаленої нафти та підтримувати тиск у пласті. Змішана солона вода потім знову закачується в підповерхню. Це стає циклом видобутку рідини та її повторного закачування в глибину землі.

Той самий процес відбувається при видобутку літію, виробництві геотермальної енергії та геологічному поглинанні вуглецю, операції з яких включають залишки солоної води з підземелля, яка повторно закачується.

«Ми показуємо, що швидкість нагнітання рідини або швидкість поповнення внаслідок цієї нафтогазової діяльності є більшою, ніж те, що відбувається в природі», — сказав Макінтош.

Використовуючи наявні дані з різних джерел, включаючи вимірювання рухів рідин, пов’язаних з видобутком нафти та газу та закачуванням води для геотермальної енергії, команда виявила, що поточні швидкості руху рідин, спричинені діяльністю людини, вищі порівняно з тим, як рідини рухалися до втручання людини.

Оскільки людська діяльність, наприклад уловлювання та секвестрація вуглецю та видобуток літію, зростає, дослідники також передбачили, як ці дії можуть бути записані в геологічних літописах, які є історією Землі, записаною в породах, що складають її кору.

Вплив на життя мікробів і потреби майбутніх досліджень

За словами Макінтоша, діяльність людини потенційно може змінити не тільки глибинні підповерхневі рідини, але й мікроби, які там живуть. Коли рідини рухаються навколо, мікробне середовище може бути змінено змінами в хімічному складі води або перенесенням нових мікробних спільнот з поверхні Землі до підземних.

Наприклад, за допомогою гідравлічного розриву пласта, техніки, яка використовується для руйнування підземних порід рідинами під тиском для видобутку нафти та газу, глибока гірська формація, яка раніше не мала жодної помітної кількості мікробів, може мати раптовий розквіт мікробної активності.

Залишається багато невідомого про глибокі надра Землі та те, як на них впливає діяльність людини, і важливо продовжувати працювати над цими питаннями, сказав Макінтош.

«Нам потрібно використовувати глибокі надра як частину вирішення кліматичної кризи», — сказав Макінтош. «Проте ми знаємо більше про поверхню Марса, ніж про воду, каміння та життя глибоко під нашими ногами».

Вчені з Китаю та США дійшли висновку, що глобальне потепління знижує рівень пилу у повітрі багатьох регіонів планети. Цей пил досягає північних широт із тропічних пустель. Пил дуже впливає на якість повітря. Причому вона може генеруватися не лише місцевим ґрунтом чи викидами, а й навіть «прилітати» з далеких спекотних країн. Наприклад, щорічно до Центральної Європи потрапляє приблизно 60 тонн піску із Сахари. Днями середземноморський циклон північ від Африки підняв піщану бурю. З південно-західними потоками цей пил поширився на південний схід Європи.

Попередні дослідження, втім, показали, що рівень запиленості повітря в окремих регіонах планети знижується, наприклад, в Індії та на більшій частині Близького Сходу. Причина цього залишалася незрозумілою. Пролити світло це питання спробували вчені з університетів Гонконзького баптистського (Китай), Техаського, Каліфорнійського технологічного інституту (США) та інших наукових організацій. Їхні висновки представлені в журналі PNAS.

Аналізуючи супутникові знімки за останні десятки років, дослідники дійшли висновку, що кількість мікрочастинок пилу над Індією, Пакистаном та іншими азіатськими країнами за період спостережень істотно знизилася. За допомогою кліматичних моделей вчені встановили і причину цієї події: різке потепління Арктики, що випереджає темпи потепління в інших частинах планети. За рахунок цього різниця температур між високими та низькими широтами помітно скоротилася. А це порушило стандартні вітри, що дмуть у пустельних регіонах Східної Африки та Західної Азії. Швидкість вітру в країнах Аравійського півострова істотно зменшилася, що знизило об’єм мікрочастинок піску, що піднімаються вітром.

Крім того, автори роботи зазначили, що зволоженість ґрунту та площа листя у Західній Азії теж суттєво зросла — від Аравійського півострова до Індії. Це зробило ґрунти там твердішими, що також знизило обсяг пилу в атмосфері. Зростання зволоження ґрунтів та площі листя в регіонах дослідники пов’язують з антропогенними викидами вуглекислого газу (Naked Science неодноразово писав про цей процес, відомий як глобальне озеленення).

У новій роботі висунуто припущення, що у разі успіху у боротьбі з антропогенними викидами СО2 рівень пилу в атмосфері вивчених регіонів знову підвищиться, а це завдасть суттєвої шкоди здоров’ю місцевого населення.

