Коли Земля вперше утворилася, було занадто жарко, щоб утримувати лід. Це означає, що вся вода на нашій планеті походить із позаземних джерел. Дослідження стародавніх земних порід показують, що рідка вода існувала на Землі ще через 100 мільйонів років після утворення Сонця – практично «відразу» на астрофізичному часовому масштабі. Ця вода, якій зараз понад 4,5 мільярда років, постійно оновлювалася завдяки кругообігу води на Землі. Моя дослідницька група нещодавно запропонувала нову теорію, щоб пояснити, як вода вперше прибула на Землю.

Загадка, яка створювалася мільярди років

Астрофізики десятиліттями борються з питанням про те, як вода потрапила на нашу молоду планету. Одна з найдавніших гіпотез припускала, що вода на Землі є прямим побічним продуктом утворення планети, що виділяється через магму під час виверження вулканів, у яких більша частина газу, що виділяється, є водяною парою. Однак ця гіпотеза розвинулася в 1990-х роках після аналізу складу води на Землі та відкриття потенційної ролі крижаних комет, що вказує на позаземне походження.

Комети, які є сумішшю льоду та каміння, утворених у віддалених куточках Сонячної системи, іноді викидаються до Сонця. Коли вони нагріваються Сонцем, вони утворюють вражаючі хвости пилу та газу, які видно із Землі. Астероїди, розташовані в поясі астероїдів між Марсом і Юпітером, також були запропоновані як потенційні прабатьки земної води. Вивчення каменів комет і астероїдів за допомогою метеоритів – невеликих фрагментів цих тіл, які впали на Землю – дало ключові ідеї.

Аналізуючи співвідношення D/H – співвідношення важкого водню (дейтерію) до стандартного водню – вчені виявили, що вода на Землі більше відповідає воді «вуглецевих» астероїдів, які несуть сліди води минулого. Це перемістило фокус досліджень у бік цих астероїдів.

Останні дослідження були зосереджені на виявленні небесних механізмів, які могли доставити ці багаті водою астероїди на суху поверхню ранньої Землі. З’явилися численні теорії, які пояснюють «збурення» планетезималей – великих крижаних тіл в астероїдах і поясах Койпера. Ці сценарії передбачають гравітаційну взаємодію, яка зрушила ці об’єкти, посилаючи їх до Землі. Такі події вимагали б складного процесу «гравітаційного більярду», що свідчить про бурхливу історію Сонячної системи. Хоча очевидно, що формування планет передбачало значні потрясіння та впливи, цілком можливо, що доставка води на Землю відбувалася більш природним і менш драматичним способом.

Простіша гіпотеза

Я почав з припущення, що астероїди виходять крижаними зі свого кокона формування, також відомого як протопланетний диск. Цей кокон являє собою масивний, насичений воднем диск, наповнений пилом, де утворюються планети і початкові пояси. Він огортає всю планетну систему, що зароджується. Після того, як цей захисний кокон розсіюється — через кілька мільйонів років — астероїди нагріваються, змушуючи їхній лід танути або, точніше, сублімувати. У космосі, де тиск майже нульовий, вода після цього процесу залишається у формі пари.

Потім на пояс астероїдів, що обертається навколо Сонця, накладається диск водяної пари. Коли лід сублімується, диск наповнюється парою, яка поширюється всередину до Сонця завдяки складним динамічним процесам. По дорозі цей паровий диск стикається з внутрішніми планетами, занурюючи їх у своєрідну «ванну». У певному сенсі диск «поливає» планети земної групи: Марс, Землю, Венеру та Меркурій. Більша частина цього захоплення води відбулася через 20-30 мільйонів років після формування Сонця, у період, коли яскравість Сонця різко зросла протягом короткого періоду часу, збільшуючи швидкість дегазації астероїдів.

Коли вода захоплюється силою тяжіння планети, може відбуватися багато процесів. Однак на Землі захисний механізм гарантує, що загальна маса води залишалася відносно постійною з кінця періоду захоплення до сьогодні. Якщо вода піднімається надто високо в атмосферу, вона конденсується в хмари, які згодом повертаються на поверхню у вигляді дощу – процес, відомий як кругообіг води.

Обсяги води на Землі, як минулі, так і теперішні, добре задокументовані. Наша модель, яка починається з дегазації льоду з початкового поясу астероїдів, успішно враховує кількість води, необхідної для формування океанів, річок і озер, і навіть води, похованої глибоко в мантії Землі. Точні вимірювання співвідношення D/H води в океанах також відповідають нашій моделі. Крім того, модель пояснює кількість води, яка була в минулому на інших планетах і навіть на Місяці.

