• Monday June 24,2019

Czy deszcz pochodzi z życia w chmurach?

Anonim

Balon na dużych wysokościach jest gotowy na start w 2011 roku w zakładzie NASA w Nowym Meksyku. Niosły one kolektory mikrobów do 120 000 stóp.

University of Colorado-Boulder

Samolot leci gwałtownie, gdy przejeżdża przez mleczne wnętrzności banku chmur. Komercyjny pilot leciałby wysoko ponad chmurami nad pasmem górskim Sierra Nevada w Kalifornii, ale ten ponad metrowy Gulfstream-1 zdaje się wywoływać turbulencje. Aktualizacje chwytają samolot i pchają go, nawet gdy pilot go niszczy. W tylnej części samolotu chemik zajmujący się atmosferą, Kimberly Prather, nosi słuchawki, by tłumić ryk śmigieł. Podnosi rękę na stojaku na instrumenty i koncentruje się na ekranie laptopa. Odczyty z chmur przepływają przez niego.

Liczby te mówią Prather, że te zimowe chmury są zimne i ciężkie, -30 stopni Fahrenheita i niewiele ponad 100 procent wilgotności względnej. Jednak mimo 62 stopni poniżej punktu zamarzania wody, kropelki chmury pozostają uparcie płynne. Dopóki nie tworzą kryształków lodu, te chmury nie wyrzuciły więcej niż kilka płatków śniegu nad szczytami Sierra 13000 stóp. Są to typowe chmury, zwiastuny, które nie zrzuciły wiele z niczego.

Jednak po dwóch godzinach lotu coś się zmienia. Głos innego badacza trzeszczy się na słuchawce Prather'a: "Lód!" Samolot wszedł w warstwę chmur, w której nagle każda kropla jest zamarznięta. Instrument Prather - plątanina metalowych rurek, drutów i hermetycznych komór zwanych Shirley-kleszczowo-kleszczowymi kleszczami, gdy jego laser eksploduje setki mikroskopijnych cząsteczek chmurek, jednego po drugim, które są zasysane z powietrza na zewnątrz. Rozmiar i skład każdej cząstki migają na monitorze Prather. Cząsteczki w sercu tych kryształów lodu są bogate w aluminium, żelazo, krzem i tytan, chemiczne ślady pyłu nie z Kalifornii, ale z odległych pustyń w Azji, a nawet w Afryce. W kryształach jest coś jeszcze: węgiel, azot i fosfor, charakterystyczne objawy komórek biologicznych.

Niebo jest pełne niewidzialnego życia. Bakterie, algi i grzyby są porywane przez wiatr i podnoszone na wysokość boeinga 747 - lub katapultowane 20 mil do stratosfery przez pola elektryczne podczas burzy. Pradawny, 49-letni profesor z University of California w San Diego, jest jedną z rosnącej liczby naukowców, którzy podejrzewają, że ten w dużej mierze niezbadany ekosystem mikrobiologiczny może znaleźć odpowiedź na jedną z wielkich tajemnic pogody: Dlaczego chmury wytwarzają opady, kiedy to robią?

Wydaje się, że to podstawowe pytanie, ale "naprawdę nie rozumiemy, dlaczego niektóre chmury padają deszczem, a inne nie" - mówi Prather. Sednem tej tajemnicy jest fizyka formowania się lodu. Kropla czystej chmury może ochłodzić się do -40 ° F, zanim zamarza, a wiele chmur na Ziemi nigdy nie zbliży się do tego zimna. Deszcz i śnieg często wymagają drobnych cząstek unoszących się w chmurze, aby wytworzyć lód, i nie zrobi tego żadna cząstka. Sześcienne podwórko powietrza zawiera setki tysięcy mikroskopijnych plamek, ale tylko około jednego na milion ma dokładną geometrię molekularną, która będzie organizować cząsteczki wody na swojej powierzchni, by stworzyć kryształ lodu. Bez tych rzadkich czynników powodujących powstawanie lodu większość planety odnotowałaby mniej opadów niż obecnie.

Sadza i kurz były od dawna uważane za najlepsze kandydatury do tych milionów cząstek. Ale odkrycie, że pewne bakterie niosą gen, który pozwala im tworzyć lód, wraz z uświadomieniem sobie, że niebo tętni życiem drobnoustrojów, sprawiło, że niektórzy badacze patrzą na biologię powietrzną, szukając odpowiedzi. "Ilość różnych rodzajów mikrobiologicznego życia obecnych w kroplach chmur, które składają się na zimową burzę, jest niesamowita" - mówi Gary Franc, mikrobiolog i patolog roślin na Uniwersytecie w Wyoming w Laramie. "W chmurach jest cały ekosystem, który jest w dużej mierze niezdefiniowany".

