Вы, наверное, помните, как учителя естествознания в школе объясняли, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Это фундаментальное свойство Вселенной.
Однако энергия может быть преобразована. Когда солнечные лучи достигают Земли, они преобразуются в беспорядочные движения молекул, которые вы ощущаете как тепло. В то же время Земля и атмосфера посылают излучение обратно в космос. Баланс между входящей и исходящей энергией известен как "энергетический бюджет" Земли.
Наш климат определяется этими энергетическими потоками. Когда количество поступающей энергии превышает количество уходящей, планета нагревается.
Это может происходить несколькими путями, например, когда исчезает морской лед, который обычно отражает солнечную радиацию обратно в космос, и темный океан поглощает эту энергию. Это также происходит, когда в атмосфере накапливаются парниковые газы и задерживают часть энергии, которая в противном случае уходила бы в атмосферу.
Ученые измеряют энергетический бюджет Земли с помощью приборов на спутниках, в воздухе и океанах, а также на земле. Это важная часть новой глобальной оценки климата, подготовленной Межправительственной группой экспертов ООН по изменению климата и опубликованной 9 августа 2021 года.
Вот более подробный обзор потоков энергии и того, что энергетический бюджет говорит нам о том, как и почему происходит потепление на планете.
Баланс энергии, поступающей от Солнца
Практически вся энергия в климатической системе Земли поступает от Солнца. Лишь небольшая часть поступает из недр Земли.
В среднем на квадратный метр планеты приходится 340,4 ватта солнечного света. Весь солнечный свет приходится на дневную сторону, а в местный полдень эти показатели значительно выше.
Из них 340,4 ватта на квадратный метр:
- 99,9 Вт отражаются обратно в космос облаками, пылью, снегом и поверхностью Земли.
- Оставшиеся 240,5 Вт поглощаются - примерно четверть атмосферой, остальное - поверхностью планеты. Это излучение преобразуется в тепловую энергию в системе Земли.
Почти вся поглощенная энергия соответствует энергии, излучаемой обратно в космос. Однако остаток накапливается в виде глобального потепления. Согласно последним данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата, этот остаток увеличился с чуть менее 0,6 ватт на квадратный метр в конце прошлого века до 0,79 в 2006-2018 гг. Подавляющая часть этого объема приходится на нагрев океанов. Хотя это может показаться небольшим числом, энергия возрастает.
Атмосфера поглощает большое количество энергии и излучает ее в виде радиации как в космос, так и обратно на поверхность планеты. Фактически поверхность Земли получает от атмосферы почти в два раза больше излучения, чем от прямого солнечного света. Это связано прежде всего с тем, что Солнце нагревает поверхность только днем, в то время как теплая атмосфера находится над ней круглосуточно.
В сумме энергия, поступающая на поверхность Земли от Солнца и из атмосферы, составляет около 504 Вт на квадратный метр. Около 79% этой энергии поверхность Земли излучает обратно. Оставшаяся на поверхности энергия идет на испарение воды и нагрев воздуха, океанов и суши.
Остаток между входящим солнечным светом и исходящим инфракрасным излучением обусловлен накоплением в воздухе парниковых газов, таких как углекислый газ. Эти газы прозрачны для солнечного света, но непрозрачны для инфракрасных лучей - они поглощают и излучают большое количество инфракрасных лучей обратно вниз.
В ответ на это температура поверхности Земли должна повышаться до тех пор, пока не восстановится баланс между входящим и исходящим излучением.
Что это означает для глобальных температур?
Удвоение количества углекислого газа приведет к тому, что каждый квадратный метр Земли будет нагреваться на 3,7 ватта. Представьте себе старомодные ночные лампы накаливания, расставленные через каждые 3 метра по всему земному шару и оставленные включенными навечно.
При нынешних темпах выбросов уровень парниковых газов к середине века удвоится по сравнению с доиндустриальным уровнем.
По расчетам климатологов, такое количество тепла приведет к потеплению климата Земли примерно на 3С. Для предотвращения этого потребуется заменить сжигание ископаемого топлива, являющегося основным источником выбросов парниковых газов, другими видами энергии.
Энергетический бюджет Земли находится в центре внимания новой оценки климата МГЭИК, написанной сотнями ученых на основе анализа последних исследований. Зная о происходящих изменениях, каждый сможет сделать более правильный выбор, чтобы сохранить климат таким, каким мы его знаем.
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