Вам може бути цікаво, як я прийшов до цієї нової теорії. Це пов’язано з нещодавніми спостереженнями, особливо тими, що були зроблені за допомогою ALMA, радіотелескопа з понад 60 антенами, розташованого в Чилі, на плато п’яти кілометрів над рівнем моря. Спостереження за позасонячними системами з поясами, подібними до поясу Койпера, показують, що планетезималі в цих поясах сублімують монооксид вуглецю (CO). Для поясів, розташованих ближче до своєї зірки, таких як пояс астероїдів, CO є надто летючим, щоб бути присутнім, і вода, швидше за все, буде вивільнена.

Побудова моделі

Саме з цих знахідок почала формуватися початкова ідея теорії. Крім того, ключове підтвердження надали нещодавні дані місій Hayabusa 2 і OSIRIS-REx, які досліджували астероїди, схожі на ті, які могли сприяти формуванню початкового диска водяної пари. Ці місії разом із тривалими спостереженнями за допомогою наземних телескопів виявили на цих астероїдах значну кількість гідратованих мінералів — мінералів, які можуть утворюватися лише через контакт з водою. Це підтверджує припущення про те, що ці астероїди спочатку були крижаними, хоча більшість з них втратили лід (за винятком більших тіл, таких як Церера).

Після створення основи моделі наступним кроком була розробка чисельного моделювання для відстеження дегазації льоду, дисперсії водяної пари та її остаточного захоплення планетами. Під час цього моделювання швидко стало зрозуміло, що модель може пояснити водопостачання Землі. Додаткові дослідження минулих кількостей води для Марса та інших планет земної групи підтвердили застосовність моделі і до них. Все підійшло, і результати були готові до публікації!

Для дослідників недостатньо створити модель, яка працює і, здається, все пояснює. Теорія має бути перевірена у більшому масштабі. Хоча зараз неможливо виявити початковий диск водяної пари, який «зрошував» планети земної групи, ми можемо подивитися на позасонячні системи з молодими поясами астероїдів, щоб побачити, чи існують такі диски водяної пари. Згідно з нашими розрахунками, ці диски, хоч і слабкі, повинні бути виявлені за допомогою ALMA. Наша команда щойно знайшла час на ALMA, щоб дослідити конкретні системи на наявність доказів. Можливо, ми стоїмо на зорі нової ери в розумінні походження води на Землі.

Чому одні люди пам’ятають сни в яскравих деталях, а інші взагалі нічого? Нове дослідження досліджує цю таємницю, виявивши, що такі фактори, як режим сну, вік і когнітивні нахили, відіграють значну роль.

Чому одні люди пам’ятають сни, а інші ні?

Деякі люди прокидаються з яскравими спогадами своїх снів, здатними згадати детальні історії, а іншим важко згадати щось взагалі. Чим зумовлена ​​ця різниця? Нове дослідження IMT School for Advanced Studies Lucca, опубліковане сьогодні (18 лютого) у Communications Psychology, досліджує фактори, що впливають на «запам’ятовування снів» — здатність запам’ятовувати сни після пробудження — і досліджує, як індивідуальні риси та моделі сну формують цей процес.

Причини цих відмінностей у запам’ятовуванні снів залишаються незрозумілими. Деякі дослідження показують, що жінки, молоді особи або люди, схильні до мрій, швидше запам’ятовують свої сни. Однак інші дослідження не змогли підтвердити ці висновки. Теорії, що пов’язують пам’ять про сновидіння з рисами особистості або когнітивними здібностями, також не знайшли підтримки. Інтерес до запам’ятовування снів різко зріс під час пандемії COVID-19, оскільки повідомлення про збільшення запам’ятовування снів привернули увагу громадськості та науковців у всьому світі.

Нове дослідження проливає світло на пам’ять снів

Нове дослідження, проведене у співпраці з Університетом Камеріно, проводилося з 2020 по 2024 рік і включало понад 200 учасників у віці від 18 до 70 років, які записували свої сни щодня протягом 15 днів, а їхній сон і когнітивні дані відстежувалися за допомогою переносних пристроїв і психометричних тестів.

Кожному учаснику дослідження дали диктофон, щоб кожен день відразу після пробудження повідомляти про те, що вони мали під час сну. Учасники повинні були повідомити, чи пам’ятають вони сон, чи ні, чи було у них враження, що вони бачили сон, але нічого не пам’ятали про цей досвід, і описати зміст сну, якщо вони змогли його пригадати. Під час дослідження учасники також носили актіграф, наручний годинник для моніторингу сну, який визначає тривалість сну, ефективність і порушення.

