Нове дослідження попереджає, що якщо глобальне потепління перевищить 1,5°C, величезні регіони можуть втратити важливе різноманіття культур, що підвищить ризик для світової продовольчої безпеки.  Дослідники прогнозують, що приблизно одна третина світового виробництва харчових продуктів може опинитися під загрозою через високі температури, підкреслюючи, як очікується, що зміна клімату змінить сільське господарство, особливо в уразливих країнах з низькими широтами.

Втрата різноманітності культур

Вчені з Університету Аалто провели дослідження, опубліковане в Nature Food, аналізуючи, як зміни температури, режиму опадів і загальної посушливості впливатимуть на ріст 30 ключових продовольчих культур у всьому світі.  Результати показують, що райони низьких широт, включаючи значні частини тропіків, можуть постраждати найбільше. Зі збільшенням потепління в цих регіонах набагато більше землі стане непридатним для сільського господарства, а також різке зниження різноманітності культур, які можна вирощувати.

«Втрата різноманітності означає, що асортимент продовольчих культур, доступних для вирощування, може значно зменшитися в певних районах. Це знизило б продовольчу безпеку та ускладнило б отримання достатньої кількості калорій і білка», — сказала Сара Хейконен, докторант, який керував дослідженням.

Зміна клімату та продовольчі культури

До половини нинішнього світового виробництва харчових культур можуть постраждати від цих мінливих умов. Основні продукти харчування – рис, кукурудза, пшениця, картопля та соєві боби – ймовірно, зіткнуться зі значним скороченням придатних для посівних земель, що посилить проблеми для суспільств, які залежать від них для щоденного харчування. За словами Гейконена, багато інших культур, наприклад «тропічні коренеплоди, такі як батат, які є ключовими для продовольчої безпеки в регіонах з низьким рівнем доходу, а також зернові та бобові, особливо вразливі. В Африці на південь від Сахари, регіоні, який постраждає найбільше, майже три чверті поточного виробництва опиниться під загрозою, якщо глобальне потепління перевищить 3°C».

Потепління приносить переможців і переможених

Дослідження показує різкий контраст між регіонами низьких і середніх і високих широт. У той час як країни, розташовані ближче до екватора, стикаються з серйозними втратами врожаю та скороченням різноманітності, країни з прохолоднішим кліматом можуть зберегти загальний рівень виробництва. Вчені також прогнозують, що у середніх і високих широтах у світі, що нагрівається, можна буде вирощувати більш широкий спектр культур.

«Наприклад, вирощування фруктів помірного клімату, таких як груші, може стати більш поширеним у більш північних регіонах», — сказав Хейконен.

Проте старший автор дослідження Матті Кумму зазначає, що сприятлива зміна клімату не гарантує більшої врожайності.

«Ми показали, що є кліматичний потенціал, але, наприклад, потепління може принести нових шкідників і екстремальні погодні явища, які наша модель не включає. Тож ситуація насправді не така вже й чорно-біла», — сказав Кумму.

Проблеми в регіонах низьких широт

Країни, які вже вразливі до продовольчої безпеки, особливо в Африці, стикаються з дедалі більшими труднощами, оскільки підвищення температури збігається з іншими соціальними та економічними тисками. Тим не менш, Кумму стверджує, що є місце для адаптації.

«У багатьох низьких широтах, особливо в Африці, врожайність невелика порівняно з подібними районами в інших країнах світу. Вони могли б отримувати вищі врожаї, маючи доступ до добрив і зрошення, а також зменшуючи втрати їжі в ланцюжку виробництва та зберігання», – сказав він. 

«Однак глобальне потепління, що триває, додасть багато невизначеності до цих оцінок, і, ймовірно, потрібно ще більше дій, таких як вибір сільськогосподарських культур і розведення нових рослин. Але я завжди кажу, що моделювання й аналіз — це найпростіша частина, а зрозуміти, як внести зміни — найважча частина».

Політики в країнах з низькими широтами, йдеться у звіті, повинні шукати шляхи усунення прогалин у сільськогосподарській інфраструктурі, одночасно готуючись до більш несприятливих умов вирощування.  Без таких зусиль місцеві громади, які вже опинилися під загрозою нестачі їжі, можуть мати ще більші труднощі в наступні роки.