Виходить, уповільнення глобального потепління — палиця з двома кінцями, тому що воно викличе збільшення кількості пилу в повітрі. Це не означає, що потрібно продовжувати забруднювати атмосферу, але в такому разі, на думку вчених, потрібно боротися з опустелюванням, займатися відновленням лісів та контролювати іригацію.

Таємниця, яка понад 50 років спантеличила наукове товариство, нарешті була розгадана. Команда з Університету Лінчепінга, Швеція, і Гельмгольца в Мюнхені виявила, що певний тип хімічної реакції може пояснити, чому органічна речовина, що міститься в річках і озерах, настільки стійка до деградації. Їхнє дослідження було опубліковано в журналі Nature.

«Це був святий Грааль у моїй галузі досліджень протягом понад 50 років», — каже Норберт Херткорн, вчений у галузі аналітичної хімії, який раніше працював у Мюнхенському університеті імені Гельмгольца, а зараз працює в Лінчепінгському університеті.

Давайте візьмемо це з самого початку. Коли, наприклад, листок відривається від дерева і падає на землю, він відразу починає руйнуватися. Перед тим, як лист розкладеться, він складається з кількох тисяч окремих біомолекул; молекули, які можна знайти в більшості живих речовин.

Розкладання листка відбувається в кілька фаз. Комахи і мікроорганізми починають поглинати його, а сонячне світло і вологість впливають на лист, викликаючи подальше руйнування. Згодом молекули розкладеного листя змиваються в річки, озера та океани.

Таємниця хімічної трансформації розгадана

Однак на цей час тисячі відомих біомолекул були перетворені на мільйони дуже різних на вигляд молекул зі складною та зазвичай невідомою структурою. Цей драматичний процес хімічної трансформації залишається загадкою, яка бентежить дослідників понад півстоліття, аж досі.

«Тепер ми можемо з’ясувати, як кілька тисяч молекул живої матерії можуть породити мільйони різних молекул, які швидко стають дуже стійкими до подальшої деградації», — каже Норберт Херткорн.

Команда виявила, що за цією таємницею стоїть певний тип реакції, відомий як окислювальна деароматизація. Хоча цю реакцію вже давно вивчають і широко застосовують у фармацевтичному синтезі, її природне виникнення залишалося невивченим.

У дослідженні дослідники показали, що окислювальна деароматизація змінює тривимірну структуру деяких компонентів біомолекул, які, своєю чергою, можуть активувати каскад наступних і диференційованих реакцій, що призводить до появи мільйонів різноманітних молекул.

Висновки та методи дослідження

Раніше вчені вважали, що шлях до розчиненої органічної речовини включав повільний процес із багатьма послідовними реакціями. Однак поточне дослідження показує, що трансформація відбувається відносно швидко.

Команда досліджувала розчинену органічну речовину з чотирьох приток річки Амазонки та двох озер у Швеції. Вони застосували метод ядерного магнітного резонансу (ЯМР) для аналізу структури мільйонів різноманітних молекул. Примітно, що незалежно від клімату фундаментальна структура розчиненої органічної речовини залишалася незмінною.

«Ключ до висновків полягав у нетрадиційному використанні ЯМР у спосіб, що дозволяє досліджувати глибокі нутрощі великих розчинених органічних молекул, таким чином картографуючи та кількісно визначаючи хімічне оточення навколо атомів вуглецю», — пояснює Сію Лі, науковець Центру Гельмгольца та керівник автор дослідження.

У біомолекулах атоми вуглецю можуть бути з’єднані з чотирма іншими атомами, найчастіше з воднем або киснем. Однак, на подив команди, дуже велика частка органічних атомів вуглецю була пов’язана не з воднем, а натомість з іншими атомами вуглецю. Особливо інтригуючою була велика кількість атомів вуглецю, спеціально зв’язаних з трьома іншими атомами вуглецю та одним атомом кисню, структура, яка є дуже рідкісною в біомолекулах.

За словами Девіда Баствікена, професора зміни навколишнього середовища в Університеті Лінчепінга, це робить органічну речовину стабільною, дозволяючи їй зберігатися протягом тривалого часу та запобігаючи швидкому поверненню в атмосферу у вигляді вуглекислого газу або метану.

«Це відкриття допомагає пояснити значні поглинання органічного вуглецю на нашій планеті, які зменшують кількість вуглекислого газу в атмосфері», — говорить Девід Баствікен.