На початку та в кінці періоду запису сновидінь учасники проходили психологічні тести та опитувальники, які вимірювали різні фактори, від рівня тривожності до інтересу до сновидінь, схильності до блукань (схильність часто переключати увагу з поточного завдання на непов’язані думки або внутрішні роздуми), аж до тестів пам’яті та вибіркової уваги.

Що впливає на запам’ятовування снів?

Пригадування сновидінь, визначене як ймовірність прокинутися вранці з враженнями та спогадами від сновидіння, продемонструвало значну мінливість між окремими людьми та залежало від багатьох факторів. Дослідження показало, що люди з позитивним ставленням до снів і схильністю до блукань розуму значно частіше згадували свої сни.

Режим сну також, здається, відігравав вирішальну роль: люди, які переживали тривалі періоди легкого сну, мали більшу ймовірність прокинутися із пам’яттю своїх снів. Молодші учасники демонстрували більший рівень запам’ятовування снів, тоді як люди похилого віку часто відчували «білі сни» (відчуття того, що вони бачили сон, не згадуючи жодних деталей). Це говорить про вікові зміни процесів пам’яті під час сну. Щобільше, з’явилися сезонні коливання, коли учасники повідомляли про нижчу пам’ятність снів взимку порівняно з весною, натякаючи на потенційний вплив екологічних або циркадних факторів.

Роль режиму сну, віку та пори року

«Наші результати свідчать про те, що запам’ятовування снів — це не лише випадковість, а відображення того, як взаємодіють особистісні установки, когнітивні риси та динаміка сну», — пояснює провідний автор Джуліо Бернарді, професор загальної психології в Школі IMT. «Це розуміння не тільки поглиблює наше розуміння механізмів, що стоять за сновидіннями, але також має наслідки для вивчення ролі снів у психічному здоров’ї та вивченні людської свідомості».

Наслідки для психічного здоров’я та майбутні дослідження

«Дані, зібрані в рамках цього проекту, слугуватимуть посиланням для майбутніх порівнянь із клінічними популяціями», — додає Валентина Ельце, дослідник школи IMT і перший автор дослідження. «Це дозволить нам просунути дослідження патологічних змін сновидінь і їх потенційної прогностичної та діагностичної цінності».

Як би ми не намагалися, ми не можемо згадати завтрашній день. І фізики не знають чому. Сподіваючись віднайти джерело річки часу, фізики Томас Гафф, Чінталпаті Умашанкар Шастрі та Андреа Рокко з Університету Суррея шукали його сліди в еквіваленті гарячої квантової ванни під нескінченним простором вічності. Очікувано, вони не знайшли того, що шукали. Натомість вони підтвердили, що час у квантовій механіці тече назад так само легко, як і вперед. Проте отримані уроки можуть одного дня пояснити, чому фізика наполягає на існуванні історії.

Якщо говорити науковою мовою, фізика здебільшого симетрична щодо часу. Ми ніколи не бачимо, щоб яйце самостійно «склеювалося» або щоб дуб перетворювався назад на жолудь, але коли більшість процесів зводяться до своїх фундаментальних законів, немає жодного правила, яке б наказувало, яка частина рівняння має бути прив’язана до минулого, а яка — до майбутнього.

Чому ми не пам’ятаємо майбутнє?

Космологи шукають підказки в тому, як Всесвіт розширюється від стану низької ентропії до високої. Квантові фізики припускають, що певну роль може відігравати всеохоплююче квантове заплутування частинок із навколишнім середовищем. Але досі не знайдено жодного чіткого пояснення того, чому час поводиться так послідовно.

Гафф, Шастрі та Рокко припустили, що квантові рівняння руху можуть приховувати механізм, який унеможливлює повернення до попереднього стану, діючи як своєрідна «храповикова» система, що не дає фізичним законам ковзати назад.

Вони використали математичну модель, відому як Марковський ланцюг, щоб описати спрощену модель нагрітих частинок, що хаотично рухаються в відкритій системі. У такій системі майбутній стан залежить лише від поточного, що могло б означати як незворотний рух вперед у часі, так і можливість осциляції між минулим і майбутнім. Але в рівняннях, які описували їхню «квантову ванну», вчені не знайшли жодного свідчення, що симетрія часу порушується. Це означає, що квантова система не має переваги ані для минулого, ані для майбутнього.