Naukowcy tacy jak Franc dopiero teraz zaczynają katalogować to, co może być tysiącem gatunków drobnoustrojów dryfujących na niebie, wiele z nich prawie na pewno jest nowością dla nauki, a niektóre z nich mogą przetrwać wysoko w stratosferze, gdzie warunki są mniej więcej tak korzystne dla życia ponieważ są na Marsie. Badania Prather sugerują, że kurz z Azji i Afryki może zawierać mikroby tworzące lód na całym świecie.

Wszystko wskazuje na to, że każdego roku do atmosfery trafia do 2 milionów ton bakterii, nie mówiąc już o 55 milionach ton zarodników grzybów i nieznanych ilości glonów. Zostały one pominięte przez dziesięciolecia, ale naukowcy w końcu rozpoznają, jak różnorodny jest ten ekosystem atmosferyczny i - być może - jak wielki wpływ może wywrzeć na jutrzejszą pogodę lub przyszłe zbiory.

Chmury są nam zupełnie obce. Idealizujemy je, jak kępki bawełny dryfują nad głową, przeklinają je za zrujnowanie pikniku lub po prostu biorą je za pewnik. Ale chmury mają życie wewnętrzne, naznaczone złożonymi, wtórnymi przypływami i przepływami.

Chmura nad górą może wyglądać nieruchomo, ale bardziej przypomina falę stojącą w rzece - atmosferyczną rzekę. Gdy wilgotne powietrze unosi się nad zasięgiem takim jak Sierras, spadające temperatury powodują kondensację pary wodnej w kropelki, co powoduje powstawanie chmur. Nowe kropelki tworzą się w chmurze co sekundę. Ale każda kropla żyje tylko godzinę przed tym, jak prąd zmiata go po drugiej stronie gór, powodując jej przegrzanie, odparowanie i zniknięcie. Tylko kryształ lodu może rosnąć wystarczająco szybko, aby osiągnąć masę krytyczną i spaść w tym krótkim czasie. Jednak lód nie tworzy się łatwo.

Chociaż woda w tacy z kostkami lodu będzie stała w temperaturze około 32 ° F, czysta woda w czystym powietrzu nigdy nie zamarza w tej temperaturze. Tworzenie się lodu w powietrzu zależy od cząsteczek wody łączących się w bardzo specyficzny sześciokątny wzór przypominający trójwymiarowy drut z kurczaka. Kiedy wystarczająco dużo cząsteczek wody uporządkuje się w ten wzór, kryształ lodu gwałtownie rośnie. Kropla zamarza w jednej chwili. Ale uzyskanie tego zarodka z sześciokątnym wzorem, które powstanie w pierwszej kolejności, jest trudne. Przy temperaturze nieco poniżej 32 stopni ponad 100 000 cząsteczek wody musi zatrzasnąć się razem, zanim kryształ stanie się wystarczająco stabilny, aby sam się rozwinąć. Ponieważ cząsteczki wody nieustannie tańczą z energią cieplną, prawdopodobieństwo, że wystarczająca ilość cząsteczek wody stanie się przypadkiem, aby uderzyć w tę zbiorową pozę, jest niezwykle niskie, nawet przy znacznie niższych temperaturach.

W 2010 roku naukowcy LSU próbowali niezidentyfikowanych gatunków bakterii (widzianych z powiększeniem 1000x) od 10 000 do 30 000 stóp.

Noelle Bryan i Brent Christner / LSU

Niektóre cząsteczki ułatwiają proces, jednak w procesie zwanym zarodkowaniem. Mały kryształ mineralny może działać jako matryca, namawiając cząsteczki wody na swojej powierzchni do zorganizowania się w sześciokątną sieć kryształu lodu. Jest mnóstwo mikroskopijnych śmieci, które pozwalają wodzie w kałuży na twoim podwórku (lub nawet w twojej kostce lodu) zamarznąć tuż poniżej 32 stopni. Ale kropla chmurki, która jest nieco szersza niż krwinka czerwona, może zawierać tylko jedną taką cząstkę. Aby ta cząstka mogła zarodkować kryształy lodu, musi mieć odpowiedni kształt i wydzielać atrakcyjne i odpychające siły atomowe w odpowiednich miejscach, tak aby H i O w tych cząsteczkach H 2 O przykleić się do cząstki w prawym sześciokątnym wzorze.