Нещодавнє дослідження, опубліковане в журналі Nature міжнародною командою з 279 вчених, включаючи трьох біологів з Мічиганського університету, надає новітні відомості про квітучу рослину, дерево життя. Використовуючи 1,8 мільярда літер генетичного коду більш ніж 9500 видів, що охоплюють майже 8000 відомих родів квіткових рослин (приблизно 60%), це досягнення проливає нове світло на еволюційну історію квіткових рослин і їх зростання до екологічного домінування на Землі.

Дослідницька група, очолювана вченими з Королівського ботанічного саду Кью, вважає, що ці дані допоможуть у майбутніх спробах виявити нові види, уточнити класифікацію рослин, виявити нові лікарські сполуки та зберегти рослини в умовах зміни клімату та втрати біорізноманіття.

Основна віха в рослинництві, в якій брали участь 138 організацій з усього світу, була побудована на основі в 15 разів більшої кількості даних, ніж будь-які порівняльні дослідження квіткових рослин дерева життя. Серед видів, секвенованих для цього дослідження, понад 800 ніколи раніше не секвенували ДНК.

Технологічні виклики та рішення

Величезний обсяг даних, отриманих у результаті цього дослідження, на обробку якого одному комп’ютеру знадобилося б 18 років, є величезним кроком у напрямку побудови дерева життя для всіх 330 000 відомих видів квіткових рослин — масштабного заходу Ініціативи К’ю «Древо життя».

«Аналіз цієї безпрецедентної кількості даних для декодування інформації, прихованої в мільйонах послідовностей ДНК, був величезним завданням. Але це також запропонувало унікальну можливість переоцінити та розширити наші знання про рослинне древо життя, відкривши нове вікно для вивчення складності еволюції рослин», — сказав Александр Зунтіні, науковий співробітник Королівського ботанічного саду, Кью.

Том Каррузерс, постдокторський дослідник у лабораторії еволюційного біолога Університету Стівена Сміта, є співавтором дослідження разом із Зунтіні, з яким він раніше працював у К’ю. Систематик рослин UM Річард Рабелер є співавтором.

«Квіткові рослини годують, одягають і вітають нас, коли ми йдемо в ліс. Створення квітучої рослини-дерева життя було серйозним викликом і метою для галузі еволюційної біології протягом більш ніж століття», – сказав Сміт, співавтор дослідження та професор кафедри екології та еволюційної біології UM. «Цей проект наближає нас до цієї мети, надаючи величезний набір даних для більшості родів квіткових рослин і пропонуючи одну стратегію досягнення цієї мети».

Сміт виконував у проекті дві ролі. Спочатку співробітники його лабораторії, включно з колишнім аспірантом Університету університету Дрю Ларсоном, вирушили до Кью, щоб допомогти визначити членів великої та різноманітної групи рослин під назвою Ericales, до якої входять чорниця, чай, чорне дерево, азалії, рододендрони та бразильські горіхи.

По-друге, Сміт керував аналізом і створенням набору даних проекту разом з Вільямом Бейкером і Феліксом Форестом з Королівського ботанічного саду, Кью та Вольфом Айзенхардтом з Орхуського університету.

«Однією з найбільших проблем, з якою зіткнулася команда, була несподівана складність, що лежить в основі багатьох генних регіонів, де різні гени розповідають про різні еволюційні історії. Необхідно було розробити процедури для вивчення цих закономірностей у масштабах, яких раніше не робили», — сказав Сміт, який також є директором Програми з біології та помічником куратора з інформатики біорізноманіття в Гербарії UM.

Нове розуміння еволюції

Як співкерівник дослідження, основні обов’язки Каррутерса включали масштабування еволюційного дерева за часом за допомогою 200 скам’янілостей, аналіз різних еволюційних історій генів, що лежать в основі загального еволюційного дерева, та оцінку темпів диверсифікації в різних лініях квіткових рослин у різний час .

«Побудова такого великого дерева життя для квіткових рослин на основі такої кількості генів проливає світло на еволюційну історію цієї особливої ​​групи, допомагаючи нам зрозуміти, як вони стали такою невід’ємною та домінуючою частиною світу», — Каррутерс. сказав. «Представлені еволюційні зв’язки — і дані, що лежать в їх основі — стануть важливою основою для багатьох майбутніх досліджень».

Дерево життя квітучих рослин, подібно до нашого родинного дерева, дає нам змогу зрозуміти, як різні види пов’язані між собою. Дерево життя відкривається шляхом порівняння послідовностей ДНК між різними видами, щоб визначити зміни (мутації), які накопичуються з часом, як молекулярні скам’янілі рештки.

Наше розуміння дерева життя швидко покращується разом із прогресом у технології секвенування ДНК. Для цього дослідження були розроблені нові геномні методи для магнітного захоплення сотень генів і сотень тисяч літер генетичного коду з кожного зразка, що на порядки більше, ніж попередні методи.