Чи рухається час у двох напрямках?

«Наші результати свідчать про те, що, хоча наш повсякденний досвід говорить нам, що час рухається лише вперед, насправді ми просто не усвідомлюємо, що протилежний напрям був би так само можливим», — пояснює Рокко. Але якщо на квантовому рівні час може тремтіти вперед-назад, на рівні макрофізики ми цього не помічаємо. Наприклад, гаряча вода у ванні під зоряним небом неминуче охолоне, оскільки енергія розсіюється у розширюваний Всесвіт.

Вчені наголошують, що їхні результати не суперечать законам термодинаміки. Деякі фізичні закони дійсно незворотні. Але навіть якби стрілку часу можна було перевернути на квантовому рівні, ми все одно спостерігали б стабільне охолодження, що вказує на те, що з погляду термодинаміки обидва напрямки часу рівноправні.

Якщо це так, наш досвід однобічного руху часу може врівноважуватися «другим шляхом» на іншій стороні Великого вибуху. Це припущення означає, що час у Всесвіті може мати двонаправлений потік, який розширюється разом із космосом, так само легко запам’ятовуючи майбутнє, як і минуле. Дослідження було опубліковане в журналі Scientific Reports.

Дослідники виявили два ключові гени, SbSLT1 і SbSLT2, які допомагають сорго протистояти Striga, запобігаючи його проростанню. Китайські вчені ідентифікували ці гени як важливі елементи захисту сорго від Striga – паразитичної рослини, що спричиняє значні втрати врожаю. Це відкриття не лише розкриває природні механізми захисту сорго, а й демонструє, як штучний інтелект може прогнозувати критичні амінокислотні сайти в транспортері стриголактонів (SL) – знання, які можуть підвищити стійкість різних культур до паразитичних рослин.

Загроза Striga для сільського господарства

Striga, також відома як «відьмин бур’ян», а також інші паразитичні рослини, такі як Orobanche, залежать від рослин-хазяїв, висмоктуючи з них поживні речовини та воду. Це призводить до різкого зниження врожайності та порушення агроекосистем. Striga вражає понад 50 мільйонів гектарів орних земель в Африці, завдаючи щорічних економічних збитків на 1,5 мільярда доларів та впливаючи на життя понад 300 мільйонів людей. У Китаї Striga поширена в провінціях Гуандун і Юньнань, а Orobanche загрожує культурам, таким як соняшник і томати, у Внутрішній Монголії та Сіньцзяні.

Як Striga заражає сорго

Сорго є однією з культур, схильних до зараження Striga. Корені сорго виділяють стриголактони (SL) – клас рослинних гормонів, які сприяють залученню мікоризних грибів для покращення засвоєння поживних речовин. Проте спляче у ґрунті насіння Striga здатне виявляти ці сигнали, що стимулює його проростання та зараження рослини-господаря.

У ході дослідження вчені проаналізували транскриптомні дані коренів сорго за умов дефіциту фосфору та після обробки стриголактонами. Вони ідентифікували два гени транспортних білків ABCG-сімейства: SbSLT1 (Sorghum bicolor SL Transporter 1) і SbSLT2 (Sorghum bicolor SL Transporter 2). Дослідники встановили, що ці білки контролюють виведення SL із клітин, і що відключення цих генів призводить до блокування секреції SL, що унеможливлює проростання Striga та подальше зараження рослини.

Використання штучного інтелекту та вплив на інші культури

Методи штучного інтелекту допомогли виявити консервативний залишок фенілаланіну, який відіграє ключову роль у транспортуванні SL. Цей залишок знайдено не лише у сорго, а й у транспортерах SL інших злакових культур, таких як кукурудза, рис і просо, а також дводольних культур, зокрема соняшника та томатів. Це свідчить про існування універсального механізму серед різних видів рослин.

Польові випробування в регіонах, схильних до зараження Striga, показали, що сорго з відключеними SbSLT1 і SbSLT2 мало на 67–94% менший рівень інфекції та на 49–52% нижчі втрати врожаю.

Майбутні перспективи

Дослідники наголошують, що відкриття SbSLT1 і SbSLT2 є важливим кроком у боротьбі з паразитичними рослинами та може допомогти зміцнити продовольчу безпеку в країнах, які найбільше страждають від Striga, особливо в Африці та Азії. Подальші дослідження зосереджені на перевірці цих генів у кукурудзі, томатах і просі, що може наблизити створення стійких до паразитів сортів сільськогосподарських культур.