"Весь вид океана был похож на равнину, покрытую снегом. На небе не было ни облачка, но небо... казалось черным, как будто бушевала буря. Сцена была ужасающе грандиозной, море превратилось в фосфор, небеса повисли в черноте, а звезды погасли, казалось, что вся природа готовится к последнему грандиозному пожару, который, как нас учат верить, должен уничтожить этот материальный мир".
- Капитан Кингман с американского клипера "Падающая звезда", у берегов Явы, Индонезия, 1854 г.
На протяжении веков моряки сообщали о странных встречах, подобных той, что описана выше. Эти явления называются молочными морями. Это редкое ночное явление, при котором поверхность океана излучает ровное яркое свечение. Они могут охватывать тысячи квадратных миль, и благодаря красочным рассказам мореплавателей XIX века, таких как капитан Кингман, молочные моря стали хорошо известной частью морского фольклора. Но из-за своей отдаленной и неуловимой природы их чрезвычайно трудно изучать, и поэтому они остаются скорее частью фольклора, чем науки.
Профессор атмосферных наук, специализирующийся на спутниках, используемых для изучения Земли, с помощью новейшего поколения спутников, с коллегами разработали новый способ обнаружения млечных морей. Используя этот метод, они стремятся узнать об этих светящихся водах дистанционно и направить к ним исследовательские суда, чтобы можно было начать примирять сюрреалистические истории с научным пониманием.
Рассказы моряков
На сегодняшний день только одно исследовательское судно когда-либо сталкивалось с молочным морем. Этот экипаж собрал образцы и обнаружил штамм светящихся бактерий под названием Vibrio harveyi, колонизирующих водоросли на поверхности воды.
В отличие от биолюминесценции, которая происходит вблизи берега, где маленькие организмы, называемые динофлагеллятами, вспыхивают ярким светом, когда их беспокоят, светящиеся бактерии работают совершенно по-другому. Как только их популяция становится достаточно большой - около 100 миллионов отдельных клеток на миллилитр воды - происходит своего рода внутренний биологический переключатель, и все они начинают светиться ровным светом.
Светящиеся бактерии заставляют светиться частицы, которые они колонизируют. Исследователи полагают, что цель этого свечения может заключаться в привлечении рыб, которые ими питаются. Эти бактерии процветают в кишках рыб, поэтому, когда их популяция становится слишком большой для их основного источника питания, желудок рыбы становится отличным вторым вариантом. На самом деле, если зайти в холодильную камеру для рыбы и выключить свет, можно заметить, что некоторые рыбы излучают зеленовато-голубое свечение - это свет бактерий.
Теперь представьте, если бы гигантское количество бактерий, разбросанных по огромной площади открытого океана, одновременно начали светиться. Получится молочное море.
Хотя биологи многое знают об этих бактериях, то, что вызывает эти массовые проявления, остается загадкой. Если бы бактерии, растущие на водорослях, были основной причиной молочных морей, они происходили бы повсюду и постоянно. Однако, согласно поверхностным данным, в мире происходит всего два или три молочных моря в год, в основном в водах северо-западной части Индийского океана и у берегов Индонезии.
Спутниковые решения
Если ученые хотят узнать больше о млечных морях, им нужно попасть в одно из них в тот момент, когда это происходит. Проблема в том, что млечные моря настолько неуловимы, что их практически невозможно исследовать. Вот здесь-то и вступает в игру одно исследование.
Спутники предлагают практический способ наблюдения за огромными океанами, но для этого нужен специальный прибор, способный обнаруживать свет, который примерно в 100 миллионов раз слабее дневного. Ученые впервые исследовали возможности спутников в 2004 году, когда с помощью снимков американских военных спутников подтвердили наличие молочного моря, о котором британское торговое судно SS Lima сообщило в 1995 году. Но изображения с этих спутников были очень шумными, и они никак не могли использовать их в качестве поискового инструмента.
Им пришлось ждать более совершенный прибор - Day/Night Band - запланированный для новой группировки спутников Национального управления океанических и атмосферных исследований. Новый датчик был запущен в конце 2011 года, но надежды поначалу не оправдались, когда ученые поняли, что высокая чувствительность Day/Night Band также обнаруживает свет, излучаемый молекулами воздуха. Потребовались годы изучения снимков в диапазоне день/ночь, чтобы мы смогли интерпретировать увиденное.
Наконец, в ясную безлунную ночь в начале 2018 года на снимках Day/Night Band у берегов Сомали появилась странная особенность в форме свуша. Мы сравнили его со снимками предыдущей и последующей ночей. В то время как облака и свечение воздуха изменились, свуш остался. Они обнаружили молочное море! И теперь знают, как их искать.
