Вечером 5 сентября 1883 года жители Гонолулу стали свидетелями впечатляющего заката, за которым последовал период продолжительных сумерек, описанный как "необычное яркое свечение после заката". Не было никаких признаков чего-либо необычного, но эти необычные сумеречные свечения возвращались каждое утро и вечер в течение последующих недель.
Среди озадаченных жителей Гонолулу был 56-летний преподобный Серено Эдвардс Бишоп, который за свою разнообразную карьеру на Гавайях был капелланом, директором школы и геодезистом и проявлял большой интерес к науке. В последующие недели и месяцы необычные сумеречные свечения наблюдались по всему земному шару. Примечательно, что, когда ученые впервые пытались понять происхождение сумеречных свечений, усилия Бишопа привели к первому убедительному объяснению.
Его открытия привели к научным исследованиям ветров, дующих высоко над землей, и в конечном итоге дали информацию, которая сегодня используется для прогнозирования погоды на длительные периоды.
Извержение вулкана на расстоянии в полмира
Сегодня мы знаем, что свечение 1883 года было вызвано тем, что солнце под видимым горизонтом освещало туман из мелких капель жидкости в атмосфере высоко над землей.
Туман состоял из капель серной кислоты, которые образовались в результате реакции огромного количества сернистого газа, образовавшегося при взрывном извержении вулкана Кракатау вблизи экватора в Индонезии 27 августа 1883 года. Извержение отправило капли высоко в атмосферу, где ветры разнесли их по всему миру. Они распространялись постепенно, и только в ноябре жители Лондона начали замечать свечение.
Гораздо позже ученые наблюдали аналогичные эффекты после извержения вулкана Пинатубо на Филиппинах в июне 1991 года. Материал, выброшенный Пинатубо в верхние слои атмосферы, можно было детально проследить с помощью спутниковых наблюдений, и была четко установлена их связь с впечатляющими закатами и сумеречными свечениями.
В 1883 году Бишоп понятия не имел, что произошло извержение вулкана, пока не появились газеты из Сан-Франциско. Очень быстро он сформулировал гипотезу, которую опубликовал в виде письма в местной газете.
"Я склонен предполагать, что какой-то очень легкий элемент среди паров извержений на Яве сохранился на очень большой высоте в атмосфере и был перенесен... через Тихий океан в этот регион", - писал Бишоп.
Он понял, что сможет наиболее достоверно связать извержение со светящимся небом, собрав сообщения о первых появлениях свечения в других местах и отследив первоначальное распространение "паров" с Кракатау. Бишоп продолжал свое письмо: "Я убедительно прошу всех капитанов и помощников судов в интересах науки опубликовать то, что они, возможно, наблюдали в море".
Бишоп собрал дюжину таких сообщений за первые три недели после извержения и смог показать, что "пар", создававший свечение, двигался на запад от Кракатау вдоль экватора и достиг Гонолулу через 10 дней. Это означало, что высоко в атмосфере был ветер, дующий постоянно с чрезвычайной скоростью, которая на уровне земли наблюдается только при ураганах.
Бишоп опубликовал свои наблюдения в "Гавайском ежемесячнике", сделав вывод, что вокруг земного шара "с большой точностью вдоль узкого экваториального пояса с огромной скоростью движется обширная струя дыма на запад".
Экваториальный реактивный поток
Бишоп назвал движение вулканического аэрозоля "потоком дыма". На самом деле экваториальные ветры, переносящие аэрозоль, были первым открытием того, что метеорологи сейчас называют струйным течением.
Прошло еще полвека, прежде чем опыт пилотов, летающих на высоте нескольких миль, показал существование внетропических струйных течений, расположенных ниже в атмосфере, которые сегодня знакомы нам по телевизионным выпускам новостей. Струйные течения - это сильные, обычно узкие полосы ветра. Более знакомые нам струйные течения в нижних слоях атмосферы перемещают погодные системы в средних широтах с запада на восток. В отличие от них, струйное течение Бишопа огибает экватор на больших высотах и действительно может дуть с востока на запад.
Работа Бишопа открыла путь к дальнейшему изучению экваториального струйного течения, которое завершилось в 1961 году открытием того, что экваториальное струйное течение меняется от сильных восточных ветров к сильным западным ветрам примерно раз в два года. Было показано, что это так называемое квазидвухлетнее колебание связано с погодой у земли, особенно в Европе и Северной Атлантике, и этот факт сегодня регулярно используется при составлении долгосрочных прогнозов погоды.
Вклад Бишопа был признан учеными, которые первыми последовали за ним, и он получил приз от нью-йоркской обсерватории Уорнера в конкурсе эссе, объясняющих свечение после Кракатау. Бишоп даже заслужил краткий некролог в американском научном метеорологическом журнале.
Бишоп, который был сыном миссионеров, также мог стать фигурой, вызывающей разногласия на Гавайях. Он поддерживал аннексию островов США, а его религиозные взгляды противоречили некоторым традициям коренных гавайцев, таким как танец хула. Его вклад в науку был в значительной степени забыт в 20 веке.
Празднование международным научным комитетом 60-й годовщины открытия квазидвухлетней осцилляции - это возможность вспомнить Бишопа и его открытие.
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