Научни новини: Уши, торове и една твърде топла 2024-та

Мидите (включително ушните) идват от водата

Предполага се, че последният универсален общ предшественик (LUCA) на всички организми, които съществуват на Земята, е живял преди около 4 млрд. години и е бил сходен с днешните аеробни прокариотни организми. За този период еволюцията ни е превела по странен и неясен път, сътворявайки невероятно разнообразие от видове и запълвайки всевъзможни биологични ниши, дори подводни вулкани. Поради ненасочения характер на еволюционните процеси пътят е доста лъкатушещ и по него могат да се срещнат най-различни куриози – например странният произход на крилата при летящите насекоми.

Въпреки че голяма част от гръбначните животни също имат уши, някои са развили много характерна структура – външното ухо. Освен да насочва и усилва звуковите вълни, при различните видове то може да има допълнителни функции, като показване на настроение или отделяне на топлина. До момента произходът му беше неясен, но две скорошни публикации изграждат много достоверна хипотеза, която почива на откритието, че малките кости в средното ухо са били част от челюстта на древните ни рибни праотци.

Едната нишка в историята започва с наблюдението на хрущял от миши уши под микроскоп. Учените забелязват в него специфични празнини, които много приличат на оставените от липидни натрупвания. Тъй като липидите не са характерни за познатите към момента три типа хрущял, бързо става ясно, че тази структура (която авторите наричат липо-хрущял), не е описана към момента. При премахване на липидните натрупвания еластичността ѝ става сходна с тази на обикновените хрущяли, което показва, че именно те придават специфичната ѝ гъвкавост. След обследване на мишата анатомия такива тъкани са открити и в носа, ларинкса и гърдите. По-интересното е, че липо-хрущялът се открива и в други бозайници (например прилепи и хора), но не се наблюдава при влечуги и птици, които не развиват външно ухо.

За създаването на тази непозната досега тъкан отговарят специфични механизми, които също са описани за първи път. Тя се формира от протоклетки, в които се активират стандартните пътища за образуване на хрущял. Но в края на процеса на клетъчна диференциация се активира синтезът на липиди, при който глюкозата се превръща в мастни киселини. За разлика от адипоцитите (клетките, отговорни за натрупването на мастните тъкани), тези клетки нямат специфични ензими за разграждане на липидите, състоящи се от мастни киселини. Така след като се изгради, структурата запазва формата си дори и при калорийни ограничения, които обикновено намаляват мазнините в организма.

Друга група учени си задават въпроса откъде идва тази тъкан и кога се е появила за първи път. Тъй като тя не се фосилизира, отговорът не е лесен поради липсата на останали образци. Въпреки това, с помощта на съвременната наука, генетичният код ни позволява да пътешестваме в еволюционната история.

Регулацията на генната експресия е много сложен процес, контролиран чрез най-разнообразни механизми. Един от тях е наличието на енхансъри – къси участъци от генома, които могат да се свържат с протеини, засилвайки активността на гена. Те са сравнително ново откритие и са интересни заради своята специфичност и заради това, че участват в образуването на различни тъкани, позволявайки задействането само на определени биохимични пътища в клетките.

От 14 такива последователности, открити в човешките уши, пет се намират и в хрущялните хриле на малката рибка данио (zebrafish), използвана често от еволюционните биолози за моделен организъм. Но само една последователност се среща в другите видове хрущял в тялото ѝ. Това кара изследователите да предположат, че двете тъкани са еволюционно свързани. За потвърждаване на тази връзка учените правят двупосочен трансфер на генетичен материал. При прехвърляне на човешките енхансъри в данио се активират само гени в хрилете. Съответно при вмъкване на енхансъри от рибката в мишки активацията е в ушите. Това е пряко доказателство, че генетичните механизми за образуване на двете структури са свързани.

Връщайки се няколко стъпки по-назад в еволюционната история, учените разглеждат и хрилете на „живия фосил“, непроменен през последните 250 млн. години – подковообразния (или мечоопашат) рак. Прехвърлянето на един енхансър от рака в данио и обратното активира гени в хрилете на другия вид. Така е открита още по-стара следа за произхода на външното ни ухо.

Установяването на еволюционния произход на ушите може да звучи леко абстрактно, но изследванията имат и голям приложен потенциал. Освен за създаване на трансплантанти за реконструктивна хирургия, специфичната структура на новооткритата тъкан ѝ придава здравина и еластичност, която може да бъде полезна за изграждането на най-различни биоструктури.