Chmury w temperaturze -30 lub -35 ° F są często całkowicie płynne, ponieważ nie zawierają żadnych skutecznych cząstek zarodkujących z lodu. A jednak naukowcy widzą również chmury, które są o wiele cieplejsze, nawet 10ºF, które są pełne lodu i tryskają deszczem lub śniegiem. Chmury te zawierają oczywiście coś, co skutecznie zarodkuje lód w znacznie wyższych temperaturach.

Przez dziesięciolecia naukowcy nie mogli położyć palca na tym, czym była ta tajemnicza cząstka. W połowie lat sześćdziesiątych XX wieku Gabor Vali, urodzony na Węgrzech Ph.D. student fizyki na Uniwersytecie McGill w Montrealu, poświęcił większość swoich godzin na jej poszukiwanie. Vali spędził miesiące zbierając śnieg i wodę deszczową za galon. Przyniósł ją do laboratorium i przecisnął strzykawką, kropla po kropli, na arkusze folii aluminiowej, 100 kropli na arkusz. Ochłodził arkusze o 2 ° F na minutę, robiąc zdjęcie co 30 sekund. Później wyświetlił zdjęcia na ścianie i spojrzał na temperaturę, w której każda kropla zamarzła.

Vali przeprowadzał 10 eksperymentów dziennie, pięć lub sześć dni w tygodniu, przez kilka lat - "setki tysięcy kropli" - mówi. Każda kropla zamarzała w innej temperaturze w zależności od tego, co w niej pływały. Kilka kropli zamarzło w temperaturze 23 ° F, ale nie na tyle często, by wyjaśnić, jak skutecznie kryształy lodu tworzą się w ciepłych chmurach. Vali czegoś brakowało.

Pewnego dnia, na kaprysu, złapał trochę błotnistego śniegu spod zestawu swoich dziecięcych huśtawek. To była niechlujna nauka: badacze na całym świecie już testowali sproszkowane minerały pod kątem ich zdolności do tworzenia lodu, ale używali minerałów, które były sterylne i czyste. Szybki i brudny eksperyment Vali przyniósł nieoczekiwany rezultat.

Krople wody z brudnego śniegu zamarzły o 23 stopnie znacznie częściej niż miał jego czystsze próbki. Kiedy Vali dodał gnijące liście do mieszaniny, niektóre krople tworzyły lód o 28 stopniach, najwyższą temperaturę, jaką kiedykolwiek widział. Potencjał liści zwiększył się, gdy stały się brązowe, co sugeruje, że coś rosnącego na nich powodowało powstawanie lodu. W tym czasie Vali ukończył studia i przeniósł się na uniwersytet w Wyoming. Tam, w 1972 roku, absolwent o nazwisku Richard Fresh zdołał zidentyfikować Pseudomonas syringae, bakterię z gnijących liści, która wyzwalała lód.

Odkrycie miało duże znaczenie dla rolnictwa. Miliardy dolarów plonów na całym świecie są corocznie niszczone przez mróz. Steven Lindow, Ph.D. student z University of Wisconsin, który niezależnie odkrył zdolność zarodkowania lodu P. syringae w tym samym czasie, co Vali i Fresh, stwierdził, że uszkodzenia spowodowane przez mróz nie są spowodowane samą temperaturą; bakterie syringae na liściach faktycznie wykorzystują kryształy lodu jako łomy, aby rozerwać otwarte komórki roślin i pobrać ich składniki odżywcze. Aby temu zapobiec, niektórzy hodowcy drzew owocowych i warzyw obecnie rutynowo nakładają środki bakteriobójcze na uprawy przed mrozem.

W latach 80. Lindow zdołał jeszcze wyodrębnić gen, który pozwala strzykawce na tworzenie lodu. Ten gen koduje białka, które rozprzestrzeniają się na powierzchni bakterii w odpowiednim układzie, aby przyciągnąć cząsteczki wody do ich heksagonalnego formowania kryształów. Od tego czasu znaleziono cztery inne bakterie, które wytwarzają zarodki lodu w bardzo wysokich temperaturach. Chociaż nie wszystkie są spokrewnione, mają ten sam gen dla zarodkowania lodu.

Nawet gdy naukowcy zajmujący się rolnictwem zauważyli znaczenie biologicznego zarodkowania lodu, nadal nie byli objęci przez naukowców zajmujących się atmosferą, którzy utknęli w tradycyjnym przekonaniu, że sadza, sól morska lub jak dotąd niezidentyfikowany minerał w pyle były zasiew lodu w chmurach. Nie było prawdziwego sensu, kiedy liczba i różnorodność drobnoustrojów żyjących w atmosferze były różne. Vali próbował zbierać kostki lodu z najniższych kilkuset stóp atmosfery, ale niczego nie znalazł. I nikt nie szukał systematycznie tysięcy stóp w górę, gdzie faktycznie tworzą się chmury. Ludzie wątpili, że wystarczająco dużo komórek może dostać się do atmosfery, by zrobić deszcz lub śnieg.

