Научни новини: Климатични изменения, фотосинтеза и хвърковати хипотези

Застудяване, причинено от затопляне

В началото на годината северните географски ширини бяха изложени на студена вълна, която доведе до нарушения в транспорта, затваряне на мостове и спиране на работата на редица институции. В северното шведско село Квикьок отчетоха –43,6°C – температура, която не е измервана през януари в последните 25 години. Застудяването не беше ограничено до скандинавските страни. В по-северните части на Европа температурите също паднаха осезаемо – в Москва температурата достигна –30°C, а в Санкт Петербург беше обявен оранжев код за опасно време. Сходна ситуация се наблюдаваше и в Северна Америка с няколко счупени рекорда за ниски температури в Канада. Междувременно във Великобритания, Франция и Германия имаше наводнения и силни ветрове, които нанесоха щети на инфраструктурата и наложиха евакуация на хора.

Тази ситуация може да ни изглежда нехарактерна и дори да бъде причина за изказване на съмнения относно промените в климата. Субективно обяснение за случващото се е, че зимите вече са по-топли от обичайното и ние сме отвикнали от студеното време, което в крайна сметка е характерно за сезона. Но феноменът на внезапното застудяване има и научна основа.

Северните полярни вихри са силни въздушни течения над Северния полюс, локализирани в тропосферата, най-долния слой на атмосферата, който обитаваме, и в стратосферата, слоя над тропосферата. Въпреки че полярните вихри в различните слоеве са две отделни явления, те често взаимодействат и влияят върху климата. Тропосферният полярен вихър се характеризира с ветрове, наричани джетстрийм, или струйно течение, които оформят граница между по-студения северен и по-топлия южен въздух над северните ширини на Европа, Азия и Северна Америка. Стратосферният полярен вихър е концентриран над полюса и представлява кръгообразен поток. Той е най-силен през зимата и с въртенето си задържа студения въздух там, за да не се спусне на юг.

Но понякога двата потока се смесват – щом тропосферният вихър се затопли повече от обичайното, въздухът преминава към стратосферата и нарушава движението на стратосферния вихър. Ако смущението не е голямо, системата успява да компенсира и да се върне към равновесие. В други случаи настъпва т.нар. внезапно стратосферно затопляне, при което полярният вихър в стратосферата се забавя много и вместо един силен централен поток образува няколко по-малки и по-слаби потока. Това нарушава формата на полярния джетстрийм и води до образуването на въздушни меандри от студен арктичен въздух, които се разпростират далеч на юг.

Това е ключова причина и за изключително студения февруари през 2021 г., когато арктичният въздух стигна чак до Тексас и причини смъртта на поне 700 души и щети за над 200 млрд. долара. 

За съжаление, този феномен най-вероятно ще започне да става по-чест поради затоплянето на полюсите. Покачването на температурите в региона на Арктика е почти четири пъти по-високо от това в глобален мащаб за периода 1979–2021 г. В някои региони на Баренцово море затоплянето е още по-рязко и надвишава между пет и седем пъти глобалното за периода 1981–2020 г.

Климатът на планетата е сложна система, съставена от множество елементи, които работят в синхрон. При нарушаване на някой от тях (полярни вихри, Ел Ниньо, снежната покривка и количеството лед по полюсите) смущението не се отразява само на конкретния феномен, а се предава и към останалите, което води до самоподхранваща се каскада.

Дали процесът ще бъде наричан „глобално затопляне“, или „глобални климатични промени“, може би е по-скоро обект на лексикологията, отколкото на климатологията. Но както и да го дефинираме, той ще продължава и ще носи все по-непредвидимо време – било то резки застудявания, рекордни жеги, ураганни ветрове или наводнения.

Промените в климата променят хранителните мрежи, което влияе на климата – и така до безкрай

Със затоплянето на планетата пермафростът (вечно замръзналата почва, покриваща немалка част от земната повърхност) започва да се топи. Това е причина за освобождаване на големи количества от въглерода, запазен в него, което допринася за задълбочаването на проблема със затоплянето. Наред с това самият пермафрост започва да гние. Тази разлагаща се материя е нов източник на въглерод в хранителните мрежи, както и в новата размразена среда, в която вече може да се развива живот, но и над земята.