Захист продовольчих культур у світі

Для регіонів середніх і високих широт фермерам і законодавцям доведеться залишатися гнучкими. Навіть якщо потепління відкриє двері для нових культур, зміни в глобальному попиті та ринкових силах можуть ще більше змінити те, що люди вирішують вирощувати. Побудова стійкості, ймовірно, передбачає експериментування з різними сортами культур, коригування сезонів посіву та інвестування в інфраструктуру для боротьби з потенційними екстремальними погодними умовами та шкідниками.

«Якщо ми хочемо убезпечити нашу продовольчу систему в майбутньому, нам потрібно як пом’якшити зміну клімату, так і адаптуватися до її наслідків», — сказав Хейконен. «Навіть якщо найбільші зміни відбудуться в екваторіальних регіонах, ми всі відчуємо наслідки через глобалізовану продовольчу систему. Ми повинні діяти разом, щоб вирішити ці проблеми».

Цей взаємозв’язок означає, що спричинені кліматом неврожаї в одній частині світу можуть поширитися на всі ланцюги поставок, вплинувши на ціни та доступність продуктів харчування всюди. У дослідженні підкреслюється, що пом’якшення кліматичних змін має важливе значення, але це також важливо для планування більш гарячої та непередбачуваної планети.  Коригуючи практику ведення сільського господарства, інвестуючи в дослідження та координуючи політичні зусилля, країни можуть краще підготуватися до того, щоб прогодувати зростаюче населення в епоху екологічних потрясінь.

Вчені створили новий магнітний стан — магніто-іонний вихор, або «вортіон». Їх розробка забезпечує точний контроль магнітних властивостей на наномасштабі за кімнатної температури і прокладає шлях для більш енергоефективних обчислювальних пристроїв. З поширенням машинного навчання та інструментів, заснованих на ньому, всі компанії почали намагатися працювати з великими даними. Це спричинило помітне зростання енергоспоживання. У більшості випадків для запису інформації використовують електричні струми, а оброблювальні дані пристрої нагріваються і втрачають частину енергії.

Якщо використовувати магнітні пристрої та керувати ними за допомогою напруги, а не струму, можна значно скоротити енерговитрати. Для таких пристроїв можна використовувати магніто-іонні матеріали. Їх властивості можна змінювати, додаючи або видаляючи іони через зміну полярності напруги. Досі більшість дослідників працювали із суцільними плівками магніто-іонних матеріалів, а не на управлінні окремими «бітами». При цьому для забезпечення зберігання даних із високою щільністю вченим та інженерам потрібно добитися контролю саме над мінімальними одиницями зберігання інформації.

Міжнародна група вчених знайшла рішення, що дозволяє керувати магніто-іонними матеріалами з високою точністю. Вони об’єднали магніто-іонні ефекти та магнітні вихори в новому магнітному стані — вортіоні. Наукова стаття опублікована в журналі Nature Communications.

На масштабі близько мікрометра в матеріалах можуть виникати явища, відсутні в більших системах, наприклад, магнітні вихори — невеликі структури, що нагадують спіралі. Їх використовують для запису та читання магнітних даних та в біомедичні. Проте змінити стан вже існуючого вихору або неможливо, або потребує значних витрат енергії. Сформований вченими вортіон дозволяє з високою точністю контролювати магнітні властивості наноструктур у формі точок. Дослідники регулюють необхідні параметри з допомогою видалення іонів азоту з допомогою напруги. Це робить управління вортіонами енергоефективним.

Це принципово новий об’єкт на наномасштабі. Існує величезний попит на управління магнітними станами на цьому рівні, але, що дивно, більшість досліджень у галузі магніто-іонних ефектів досі була зосереджена на суцільних матеріалах. Якщо ж розглянути вплив руху іонів у дискретних наноструктурах, наприклад у вивчених нами наноточках, стає очевидно, що в них з’являються унікальні зміни спинів, що динамічно змінюються», — пояснив керівник дослідження Хорді Сорт (Jordi Sort ).

Конфігурація спинів та магнітні властивості вихорів залежать від тривалості прикладеної напруги. Наноточки, які спочатку не володіють магнітними властивостями, можна перевести в кілька станів — від магнітних вихрів з різними характеристиками до стану з однорідною магнітною орієнтацією.