Момент "ага!", который раскрыл весь потенциал диапазона день/ночь, наступил в 2019 году. Просматривались снимки в поисках облаков, маскирующихся под молочные моря, когда ученые наткнулись на поразительное событие к югу от острова Ява. Перед ними был огромный вихрь светящегося океана площадью более 100 000 квадратных километров - примерно размером с Кентукки. Изображения, полученные с помощью новых датчиков, обеспечили такой уровень детализации и четкости, который не представляется возможным. Они с изумлением наблюдали, как свечение медленно дрейфовало и менялось под воздействием океанских течений.
Ученые многое узнали из этого переломного случая: как молочные моря связаны с температурой поверхности моря, биомассой и течениями - важные подсказки для понимания их образования. Что касается предполагаемого количества бактерий? Приблизительно 100 миллиардов триллионов клеток - почти общее расчетное количество звезд в наблюдаемой Вселенной!
Светлое будущее
По сравнению со старой технологией, просмотр снимков в диапазоне день/ночь - это как впервые надеть очки. Ученые проанализировали тысячи снимков, сделанных с 2013 года, и на сегодняшний день обнаружили 12 молочных морей. Большинство из них произошло в тех самых водах, где мореплаватели сообщали о них на протяжении веков.
Возможно, самым практичным открытием является то, как долго может длиться молочное море. В то время как некоторые из них длятся всего несколько дней, то, что наблюдалось возле острова Ява, продолжалось более месяца. Это означает, что есть возможность направить исследовательские корабли к этим удаленным явлениям, пока они происходят. Это позволит ученым измерить их таким образом, чтобы выявить их полный состав, как они формируются, почему они так редки и каково их экологическое значение в природе.
Если, подобно капитану Кингману, я когда-нибудь окажусь на палубе корабля, отбрасывая тень в небеса, я нырну!
Многие биологи считают, что есть, такие типы вирусов: бактериофаги или вирусы, заражающие бактерии. Когда ДНК этих вирусов попадает в клетку, она может содержать инструкции, позволяющие клетке выполнять новые трюки.
Могучая сила бактериальных вирусов
Бактериофаги, или сокращенно фаги, держат под контролем популяции бактерий как на суше, так и в море. Ежедневно они убивают до 40% бактерий в океанах, помогая контролировать цветение бактерий и перераспределение органических веществ.
Их способность избирательно убивать бактерии также радует врачей. Природные и сконструированные фаги успешно используются для лечения бактериальных инфекций, которые не поддаются антибиотикам. Этот процесс, известный как фаговая терапия, может помочь в борьбе с устойчивостью к антибиотикам.
Последние исследования указывают на еще одну важную функцию фагов: они могут быть самыми лучшими генетическими мастерами природы, создающими новые гены, которые клетки могут перестраивать для получения новых функций.
Фаги являются самой распространенной формой жизни на планете: в любой момент в мире насчитывается не один миллион - это единица с 31 нулем после нее. Как и все вирусы, фаги имеют высокую скорость репликации и мутации, то есть при каждом размножении они образуют множество вариантов с различными характеристиками.
Большинство фагов имеют жесткую оболочку, называемую капсидом, которая заполнена их генетическим материалом. Во многих случаях оболочка имеет больше места, чем требуется фагу для хранения ДНК, необходимой для его репликации. Это означает, что у фагов есть место для хранения дополнительного генетического багажа: генов, которые на самом деле не нужны для выживания фага и которые он может изменять по своему усмотрению.
Как бактерии перенастроили вирусный переключатель?
Чтобы понять, как это происходит, давайте более подробно рассмотрим жизненный цикл фага.
Фаги бывают двух основных видов: умеренные и вирулентные. Вирулентные фаги, как и многие другие вирусы, действуют по программе "вторжение-репликация-убийство". Они проникают в клетку, захватывают ее компоненты, создают свои копии и вырываются наружу.
Фаги умеренного типа, с другой стороны, играют в долгую игру. Они соединяют свою ДНК с ДНК клетки и могут лежать в спящем состоянии годами, пока что-то не вызовет их активацию. Тогда они возвращаются к вирулентному поведению: реплицируются и вырываются наружу.
Многие умеренные фаги используют повреждение ДНК в качестве пускового механизма. Это своего рода сигнал "Хьюстон, у нас проблема". Если ДНК клетки повреждается, это означает, что ДНК фага-резидента, скорее всего, будет повреждена следующей, поэтому фаг мудро решает перепрыгнуть на другой корабль. Гены, которые направляют фаг на репликацию и вырываются наружу, выключены, если не обнаружено повреждение ДНК.