"Pole zawaliło się", mówi David Sands, bakteriolog z Montana State University w Bozeman, który rozpoczął pracę z syringae w 1960 roku. "Ludzie, którzy tam byli, nie mogli już otrzymywać dotacji." Vali skupił się ponownie na fizyce chmur. Sands kontynuował naukę syringae, ale skoncentrował się na chorobach roślinnych, gdzie nadal mógł uzyskać fundusze. Pomysł, że mikroskopijna, pływająca biomasa wpływa na światową pogodę, był po prostu zbyt dziwny dla większości atmosferycznych naukowców.

W 2005 r. Sands zdecydował, że nadszedł czas, aby ponownie rozpocząć dochodzenie i dowiedzieć się, czy bakterie naprawdę manipulują pogodą. Techniki genetyczne znacznie się rozwinęły w ciągu ostatnich dwóch dekad, dzięki czemu możliwe było zidentyfikowanie nawet kilku nukleotydów lodowych, takich jak syringae z tysięcy drobnoustrojów, które mogły zamieszkać w chmurze. Sands skontaktował się z Brentem Christnerem, postdokiem z Montana State, który wyciął zęby, szukając śladów życia na liczącym 100000 lat lodowcu Antarktydy i zaprosił go, by rozszerzył swoje poszukiwania życia w chmury.

Christner, obecnie na Uniwersytecie Stanowym w Luizjanie, rozpoczął od prostego eksperymentu. Zebrał śnieg z gór na całym świecie i powtórzył eksperyment Vali'ego z zamrożoną kroplą, szukając niewidzialnych cząstek, które zrodziły lód. Kiedy Christner znalazł krople wody, które zamarzły powyżej 20ºF, potraktował je enzymem, który zabija bakterie, ale pozostawia tylko inne cząsteczki. Kiedy ochłodził te krople z powrotem, aż 85 procent z nich już nie zamarzło (pdf).

Było to pośrednie, ale kuszące dowody na to, że bakterie pomagały zamarznąć wodzie. Ale pozostawiło to otwarte pytanie: czy drobnoustroje unoszące się w powietrzu formują lód w chmurach, czy po prostu zostały zmyte przez płatki śniegu, gdy spadły na Ziemię? Jedynym sposobem, aby się tego dowiedzieć, było wbicie się w chmurę, by zobaczyć, co dzieje się z chwili na chwilę.

Próba nieświadomie odpowiedziała na to pytanie pod koniec 2007 roku, wkrótce po tym, jak Christner zakończył swój eksperyment, ale zanim go opublikował. Prather spędził 15 lat na opracowywaniu urządzenia, które mogłoby wyssać mikroskopijne cząsteczki z powietrza i przeanalizować ich skład chemiczny w ciągu kilku tysięcznych sekundy. Zamierzała, aby urządzenie zbadało zanieczyszczenie powietrza. Ale w tym roku połączyła siły z Paulem DeMottem, fizykiem chmur z Colorado State University, aby sprawdzić, czy mogą użyć maszyny do identyfikacji cząstek tworzących lód w chmurach.

Wśród urządzeń, które ten balon unosi w górę, znajduje się element grzejny, który spali strunę i wyśle ​​ładunek z powrotem na powierzchnię.

Noelle Bryan i Brent Christner / LSU

Prather i DeMott wykonali tuzin lotów przez chmury o wysokości 25 000 stóp nad górami Wyoming, Kolorado i Montaną. Wyniki zaskoczyły naukowców. Widzieli oczekiwaną sadzę, sól morską i dużo miejscowego pyłu wewnątrz płynnych kropelek, ale te rzeczy rzadko miały lód z nimi związany. Nie, lodowe łaty w chmurach zawierały coś jeszcze: 50 procent cząsteczek stanowiły pyły o wysokiej zawartości tytanu z pustyń Azji i ewentualnie Afryki, a kolejne 30 procent wydawało się biologiczne w oparciu o zawartość węgla, azotu i fosforu.

Do tego czasu nikt nie widział życia w obłokach deszczu. "Nie zamierzaliśmy celowo szukać bakterii" - mówi. Ale od tamtej pory widziała podobne wyniki w dwóch kolejnych kampaniach próbkujących chmury. Loty Sierra na początku 2011 r. Wykazały, że większość kryształków lodu zawiera pył z pustyń na innych kontynentach, wraz z tym, co wydawało się bakteriami. Kiedy Prather i DeMott pobrali chmury nad karaibską wyspą Saint Croix w lipcu 2011 roku, ponownie zobaczyli ślady pyłu i komórek w lodzie. Sam pył wydawał się pochodzić z Afryki Północnej.