«За допомогою створених нами вортіонів ми можемо безпрецедентно точно управляти такими магнітними властивостями, як намагніченість, коерцитивна сила, залишкова намагніченість, магнітна анізотропія та критичні поля, за яких вихори виникають чи зникають. Ці властивості ключові для зберігання інформації в магнітних пристроях, що запам’ятовують, а тепер їх можна налаштовувати аналоговим і оборотним способом, активуючи процес напругою і споживаючи при цьому мінімальну кількість енергії», — розповіла перша автор статті Ірена Спасоєвич (Irena Spasojević ).

Вчені також припустили, що магніто-іонні вихори, що налаштовуються, можуть використовуватися в нейромережах в якості динамічних синапсів, здатних імітувати роботу біологічних синапсів. У мозку зв’язку між нейронами — синапси — мають різні «ваги» (силами), які змінюються в процесі навчання. Робота біологічних нейронів та синапсів теж управляється електричними сигналами та міграцією іонів, як і властивості вортіонів.

Вортіони можуть допомогти вченим створити синаптичні ваги, що настроюються, у вигляді керованої намагніченості або магнітної анізотропії для нейроморфних спинтронних пристроїв. Дослідники вважають, що, крім нейроморфних обчислень, аналогових систем і багатошарових пристроїв, що запам’ятовують, «вортіони» можуть знайти застосування в медицині (наприклад, у методах терапії), захисті даних і обчисленнях, заснованих на магнітних спинах. Використання напруги замість електричного струму дозволяє знижувати та запобігати перегріву пристроїв, таких як ноутбуки, сервери та центри обробки даних, значно знижуючи втрати енергії.

Нове дослідження виявило, що один вид величезних жуків-голіафів був майже знищений західноафриканською какао-промисловістю та, меншою мірою, міжнародною торгівлею висушеними комахами. Лука Луіселлі, професор біостатистики та екології в Університеті Ломе (Того), протягом 30 років досліджував види, яким загрожує зникнення, в африканських лісах. Він пояснює, що пішло не так і, як можна врятувати жука-голіафа.

Що таке жук-голіаф і чому він такий важливий?

Жуки-голіафи (рід Goliathus) є одними з найбільших комах у світі. Є п’ять різних видів. Вони виростають до 110 мм завдовжки; самці мають Y-подібні роги, а самки рогів не мають. Жуки зустрічаються в тропічних лісах Сьєрра-Леоне, Ліберії, Гвінеї, Кот-д’Івуару, Гани, Буркіна-Фасо, Беніну, Нігерії, Камеруну, Демократичної Республіки Конго, Уганди та Південного Судану.

Личинки жуків, або личинки, є всеїдними і, ймовірно, ловлять м’ясо, а також залишки рослин. Це означає, що вони відіграють важливу роль у переміщенні поживних речовин у лісовій екосистемі для живлення інших рослин і тварин. Дорослі жуки харчуються лише соком кількох видів дерев у зрілих тропічних лісах. Жук-голіаф є чудовим індикатором здоров’я лісу: якщо їх у лісі багато, це означає, що ліс у достатньо хорошому стані для підтримки інших видів. Але коли їхня популяція зменшується, це є раннім попереджувальним показником спустошення лісів і розмивання екосистем.

Як ви вивчали цього жука?

Я вивчав рептилій, які знаходяться під загрозою, у лісах Західної Африки разом із групою екологів із африканських та європейських країн. Я зрозумів, що жуки-голіафи живуть в тому самому середовищі існування, і вони також можуть опинитися під загрозою зникнення. Тоді моя команда розпочала інтенсивні кампанії особистих інтерв’ю в громадах, щоб з’ясувати, чи помітили місцеві жителі менше жуків-голіафів. Серед місцевих жителів були мисливці, фермери, збирачі равликів і грибів, збирачі деревини та інших лісових матеріалів.

Коли вони підтвердили наші побоювання, ми вирішили запустити проект поглибленого дослідження. Це показує, що традиційні екологічні знання є дуже цінними для прийняття дослідницьких рішень. Для початку ми відстежили дерева, з яких сочився сік, оскільки відомо, що дорослі (імаго) жуки харчуються соком удень. Потім ми помітили, через які верхівки дерев вони пролітали щоранку. Ми повернулися вночі, щоб зібрати та виміряти їх, перш ніж відпустити назад у природне середовище існування.

