Ручьи, реки и озера, питаемые тающим снегом, уже в середине июля 2021 года истощаются, что вызывает беспокойство у фермеров, биологов и специалистов по гидрологии снега. Это неудивительно в Калифорнии, где уровень снега за предыдущую зиму был значительно ниже нормы. Но это справедливо и для Колорадо и Скалистых гор, где в целом выпало нормальное количество снега. Казалось бы, при нормальном количестве снега должно быть много воды ниже по течению, верно?
Более века назад ученый-снеговед Джеймс Черч из Университета Невады в Рино начал изучать, как количество снега на горах связано с количеством воды в реках, питающихся тающим снегом. Но, как выяснили гидрологи за многие десятилетия, корреляция между количеством снега и речным стоком не является идеальной. Удивительно, но исследователи многого не знают о том, как снежный покров связан с реками.
Конечно, сухая зима приведет к скудному стоку весной и летом. Но есть и другие причины, по которым снег с гор не доходит до реки внизу. Одна из растущих областей исследований посвящена изучению того, как засухи могут привести к хронической сухости почвы, которая всасывает больше воды, чем обычно. Эта вода также пополняет грунтовые воды внизу.
Но есть и другой, менее изученный способ потери влаги - испарение прямо в атмосферу. Как количество снега меняется каждый год, так и потери воды в воздух. При благоприятных условиях в воздух может улетучиваться больше снега, чем тает в реках. Но то, как снегопады и потери влаги в воздух связаны с уровнем воды в реках и озерах, - важная и недостаточно хорошо изученная часть круговорота воды, особенно в засушливые годы.
Потеря влаги в воздухе
Существует два способа потери влаги в атмосферу до того, как она попадет в ручей или реку.
Первый - это испарение. Когда вода поглощает достаточно энергии от Солнца, молекулы воды превращаются в газ, называемый водяным паром. Этот испаряющийся водяной пар затем накапливается в воздухе. В основном это испарение происходит с поверхности озер, из воды в почве или при таянии снега, когда вода стекает по камням или другим поверхностям.
Еще один способ потери влаги в атмосфере, с которым вы, возможно, не так хорошо знакомы: сублимация. Сублимация - это когда твердое вещество превращается в газ, например, сухой лед. То же самое может происходить и с водой, когда снег или лед превращается в водяной пар. Когда воздух холоднее нуля, сублимация происходит, когда молекулы льда и снега поглощают столько энергии, что переходят в жидкую форму и сразу превращаются в газ.
Ряд атмосферных условий может привести к усиленному испарению и сублимации и, в конечном счете, к уменьшению количества воды в ручьях и реках. Сухой воздух может поглощать больше влаги, чем влажный, и втягивать больше влаги с земли в атмосферу. Сильные ветры также могут поднимать влагу в воздух и удалять ее от места, где она изначально выпала. И наконец, чем теплее воздух и чем больше светит солнце, тем больше энергии доступно для превращения снега или воды в пар. При сочетании этих факторов - например, теплых сухих ветров в Скалистых горах, называемых ветрами Чинук, - испарение и сублимация могут происходить довольно быстро. В сухой ветреный день в атмосферу может сублимироваться до двух дюймов снега. Это означает, что на каждую площадь снега размером с футбольное поле приходится примерно один бассейн воды.
Сублимация - это загадка
Измерить количество воды в реке или озере относительно просто. А с помощью спутников и снегомерных съемок гидрологи могут получить приличные оценки количества снега на горном хребте. Измерить испарение, и особенно сублимацию, гораздо сложнее.
Сегодня исследователи обычно оценивают сублимацию косвенно, используя физические уравнения и модели ветра и погоды. Но в этих расчетах много неопределенностей и неизвестных. Кроме того, исследователи знают, что наибольшая потеря влаги при сублимации происходит в альпийской местности выше линии тропиков, но ученые-снеговеды редко измеряют там глубину снега. Это еще больше увеличивает неопределенность вокруг сублимации, потому что если вы не знаете, сколько влаги было в системе изначально, трудно определить, сколько было потеряно.
Наконец, погода и глубина снежного покрова сильно варьируются от года к году. Все это делает измерение количества снега, который выпадает и затем теряется в атмосфере, невероятно сложным.
Когда ученым удавалось измерить и оценить сублимацию, они получали данные о потерях влаги, составляющих от нескольких процентов до более чем половины всего выпавшего снега, в зависимости от климата и места, где вы находитесь. И даже в одном месте сублимация может сильно варьироваться из года в год в зависимости от снега и погоды.
Когда влага уходит в атмосферу, она рано или поздно выпадает на поверхность в виде дождя или снега. Но это может произойти на другом конце Земли, и это не поможет пострадавшим от засухи районам.
Важные знания
Трудно сказать, насколько важны потери влаги в атмосферу для общего круговорота воды в каждом конкретном горном массиве. Автоматизированные системы мониторинга снежного покрова - особенно на больших высотах над линией горизонта - могут помочь исследователям лучше понять, что происходит со снегом и каковы условия, вызывающие его потери в атмосферу.
Количество воды в реках - и время ее появления - влияет на сельское хозяйство, экосистемы и образ жизни людей. Когда воды не хватает, возникают проблемы. Поскольку изменение климата ведет к увеличению засух и изменчивости погоды, восполнение пробелов в знаниях о круговороте воды, таких как сублимация, имеет большое значение.
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