DeMott zgromadził bibliotekę 100 000 cząstek lodu tworzących z tych lotów. Dopiero zaczął je identyfikować, ale w obrazach mikroskopu elektronowego odkrywa, że ​​niektóre z nich przypominają bakterie. Franc planuje wkrótce je przetestować, szukając sekwencji DNA związanych z nukleacją lodu.

Pomimo tych wyników niektórzy badacze pozostają sceptyczni, że mikroby mogą być ważne dla tworzenia się chmur. Corinna Hoose, fizyka chmur w Instytucie Technologii w Karlsruhe w Niemczech, uważa, że ​​liczba ogniw lodowych, które Christner odkrył w śniegu, jest zbyt mała, by zrobić dużą różnicę. Ocenia, że ​​drobnoustroje unoszące się w powietrzu przyczyniają się do mniej niż 1 procenta całego lodu chmurowego. "Cząsteczki pyłu i sadzy są znacznie bardziej obfite" - mówi. "Są o wiele ważniejsze niż cząsteczki biologiczne."

To był dominujący punkt widzenia od dziesięcioleci, a dominujące poglądy nie umierają łatwo. Ale Prather, Christner i Sands wyrzekają się tego. Badania laboratoryjne jeszcze nie stały się popularnym minerałem, który uruchamia zamrażanie tak skutecznie jak bakterie takie jak syringae . "Te organizmy, " mówi Christner, "są w stanie katalizować tworzenie się lodu w temperaturze cieplejszej niż jakakolwiek inna naturalnie występująca cząstka."

A Prather mogła właściwie nie docenić obfitości biologicznych cząstek tworzących lód w jej próbkach. Mimo, że widziała dużo pyłu w lodowatych płatach chmur, 60 procent tych ziaren pyłu zawierało również węgiel, azot i fosfor, co sugeruje, że nie są one tylko minerałami. Mogą mieć w nich czające się komórki - lub przynajmniej wnętrzności martwych komórek poplamione na ich powierzchniach. Jest to problem, o którym Prate rozmawia z kolegami przez wiele dni. "Nie sądzę, że to pył", który tworzy lód, teraz mówi. "Myślę, że to bio."

Podczas gdy Prather i inni badają wpływ lotnych bakterii na środowisko, Christner próbuje zrozumieć ten tajemniczy ekosystem na dużej wysokości jako całość. Pracując niedaleko od swojej bazy w LSU, próbuje dowiedzieć się, ile żyje na niebie i jak daleko sięga.

Zimnego jesiennego poranka Christner kieruje swoim pickupem na dwupasmową autostradę w centrum Luizjany, pędząc obok sosnowych zarośli, bagien i brudnych dróg, które nie pojawiają się w systemie nawigacji jego ciężarówki. "Nie jestem pewien, dokąd zmierzamy", przyznaje.

Ruchy Christnera są na łasce zmieniających się wiatrów tysięcy stóp nad głową. On i pięć innych pojazdów podąża za balonem pogodowym, który został uruchomiony kilka minut temu. "Jest na wysokości 5 000 stóp i wciąż wznosi się - jesteśmy około dwóch mil przed nim w drodze" - mówi głos przez radio.

12-funtowy balon balonu, w tym transponder GPS, jest trzymany razem z kruchym sznurkiem i styropianem, zgodnie z przepisami FAA, aby rozpaść się, gdy napotka turbiny samolotu pasażerskiego. Pomiędzy 10.000 a 30.000 stóp, drzwi się otworzy. Urządzenie będzie zbierać dryfujące komórki w gęstym tłuszczu, tak jak przedni grill wózka Christnera zbiera owady. Na wysokości 35 000 stóp łapacz nasion wytnie strunę, spadnie na spadochron i, miejmy nadzieję, wyląduje tam, gdzie można go znaleźć.

Urządzenie wcześniej spoczęło na bagnach i polach ryżowych i zaplątało się 60 stóp w górę w sosny o długich liściach. Dziś naukowcy znajdują go w gęstym lesie, siedem dziesiątych mil od zamkniętej bramy zdobionej przez dwie czaszki jelenia z metalowymi kołkami przerzuconymi przez ich czoła.