Що виявило ваше дослідження?

Ми виявили, що дві з цих гігантських комах, Goliathus regius Klug і Goliathus cacicus Olivier, знаходяться під загрозою зникнення.

Goliathus cacicus — менший із двох видів гігантських жуків; він має довжину до 95 мм (зазвичай 60-84 мм) і живе лише у зрілих тропічних лісах. Goliathus regius може досягати довжини до 105 мм (зазвичай 75-95 мм) і вважає за краще жити в більш сухих лісах.

Інколи вони живуть на одній ділянці лісу і навіть на одному дереві та партнері, породжуючи природних гібридів. За нашими оцінками, близько 80 відсотків популяції Goliathus cacicus було знищено в Кот-д’Івуарі, якщо врахувати кількість лісу, знищеного для вирощування какао. Goliathus regius так само втратив близько 40 відсотків свого природного середовища проживання.

Базуючись на зареєстрованій втраті середовища існування, ми вважаємо, що чисельність Goliathus cacicus катастрофічно скоротилася за останні 30 років. Ми також виявили, що Goliathus cacicus, схоже, вимер у кількох районах Західної Африки, як-от Національний парк Банко-Форест в Абіджані, Кот-д’Івуар. Ймовірно, це тому, що тисячі цих жуків були спіймані та продані на міжнародному ринку висушених комах.

(Ми оцінюємо це на основі розрахунків експертів-колекціонерів, які десятиліттями спостерігали за торгівлею комахами. Зараз більшість цієї торгівлі відбувається онлайн на eBay, Facebook та інших платформах.) Інші близькоспоріднені види, такі як Goliathus goliatus, все ще продаються сотнями на ринку висушених комах, переважно в південно-західному Камеруні та, меншою мірою, в Кенії та Уганді. Наші спостереження за онлайн-торгівлею показують, що звідти вони експортуються на західні ринки. Оскільки їх дуже багато живе на дуже великій території, вони ще не є зникаючим видом, хоча майже так. Є величезні території Африки, де жуки охороняються.

Ліси в Нігерії, Камеруні, Уганді, Південному Судані, Руанді та Кенії є цінним притулком для Goliathus goliatus. У Габоні, на півночі Республіки Конго та на півночі Демократичної Республіки Конго є величезні та переважно незаймані, недоступні ліси, де жуки Goliathus goliatus не знаходяться під загрозою.

Як врятувати цих жуків?

Необхідно захистити їх природне середовище існування – залишки лісів у Кот-д’Івуарі та Ліберії, де вони жили. Особливу увагу слід приділити захисту дерев, де концентруються ці жуки. Ми рекомендуємо проконсультуватися зі старійшинами громади та залучити їх для виявлення цільових дерев та ретельного їх захисту. Навіть тим видам, яким зараз нічого не загрожує, потрібні вологі ліси, якщо вони хочуть вижити. Але вони стикаються з дедалі більшими загрозами через вирубку лісів, перетворення земель, видобуток корисних копалин і зміну клімату.

Вони можуть бути наступними під загрозою, і за ними слід ретельно стежити. Окрім заповідників і національних парків (найважливішим є національний парк Тай у Кот-д’Івуарі), немає реальних заходів для обмеження розширення плантацій какао в Західній Африці. Ми також рекомендуємо проводити інформаційні кампанії в місцевих громадах, щоб спонукати людей захищати цих жуків. Наприклад, було б дуже важливо створити «сертифіковані ліси», де місцеві громади могли б здобувати та продавати обмежену кількість жуків, щоб заробляти на існування, а також допомагати зберігати ліси та отримувати дохід від екотуризму жуків-голіафів.

Ми також рекомендуємо людям не намагатися врятувати жуків, збираючи їх і розводячи вдома або в розплідниках. Немає наукового підтвердження того, що розмноження ex situ в неволі було б корисним для виживання жуків-голіафів. Важливим кроком для науковців, урядових установ і некомерційних організацій у Західній Африці було б узгодження плану дій щодо збереження жуків-голіафів, особливо Goliathus cacicus. Це допоможе країнам координувати планування збереження цих видів.