Ключовою перевагою підходу команди є те, що він дає змогу секвенувати широкий спектр рослинного матеріалу, старого та нового, навіть якщо ДНК сильно пошкоджена. Величезні скарби висушеного рослинного матеріалу у світових гербарних колекціях, які охоплюють майже 400 мільйонів наукових зразків рослин, тепер можна вивчати генетично.

«У багатьох відношеннях цей новий підхід дозволив нам співпрацювати з ботаніками минулого, користуючись великою кількістю даних, що зберігаються в історичних гербарних зразках, деякі з яких були зібрані ще на початку 19 століття», — сказав Бейкер. , старший науковий керівник Ініціативи К’ю «Древо життя».

«Наші видатні попередники, такі як Чарльз Дарвін або Джозеф Хукер, не могли передбачити, наскільки важливі ці зразки для геномних досліджень сьогодні. ДНК навіть не виявили за їх життя. Наша робота показує, наскільки важливі ці неймовірні ботанічні музеї для новаторських досліджень життя на Землі. Хто знає, які ще невідкриті наукові можливості ховаються в них?»

З усіх 9506 секвенованих видів більше ніж 3400 походять із матеріалу, отриманого зі 163 гербаріїв у 48 країнах.

«Відбір гербарних зразків для вивчення зв’язків між рослинами робить вибірку з різних куточків світу набагато більш здійсненною, ніж якби вам довелося подорожувати, щоб отримати свіжий матеріал із поля», — сказав Рабелер з U-M, почесний науковий співробітник і колишній колекціонер. завідувач Гербарію УМ.

Для проекту «Дерево життя» Рабелер допоміг перевірити тотожність гербарних зразків, відібраних для відбору, і проаналізував отримані дані.

Лише квіткові рослини складають близько 90% усього відомого рослинного світу на суші й зустрічаються практично скрізь на планеті — від найпарніших тропіків до скелястих відслонень Антарктичного півострова. І все ж наше розуміння того, як ці рослини стали домінувати на сцені незабаром після їх походження, спантеличило вчених протягом багатьох поколінь, включаючи Дарвіна.

Квіткові рослини виникли понад 140 мільйонів років тому, після чого вони швидко витіснили інші судинні рослини, включаючи їхніх найближчих живих родичів — голонасінні (неквіткові рослини з голим насінням, такі як цикас, хвойні дерева та гінкго).

Дарвін був збентежений, здавалося б, раптовою появою такого різноманіття в скам’янілому літописі. У листі 1879 року до Гукера, його близької довіреної особи та директора Королівського ботанічного саду в Кью, він писав: «Швидкий розвиток, наскільки ми можемо судити, усіх вищих рослин за останні геологічні часи, є огидною таємницею».

Використовуючи 200 скам’янілостей, автори масштабували своє дерево життя до часу, показуючи, як квіткові рослини еволюціонували протягом геологічного часу. Вони виявили, що ранні квітучі рослини дійсно вибухнули в різноманітності, давши початок більш ніж 80% основних ліній, які існують сьогодні, незабаром після їх походження.

Однак ця тенденція потім знизилася до стабільнішої швидкості протягом наступних 100 мільйонів років до наступного сплеску диверсифікації приблизно 40 мільйонів років тому, що збіглося з глобальним зниженням температури. Ці нові ідеї захопили б Дарвіна і, безсумнівно, допоможуть сучасним ученим, які борються з проблемами розуміння того, як і чому диверсифікуються види.

Глобальна співпраця та відкритий доступ

Створення такого масштабного дерева життя було б неможливим без співпраці вчених К’ю з багатьма партнерами по всьому світу. Загалом до дослідження було залучено 279 авторів, які представляли різні національності зі 138 організацій у 27 країнах.

«Спільнота рослин має довгу історію співпраці та координації молекулярного секвенування для створення більш повного та міцного рослинного дерева життя. Зусилля, які призвели до створення цієї статті, продовжують цю традицію, але значно збільшуються», — сказав Сміт з U-M.

Квіткова рослина дерево життя має величезний потенціал у дослідженні 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. Таким чином, нові дані будуть безцінні для вдосконалення багатьох галузей науки та не тільки.

Щоб уможливити це, дерево та всі дані, які його ґрунтують, були відкрито та вільно доступні як для громадськості, так і для наукової спільноти, зокрема через Kew Tree of Life Explorer. Відкритий доступ допоможе вченим якнайкраще використовувати 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 автори, застосування цих даних буде залежати від винахідливості вчених, які отримають до них доступ.