Бактерии перенастроили механизмы, контролирующие этот жизненный цикл, чтобы создать сложную генетическую систему, которую ученые изучают уже более двух десятилетий.
Бактериальные клетки также заинтересованы в том, чтобы знать, не повреждается ли их ДНК. Если это так, они активируют набор генов, которые пытаются восстановить ДНК. Эта реакция известна как бактериальная реакция SOS, потому что если она не сработает, клетка погибнет. Бактерии организуют SOS-ответ с помощью белка, похожего на переключатель, который реагирует на повреждения ДНК: Он включается, если есть повреждение, и выключается, если его нет.
Возможно, что бактериальные и фаговые переключатели эволюционно родственны. В связи с этим возникает вопрос: Кто изобрел переключатель, бактерии или вирусы?
Предыдущие исследования и работы других исследователей показывают, что фаги сделали это первыми. В нашем недавнем докладе мы обнаружили, что SOS-реакция бактерий Bacteroidetes, группы бактерий, составляющих до половины бактерий, живущих в вашем кишечнике, находится под контролем фагового переключателя, который был перенастроен для реализации собственных сложных генетических программ бактерий. Это позволяет предположить, что бактериальные SOS-переключатели на самом деле являются фаговыми переключателями, которые были перенастроены много веков назад.
Не только бактериальные переключатели оказываются изобретениями фага. Прекрасная детективная работа показала, что бактериальный ген, необходимый для деления клеток, также возник в результате "одомашнивания" гена токсина фага. А многие системы бактериальной атаки, такие как токсины и генетическое оружие, используемое для их введения в клетки, а также камуфляж, который они используют для уклонения от иммунной системы, известны или подозреваются в фаговом происхождении.
Положительные стороны вирусов.
Хорошо, подумаете вы, фаги - это здорово, но вирусы, которые нас заражают - это, конечно, не круто. Тем не менее, появляется все больше доказательств того, что вирусы, заражающие растения и животных, также являются основным источником генетических инноваций в этих организмах. Например, было показано, что одомашненные вирусные гены играют ключевую роль в эволюции плаценты млекопитающих и в поддержании влажности кожи человека.
Последние данные свидетельствуют о том, что даже ядро клетки, в котором находится ДНК, также могло быть вирусным изобретением. Исследователи также предположили, что предки современных вирусов могли быть пионерами в использовании ДНК в качестве первичной молекулы для жизни. Не такой уж маленький подвиг.
Поэтому, хотя вы привыкли считать вирусы квинтэссенцией злодея, они, возможно, являются мощным двигателем генетических инноваций в природе. Люди существуют сегодня, скорее всего, благодаря им.
Этот прорыв в медицине обычно приписывают одному человеку, Фредерику Бантингу, который искал лекарство от диабета. Но создание надежного средства для лечения диабета зависело от исследований двух других ученых, Оскара Минковского и Сёрена Сёренсена, которые ранее проводили исследования на, казалось бы, несвязанные темы.
История инсулина иллюстрирует тот факт, что медицинские инновации строятся на фундаменте науки, а затем требуются квалифицированные инженеры, чтобы вывести лечение из лаборатории и доставить его людям, которые в нем нуждаются.
Эта идея, в некотором роде, заложена в правилах легкой атлетики. В соревнованиях с несколькими забегами - от студенческого уровня до Олимпийских игр - люди, показавшие более высокое время в ранних забегах, назначаются на средние дорожки в последующих забегах. Другими словами, самые быстрые бегуны получают вознаграждение в виде, как предполагается, лучших дорожек.
Моя недолгая беговая карьера давно позади, но в своей профессиональной деятельности я много думаю об использовании статистики для извлечения смысла из данных. В преддверии Олимпийских игр я решил проверить достоверность фольклора о распределении дорожек, оставшегося со времен моей спринтерской карьеры.
Используя данные Международной ассоциации легкоатлетических федераций за 20 лет, я обнаружил, что давние убеждения о преимуществе дорожки не подтверждаются данными. И на самом деле, в спринте на 200 метров данные свидетельствуют о том, что дорожки, которые часто воспринимаются как наименее желательные, на самом деле являются самыми быстрыми.
Первым шагом в создании модели затонувшего корабля было обучение компьютера тому, как выглядит затонувший корабль. Также важно было научить компьютер отличать затонувшие корабли от рельефа морского дна. Для этого понадобилось множество примеров кораблекрушений. Также нужно было научить модель тому, как выглядит естественное дно океана.
Удобно, что Национальное управление океанических и атмосферных исследований ведет общедоступную базу данных о затонувших кораблях. У нее также есть большая общедоступная база данных различных видов изображений, собранных по всему миру, включая сонарные и лидарные снимки морского дна.
Техническая поддержка проекта ВсеТут