Christner's Ph.D. Uczeń Noelle Bryan wyhoduje bakterie zebrane przez balon w celu ich zidentyfikowania. Później powinna sprawdzić, czy mają gen zarodkowania lodu. - Zgaduję - mówi Christner - czy istnieje prawdopodobnie cała masa różnych organizmów, które mają tę zdolność, której po prostu nie zidentyfikowaliśmy.

Warunki w stratosferze przypominają warunki panujące na powierzchni Marsa. Poziom szkodliwego promieniowania ultrafioletowego jest 1000 razy wyższy niż na poziomie morza, grożąc dłutowaniem DNA komórki do fragmentów haiku. A ciśnienie atmosferyczne stanowi tylko pół procenta tego, co jest na poziomie morza, grożąc zsunięciem komórek do liofilizowanych zwłok. Christner postrzega swoje studia w stratosferze jako próbę poszukiwania życia w innych światach. "To, co robimy" - mówi - "nie różni się tak bardzo od tego, co stanie się w przyszłości, kiedy wyślemy misje na Marsa, aby pobrać próbki, by sprowadzić je z powrotem na Ziemię."

Analizowanie tego, co, jeśli w ogóle, zespołu Christnera zebranego na tym 122, 000 stóp, potrwa miesiące. Ale mają obiecujące wyniki z wcześniejszych wprowadzeń na niższe poziomy atmosfery.

Wracając do laboratorium, Christner i Bryan badają dwa tuziny szalek Petriego zawierających bakterie zebrane z lotów, których szczyt osiąga od 10 000 do 80 000 stóp. Muszą jeszcze sekwencjonować i identyfikować DNA drobnoustrojów, ale samo patrzenie na szalki Petriego daje im pewne wskazówki. Kolonie w jaskrawych kolorach pokrywają wiele naczyń - czerwone, pomarańczowe, różowe i żółte. "To są naturalne filtry słoneczne" - mówi Christner. Barwne barwniki karotenoidowe (podobne do tych w wielu roślinach, w tym marchewkach, których nazwy są nazwane) mogą neutralizować szkodliwe promieniowanie ultrafioletowe.

Christner podtrzymuje szalkę Petriego zawierającą kolonie pokryte beżem, czernią i bielą: wskazanie, że bakterie te wytwarzają odporne na dehydratację zarodniki, które mogą pomóc im przetrwać na ekstremalnych wysokościach. Prawdopodobnie są to pewnego rodzaju Actinomyces (grupa bakterii, które żyją w glebie i obejmują gatunki wytwarzające streptomycynę i inne antybiotyki), ale gatunek ten może być nowy w nauce. "Nie wiemy", mówi Christner, patrząc na plamę. "To może zrobić antybiotyk, jakiego nikt nigdy wcześniej nie widział."

Poszukiwanie nieba dla wysoko żyjących drobnoustrojów może również prowadzić do wglądu w niektóre gatunki, o których już wiemy. W latach pięćdziesiątych naukowcy finansowani przez amerykańską armię próbowali wysterylizować mięso w puszkach przez rozbijanie go promieniowaniem. Kiedy otworzyli puszki, z zaskoczeniem stwierdzili, że mięso jest zgniłe: zostało sfermentowane przez bakterię, obecnie nazywaną Deinococcus radiodurans, która jest wyjątkowo odporna na promieniowanie. Gatunek przenosi muskularny zestaw enzymów, które łączą ze sobą nici DNA tak szybko, jak promieniowanie rozbija je na strzępy. Deinococcus może przetrwać 5000 razy więcej promieniowania niż ludzkie komórki, ale żadne naturalne środowisko na Ziemi nie zbliża się do poziomu napromieniowania. "Więc, do diabła, istnieje organizm taki jak ta ewoluowana tolerancja?" Pyta Christner.

John Battista, który bada mikroba w LSU, na górze Christnera, uważa, że ​​enzymy naprawcze DNA Deinococcus pomagają przede wszystkim w przetrwaniu odwodnienia w środowisku pustynnym. Ale tolerancja na promieniowanie może również umożliwić bakteriom przyłączenie się do tego ekosystemu o wysokości 10 mil. Wichury w miejscach takich jak pustynia Gobi mogą z łatwością podnieść Deinococcus i napędzać go na całym świecie. "Jeśli udało mu się dostać do górnej atmosfery, " mówi Battista, "posiada wszystkie narzędzia potrzebne do przetrwania." Deinococcus i inne podobnie odporne drobnoustroje mogą czaić się w próbkach, które hodowla zespołu Christnera.