За да разбере повече за новосъздадените връзки, екип от учени се спира на няколко представители на фауната, обитаваща размразяващите се области на Аляска – два вида полевки, един вид земеровки и един вид паяци. Целта на изследването е да се определи дали има промяна в източника на въглерод в диетата на животните, дефиниран от авторите като „зелен“ – от растителни източници, или „кафяв“ – от микробиален произход (бактерии и почвени гъби).

Тъй като проследяването на хранителните навици на малките животни е изключително трудна задача, учените прилагат хитър подход – изследват специфичния изотопен състав на незаменимите им аминокиселини. Това са аминокиселини, които се синтезират от растения и микроорганизми, но не и от животните, поради което те трябва да ги приемат чрез храната си. Тази биохимична особеност помага за проследяването на движението на въглерода в хранителните мрежи.

За установяване на дълготрайните ефекти е анализиран колаген на земеровки и полевки. Пробите са събрани през 1991 и 2021 г. Краткотрайното влияние на затоплянето е наблюдавано върху две групи арктически паяци вълци: едната – в контролни условия, а другата – в специално устроена среда (мезокосмос) в която температурата е с 2°C по-висока.

Резултатите са впечатляващи – хищните паяци, хранещи се в по-топла среда, заменят около 27% от въглерода, който приемат, от растителен на такъв от гъбни хранителни мрежи, а процентът бактериен въглерод остава непроменен. При бозайниците се наблюдава сходно преминаване от растителен към гъбен произход. При всеядните червено-сиви горски полевки тази промяна е над 30%, а при хищните земеровки – над 40%. Това показва, че промяната в климата влияе на екосистемите и чрез реорганизиране на хранителните мрежи в тях, създавайки нови трофични пътища.

В случая разлагащата се материя в почвата дава храна за почвените гъби, които превръщат въглерода от недостъпни форми (лигнин, целулоза) в по-лесно усвоими, както и в други полезни вещества, например протеини. Те биват изядени от различни малки животни, като членестоноги и червеи, които са храна за други, и така древният въглерод, заключен в пермафроста, се връща в модерните хранителни мрежи, ставайки още един допълнителен източник, захранващ промените в климата.

По следите на фотосинтезата

Фотосинтезата е най-важният биологичен процес, протичащ на земята, и е в основата на всички хранителни мрежи. Способността да улавят енергия от слънчевата светлина, като я превръщат във форма, достъпна за други същества, прави фотосинтезиращите организми ключови за съществуването на богатото биоразнообразие и изобщо за живот на планетата.

Освен източник на енергия тя отключва и натрупването на кислород – фактор, без който развитието на сложни многоклетъчни организми би било невъзможно. Преди възникването на фотосинтезата, в атмосферата на планетата на практика е отсъствал свободен кислород. Предполага се, че съставът ѝ е бил основно от азот и въглероден диоксид с малки количества други газове (метан, водни пари и др.). Тъй като установяването на нивата на кислород е доста сложно и повишаването им е станало поетапно, е трудно да се определи точният първоначален момент. 

За осезаемото повишаване на концентрацията на кислород в околната среда е било нужно известно време, но настъпва момент, в който тя става токсична за анаеробните организми. Това събитие понякога се нарича кислородна катастрофа, тъй като се оказва пагубно за над 80% от живите организми, населяващи планетата по онова време. Към момента се предполага, че събитието е настъпило преди около 2,4 млрд. години, което се подкрепя от генетичните вариации в различните видове днес – метод, известен като молекулярен часовник. Според него фотосинтезата е възникнала преди около 3 млрд. години, което съвпада с появата на цианобактериите – свободно живеещи прокариоти, част от които продължават да съществуват независимо, а друга част стават ендосимбионти в клетките на микроскопични водорасли преди около 1–2 млрд. години, превръщайки се в добре познатите ни хлоропласти в съвременните фотосинтезиращи еукариоти. 

Въпреки че молекулярното датиране се приема за точно, липсата на преки доказателства за съществуването на фотосинтезиращи организми от този период донякъде поставя под въпрос доколко може да му се вярва в този случай. До момента само няколко микрофосила са определени като цианобактерии, повечето на базата на косвени доказателства. Само един – P. filiformis – със сигурност спада към тази група бактерии и е датиран на 1 млрд. години.