По-екологично земеделие

Синтетичните азотни торове са важна предпоставка за т.нар. Зелена революция и са един от стълбовете, на които се крепи съвременното земеделие. Според редица източници благодарение на употребата на азотни торове се изхранва около половината от световното население. Процесът на Хабер-Бош – синтез на амоняк от атмосферен азот – е едно от най-важните открития в историята на човечеството. Описан в началото на XX век от двамата германски учени, от които получава името си, той е много по-енергоефективен от методите, използвани в момента. Това позволява драстично увеличаване на годишното производство на амоняк, който може да се използва като тор или е основа за синтеза на други азотсъдържащи вещества. Въпреки неоспоримата полза от торенето то има и своите недостатъци – повишени разходи, допълнителна обработка, нарушаване на екологични системи.

Две нови решения могат да помогнат за намаляване на употребата на синтетични азотни торове. И двете са свързани с процес, който протича естествено в природата и се използва от земеделците от хилядолетия. Древните фермери забелязват, че когато в някой посев се добавят бобови растения, общият добив се повишава. Научно обяснение за това се появява към края на XIX век, когато са открити бактерии, които живеят в симбиоза с корените на растенията и превръщат атмосферния азот във форма, достъпна за тях чрез процеса на азотфиксация. С годините става ясно, че и някои други растения имат симбионтни бактерии, но бързият растеж и широкото приложение на бобовите култури ги прави изключително подходящи за включване в сеитбооборота за запасяване на почвата с азот. Подобни предкултури помагат, но в повечето случаи натрупаният азот не е достатъчен за основната култура, а за съжаление, симбиозата между бактериите и растенията е стриктно ограничена между конкретни видове, така че те не могат да се прехвърлят лесно.

Един от недостатъците на торенето е, че не цялото количество се усвоява от посевите – част от хранителните вещества остават в почвата, но са недостъпни за растенията. В природата обаче малко ресурси остават неизползвани. В случая остатъците могат да бъдат мобилизирани от бактерии, които живеят в кореновата зона. За да привлекат тези бактерии, растенията отделят в почвата специфични вещества (флавоноиди) – процес, който се контролира от промени в концентрацията на калциевите йони в ядрата на кореновите клетки. Тези промени се наричат калциеви вълни.

Учени от центъра „Джон Инес“ са открили интересен мутант люцерна, при който тези калциеви вълни са по-бавни и продължават по-дълго време, което кара корените на растението да синтезират повече флавоноиди и така се привличат много повече азотфиксиращи бактерии към тях. В реални условия това води до повишаване на съотношението азот–въглерод в листата им с 20%, което е изключително добър резултат. Същата мутация е открита и в пшеница, където увеличението е по-малко – 10%, но все пак може да се окаже значимо за повишаване на добивите.

Откритието е доста вълнуващо. Към момента мутацията няма установени негативни ефекти и може да се окаже лесна цел за подобряване на добивите и намаляване на вложеното количество синтетични торове. Наред с това откриването ѝ в два сравнително далечни вида е индикация, че най-вероятно ще е приложима и в други култури.

Царевицата е сред културите, изискващи големи количества азот за добър добив. Една от особеностите при нея е необходимостта от подхранване по време на вегетацията, което означава допълнителни разходи и опасност да се повреди посевът. С по-модерните торове с бавно отделяне това не е чак такъв проблем, но остава нуждата от големи количества торове, които теоретично могат да бъдат заместени със свободно достъпния азот в атмосферата. Потенциално решение предлага компанията Pivot Bio – с помощта на генетична редакция тя е създала два щама свободно живеещи азотфиксиращи бактерии. Те могат да се внесат в кореновата зона на царевицата и да натрупват азот, който по официални данни се равнява на около 5 кг/дка синтетичен тор.

За да провери твърденията на компанията, независима група учени залага поредица от експерименти, в които се намалява традиционно внасяното количество синтетичен тор за сметка на инокулация с редактираните бактерии. Получените резултати са интригуващи. На първо място, тези бактерии не се влияят от внасянето на азот, за разлика от симбионтите в бобовите, които при наличие на по-високи дози в почвата понякога не провеждат процеса на азотфиксация. Също се наблюдава статистически значимо повишаване на добива при внасяне на бактериите. За съжаление, добрите новини свършват тук. Въпреки че откритието е значимо, допълнителната продукция не е достатъчна да покрие повишените разходи от препарата, който е по-скъп от обикновения азотен тор. Освен това разликата в еквивалента на внесен тор варира значително през периода на вегетацията – започва от около 4 кг/дка в началото, но към края ѝ спада до малко над 1 кг/дка.