Tak jak te same geny, które pozwalają Deinococcusowi rozwijać się na ziemi, mogą dać mu zdolność przetrwania na dużych wysokościach, gen zarodkowania lodu mógł początkowo dawać strzykawce i bakteriom podobną przewagę nad deszczowaniem. Gen nukleacji wydaje się niezwiązany z żadnym z ponad milionów genów, które zostały zsekwencjonowane do tej pory z różnych organizmów. Wydaje się, że gen powstał tylko raz w trakcie ewolucji; potem przechodził z jednego gatunku na drugi, zmieniając się trochę po drodze. Nikt nie wie, jak dawno temu pojawił się gen, ale jego pojawienie się mogło mieć decydujący moment w historii Ziemi. Być może stworzyła nowy sposób na życie, aby zmodyfikować środowisko planety.

Zarodkowanie lodu mogło powstać jako ekologiczne uścisk dłoni pomiędzy bakteriami i roślinami, na których żyli. Wiele dzikich roślin (w przeciwieństwie do większości upraw) jest odpornych na mróz. Mogą przetrwać tak długo, jak zamrażanie odbywa się powoli, dając roślinom czas na aktywację ich obrony. Przez powodowanie szronu w wyższych temperaturach, powiedzmy, raczej niż w przypadku bakterii 15-zarodkujących z lodu, spowolniłoby to zamarzanie, pomagając chronić rośliny, na których żyją.

Później talent do formowania lodu może znaleźć inne zastosowania. Syringae wykorzystuje kryształki lodu, aby rozerwać komórki roślin, które nie są odporne na mróz, aby mogły pożreć składniki odżywcze. Drobnoustroje, takie jak syringae, mogą również wykorzystywać zarodkowanie lodu do spadochronu w kroplach deszczu lub płatkach śniegu, zapewniając, że nie utkną na dużych wysokościach podczas burzy.

Zarodkowe bakterie mogą nawet wpływać na cały krajobraz. Wywołując deszcz, Sands mówi: "powodują więcej roślin." Podobnie jak ludzie uprawiają pszenicę, syringae może pielęgnować ekosystemy liściaste, które mogą podtrzymywać bakterie, gdy dotrą do ziemi. Ekosystemy te pojawiłyby wtedy więcej bakterii, z których część powróciłaby do nieba.

Uświadomienie sobie, że bakterie mogą mieć tak głęboki wpływ, dodaje jeszcze jeden zwrot do już zawiłego związku między działalnością człowieka, pogodą i klimatem. Lasy mogą wytwarzać lokalne opady deszczu uwalniając bakterie i inne związki organiczne do niższej atmosfery. Pustynie mogą wytrącać tysiące kilometrów stąd, gdy ich kurz i bakterie zderzają się z bogatymi w wodę masami powietrza. Jaki zatem skutek wylesiania lub pustynnienia?

Naukowcy badali pył pustyni przez dziesięciolecia, śledząc jego serpentynową trajektorię na całym świecie i próbując zrozumieć jej wpływ na środowisko. Teraz wygląda na to, że kurz mógł być przynętą, ukrywając bakterie, które mogłyby być prawdziwymi reżyserami większości pogody naszej planety. "Kiedy patrzę na to, co fizycznie tworzy lód w chmurach, powiedziałbym, że 80 procent ma jakiś biologiczny podpis", mówi Prather. "Pył sam w sobie tego nie wyjaśnia."


Zakraplacze mikrobów

Cztery dekady temu naukowcy odkryli, że bakteria Pseudomonas syringae wyzwala tworzenie się szronu na roślinach. Od tego czasu niektórzy badacze proponowali błąd w tworzeniu lodu, a inni, jak to może tworzyć kryształy lodu w chmurach, które powodują opady. Nie jest jeszcze jasne, czy drobnoustroje unoszące się w powietrzu naprawdę wpływają na pogodę, ale to nie powstrzymało niektórych optymistycznych naukowców od badania bakterii jako narzędzia do zwiększania deszczu i śniegu.

Wykorzystywanie bakterii do wytrącania może być dużym biznesem. Dziesiątki stanów i krajów realizują programy obsadzania chmur przy użyciu sztucznych związków tworzących zarodki krystalizacji lodu. W Kalifornii wysiłek jest szczególnie pilny. Snowpack z Sierra Nevada, który dostarcza około 65 procent wody stanu, spada od 1950 roku, a jedna czwarta śniegu ma zniknąć do 2050 roku.

Bakteriolog z Montana State University, David Sands, wyobraża sobie używanie syringae do sprowadzania większej ilości opadów do miejsc takich jak Kalifornia. "Jestem rolnikiem" - mówi. "Nie lubię susz." Mikrobiolodzy zidentyfikowali szczepy syringae, które tworzą mróz bez uszkadzania gospodarzy. Możliwe jest sadzenie dużych obszarów ziemi za pomocą roślin, w których znajdują się te szczepy. Mikroby mogą następnie dostać się do powietrza, tworząc kryształki lodu w chmurach nad głową i odciągnąć od nich więcej deszczu.