Но най-ранните сигурни данни за протичане на фотосинтеза доскоро бяха от фосили на 550 млн. години. В тях са открити характерните структури на тилакоидните мембрани. Тилакоидите се откриват в някои цианобактерии и в хлоропластите на растенията. Те представляват дискове, подредени в стълбчета (като монети), и увеличават площта на мембраните, върху които се разполагат комплексите от протеини, извършващи фотосинтезата.

Този сигурен белег за извършване на фотосинтеза е открит в новоописани микрофосили на цианобактерии от Канада и Австралия. След специална процедура за извличането им от каменния субстрат и нарязването им на много тънки срезове те са анализирани с помощта на електронен микроскоп, който е разкрил характерните слоеве на тилакоидите. Канадските фосили са датирани на около 1 млрд., а австралийските – на 1,7 млрд. години. Това измества най-ранното пряко доказателство за протичане на фотосинтеза с 1,2 млрд. години и ни доближава значително до началото на процеса.

Откритието, освен че е интересно само по себе си, дава информация и за момента, в който от общия предшественик са се обособили два вида цианобактерии – със и без тилакоиди. Според молекулярните данни това се е случило по-рано, така че търсенето на преходни фосили ще продължи. Точният момент е интересен за учените, защото една от хипотезите е, че появата на тилакоидите е направила процеса на фотосинтеза много по-ефективен, водейки до стремглавото покачване на нивата на кислород на планетата. Авторите предлагат методът да се използва за анализ и на фосили на водорасли и растения, за да се стесни предполагаемият период, в който се е състояла ендосимбиозата на фотосинтезиращите прокариоти.

Хриле или криле, крака или крила

Друга загадка на еволюцията е появата на крилата при насекомите – въпрос, по който се води дългогодишна научна полемика. Летящите насекоми са били първите животни, разпространили се в широки ареали, което им дало достъп до повече хранителни ресурси. Основните хипотези са за „летящата катерица“ и за „летящата риба“, в зависимост от това къде вероятно са живеели първите летящи насекоми – на сушата или във водата. Според първата хипотеза крилата произхождат от видоизменени крака, а според втората са възникнали от трахейните хриле, които са изходни отверстия на дихателната система при водните насекоми и имат малки образувания, подобни на крила. Сравнително нова „хибридна“ хипотеза е, че всъщност крилата са се развили от структура, образувана от сливането на крайници и хриле.

В подкрепа на всяка от трите (както и на техни алтернативи) може да се цитират много публикации, но едно от последните геномни изследвания показва връзка в развитието на крилата и хрилете при представител на разред Еднодневки. Заедно с водните кончета те имат морфология, много сходна с древните им предци, а освен това нимфите им живеят във водата, което налага наличието на трахейни хриле в началото на живота им. При анализа на данните се установява, че набор от гени, свързани с крилата, е много добре запазен при представителите на крилатите насекоми.

Интригуващо е и откритието, че транскриптомната програма (наборът от гени и последователността, в която се активират за провеждането на биологичен процес), отговорна за крилата, се състои от гени, които са част от други генни мрежи. Ако се групират по органи, най-близко са хрилете, споделящи 43% от гените, активни при формирането на крилата. При сравняване на тези общи гени с аналозите им в плодовите мушици (Drosophila melanogaster; класически моделен организъм) почти половината от тях имат ясна роля в развитието на крилата.

А в скорошна публикация на базата на фосили чешки учени показват как може да се е стигнало до образуването на крилата при вид, живял преди 300 млн. години. Находката е много интересна, защото са открити запазени следи от различни стадии на развитието на насекомото, което е позволило да се направи пряко сравнение между тях. Ларвите, приличащи малко на трилобити, имат структури, подобни на трахейни хриле, по периферията на тялото си, което предполага, че са живеели във водата. На трите сегмента, разположени най-близо до главата, се наблюдават сходни образувания, които при възрастните се превръщат в крила. Според авторите това е силен аргумент, че еволюционният произход на крилата е от протоструктури на хриле.

Не е ясно дали ще получим отговор на въпроса как са се появили крилата при насекомите, но е напълно възможно той да бъде съвършено различен от сегашните хипотези или да е странна комбинация между тях. Еволюционните процеси понякога са криволичещи и са истинско предизвикателство за учените, които се опитват да ги разберат.