Заключението на изследователите е, че въпреки успешното натрупване на азот в почвата, към момента използването на подобни бактериални препарати не е икономически обосновано. Въпреки това не се отричат потенциалът на технологията и възможността за приложение за целево внасяне на азот или при необходимост от намаляване на внесените синтетични торове. Статията показва и нуждата от независима проверка на препаратите, които се предлагат на земеделските производители, тъй като понякога има разминавания между рекламирания и реалния резултат.

2024 година – най-горещата досега

На фона на опустошителните пожари в Калифорния данните за глобалната температура през 2024-та изглеждат обезкуражаващо. Няма съмнение, че тя е била най-горещата година, откакто се водят измервания. В зависимост от източника има известни разлики, но те не са съществени и са или над, или много близо до заложените в Парижкото споразумение 1,5°C.

Според обстоен отчет на европейската услуга „Коперник“, в сравнение с периода 1850–1900 г. температурата на въздуха е била по-висока с 1,6°C. Годината е била най-топла и за Европа – с 1,47°C над средната за периода 1991–2020 г. и с 0,28°C по-висока от рекорда, поставен през 2020-та. Близки данни представя и английската метеорологична служба – 1,53°C. Националната агенция за океански и атмосферни изследвания на САЩ (NOAA) сочи малко по-ниска стойност – 1,46°C.

Сходна е ситуацията и с глобалния океан, който се загрява с безпрецедентна скорост. Както вече сме споменавали, водните маси са изключително важен температурен резервоар поради високия специфичен топлинен капацитет на водата – способността ѝ да поеме голямо количество енергия, преди температурата ѝ да се повиши. Според обобщените данни от три източника, в горния слой от 2000 м през последната година са се натрупали допълнителни 16 зета джаула енергия, което е над 500 пъти повече от цялата произведена енергия в ЕС за 2022 г. Тревожното е, че това е засилваща се тенденция – за периода 1958–1985 г. годишното повишение е било около 2,9 зета джаула, а за 1986–2007 г. – около 9 зета джаула. Глобалната средна температура на водната повърхност също е по-висока, отколкото през 2023 г.

Тези промени оказват влияние не само върху обитателите на Световния океан, но и върху всички останали екосистеми. Затоплянето на водата означава по-високо изпарение, а водните пари допринасят значително за парниковия ефект в атмосферата. Натрупването им не е еднозначно и може да бъде непредвидимо, като причинява нехарактерни за дадени райони събития – рязко засушаване, поройни валежи, урагани.

Въпреки ясната основна причина за покачването на водната температура през последните две години, това повишение е изключително рязко, което все още не е напълно обяснено. Един от факторите най-вероятно е Ел Ниньо, който в последния си цикъл беше с неочаквано висок интензитет. Друга по-интригуваща и на пръв поглед противоречива хипотеза е, че намаляването на аерозолните емисии всъщност допринася за покачването на глобалната температура. Аерозолите са фини частици, които се отделят в атмосферата. Освен че допринасят за замърсяването на въздуха, веднъж попаднали в по-високите атмосферни слоеве, някои от тях имат способността да отразят част от слънчевата светлина обратно в Космоса. С въвеждането на мерки за ограничаване на тези емисии от енергийни централи на твърдо гориво (най-мащабни в Китай), както и с предприемането на строги мерки върху емисиите от морския транспорт, този фактор за забавяне на климатичните промени също отпада.

Очаква се 2025 година да е малко по-студена от миналата, тъй като започва със слаба Ла Ниня, която ще доведе до известен спад на глобалната температура. Въпреки това спадът няма да е драстичен и най-вероятно тази година ще се нареди на трето място след 2024 и 2023 г. Това също не значи, че екстремните метеорологични събития ще бъдат по-редки или по-слаби. Климатът на планетата е разклатен из основи и въпреки че в космически мащаб това е без значение и след време ще се възстанови или ще се стигне до ново равновесие, този момент може да се окаже пагубен за човешката цивилизация.