Nikt nie wie, czy to jest praktyczne. Chmury musiałyby trafić w odpowiednim momencie, gdy ich wilgotność i temperatura są idealne do tworzenia się lodu. Obszary ziemi, które trzeba obsadzić, mogą być również zbyt duże. Ale Sands idzie naprzód, współpracując z badaczami w Syrii i innych krajach, aby znaleźć odmiany pszenicy i jęczmienia, które preferencyjnie zawierają właściwe szczepy syringae . "Możemy być w stanie wprowadzić nowe odmiany z bakteriami na nasionach", mówi. "Możemy być w stanie uchwycić 10, 20, 30 procent więcej opadów w niektórych obszarach."

Douglas Fox jest niezależnym pisarzem naukowym z Kalifornii. Jego praca pojawiła się w The Best American Science and Nature Writing.



Ciekawe Artykuły

Po prostu Dodaj wodę i Krzemowe fałdy w kształty origami

Po prostu Dodaj wodę i Krzemowe fałdy w kształty origami

Zapamiętaj te elementarne lekcje geometrii, które polegały na wycinaniu wzoru z arkusza roboczego i składaniu wzdłuż przerywanych linii w celu utworzenia kostki, stożka lub walca? Cóż, w pełni wykształceni naukowcy wciąż robią to samo, tylko w skali mikroskopijnej. Naukowcy z Uniwersytetu Twente w Holandii stworzyli samoskładające się, mikroskopijne struktury z azotanu krzemu. Kiedy krzem jes

Pan Hayward idzie do Waszyngtonu

Pan Hayward idzie do Waszyngtonu

The Oil Drum opublikował i połączył (pdf) z listem wysłanym przez Komitet ds. Energii i Handlu do CEO BP Tony Hayward w ramach przygotowań do jego nadchodzących zeznań dotyczących obaw związanych z ryzykownymi praktykami związanymi z wyciekiem ropy. Zaczyna: Drogi Panie Hayward: Z niecierpliwością oczekujemy na wasze zeznania przed podkomisją ds. Nadzoru i śl

Zajęty Rok Etny trwa wraz z 17. erupcją

Zajęty Rok Etny trwa wraz z 17. erupcją

W 2011 r. Pozostały nam jeszcze dwa miesiące, a Etna we Włoszech jest już w 17. paroksyzmie *. W przeciwieństwie do wielu innych wydarzeń z początku roku, ten paroksyzm był nieco zaskoczeniem. Krater południowo-wschodni, w którym większość aktywności w 2011 roku został wyśrodkowany, ucichł po dniu 16 października. Poprzednie parok

Tłuszcz z brzucha powiązany z problemami poznawczymi u starszych ludzi

Tłuszcz z brzucha powiązany z problemami poznawczymi u starszych ludzi

Jeśli masz ponad 60 lat, a według standardów BMI nadwaga, może nie być tak źle. Ale tu jest haczyk. Jeśli masz również gruby brzuch, ryzykujesz nie tylko problemy ze zdrowiem metabolicznym, ale także problemy poznawcze. To jest wniosek z badania opublikowanego w tym miesiącu w The British Journal of Nutrition. Przez lat

Jak często zdarza się wydarzenie Tunguska?

Jak często zdarza się wydarzenie Tunguska?

Przeczytaj aktualizację na dole tego posta; Poprawię kilka błędów, które popełniłem . Latem 1908 r. Eksplozja nad odległym rejonem Syberii w pobliżu rzeki Podkamennaja Tunguska zniszczyła setki kilometrów kwadratowych ziemi. Drzewa zostały spłaszczone, obszar przypalony, a fala ciśnienia z wybuchu została odczuta na całym świecie. Kilkadziesiąt la

Bajeczne Menu Nauki Obywatelskiej na Święto Dziękczynienia!

Bajeczne Menu Nauki Obywatelskiej na Święto Dziękczynienia!

Zaktualizowaliśmy i odesłaliśmy tę ucztę z okazji Święta Dziękczynienia, od Lily Bui! Zagłęb się w tę porcję projektów Święta Dziękczynienia ze swoimi przyjaciółmi i rodziną! Western Monarch Święto Dziękczynienia Pomóż naukowcom wykonać spis zimowych motyli Monarch. Hrabia Monarchowie w koloniach, w poranki wokół Święta Dziękczynienia. Zaczynać! Dzień Dziękczynieni