Umwelt

Durch die Untersuchung der Mechanismen, die für die Verzweigung verantwortlich sind, hat das Workforce bestimmt, wie die ersten Landpflanzen wahrscheinlich vor Millionen von Jahren ausgesehen haben.

Trotz grundlegend unterschiedlicher Wachstumsmuster hat ihre Forschung einen gemeinsamen Mechanismus für die Verzweigung von Gefäßpflanzen identifiziert.

Dr. Jill Harrison von der Bristol Faculty of Organic Sciences erklärte: „Vielfältige Formen gibt es in der dominanten Blütenpflanzengruppe, und Gärtner werden damit vertraut sein, die Triebspitzen der Pflanzen zu ‚kneifen‘, um das Wachstum der Seitenzweige zu stimulieren, was once zu einer buschigeren Gesamtform führt.

„Im Gegensatz zu Blütenpflanzen verzweigen sich andere Gefäßpflanzen jedoch, indem sie die Sprossspitze während des Wachstums in zwei Teile teilen, ein Prozess, der als ‚Dichotomie‘ bekannt ist.

Als eine alte Gefäßpflanzenlinie, die während der Karbonzeit Kohleflöze bildete, bewahren Lycophyten das uralte Muster der dichotomen Verzweigung.

Durch chirurgische Experimente in einem Lycophyten haben Forscher der College of Bristol entdeckt, dass die Dichotomie durch den Auxintransport über kurze Entfernungen reguliert und in verschiedenen Teilen der Pflanze durch den Auxintransport über große Entfernungen koordiniert wird.

Veröffentlicht in Entwicklungimplizieren die Ergebnisse, dass sowohl die Verzweigung von Blütenpflanzen als auch von Lycophyten durch den Auxintransport reguliert wird, dass ähnliche Mechanismen in den frühesten Gefäßpflanzen vor etwa 420 Millionen Jahren vorhanden waren.

Durch die Kombination dieser Erkenntnisse mit Entdeckungen in der Gruppe der nicht vaskulären, nicht verzweigten Moose können wir schlussfolgern, wie die ersten Landpflanzen vor etwa 480 Millionen Jahren aussahen.

Zuvor unterbrach das Exertions von Dr. Harrison den Auxintransport in einem Moos, was once dazu führte, dass es sich auf ähnliche Weise wie die frühesten Verzweigungsfossilien verzweigte.

Zusammen implizieren diese Studien, dass die frühesten Landpflanzen verzweigt waren und dass die Verzweigung während der Evolution nicht-vaskulärer Moose verloren ging.

Dr. Jill Harrison erklärte: „Die Begrünung des Landes durch Pflanzen ebnete den Weg für die Entwicklung des gesamten terrestrischen Lebens, da es Nahrung für Tiere und Sauerstoff zum Atmen lieferte, und die Verzweigung warfare eine Schlüsselinnovation bei der Bestrahlung von Landpflanzen.

„Unsere Arbeit impliziert, dass sich die Verzweigung früher entwickelt hat als das Denken, was once eine wichtige evolutionäre Schlussfolgerung ist.“

„Abgesehen davon birgt die Tatsache, dass wir gezeigt haben, dass Pflanzen, die so weit entfernt verwandt sind, dieselben genetischen Mechanismen zur Regulierung der Verzweigung verwenden, ein großes Potenzial für den Wissenstransfer über die technische Pflanzenform, um die zukünftige Produktivität und den Ertrag zu verbessern.“

Die Forscher Dr. Tamini Tapu, außerordentliche Professorin Teresa Ubide und Professor Paulo Vasconcelos von der College of Queensland entdeckten, wie diese Relikte offenbaren, dass die innere Struktur der australischen Vulkane immer komplexer wurde, als die Magmaproduktion des Hotspots abnahm.

Dr. Al-Tamini Tapu, dessen PhD-Projekt an der Faculty of Earth and Environmental Sciences der UQ die Grundlage dieser Studie bildete, sagte, der Hotspot sei in seinen frühen Stadien unglaublich stark gewesen und habe einige der beliebtesten Naturattraktionen Ostaustraliens hervorgebracht.

„Diese großen Vulkane waren bis zu sieben Millionen Jahre aktiv“, sagte Dr. Tapu.

„Die Vulkane bildeten sich, als sich der Kontinent über einen stationären Hotspot im Inneren des Planeten bewegte und das Land darüber schmolz, sodass Magma nach oben sickern konnte.

„Dies hinterließ eine Fundgrube an vulkanischen Wahrzeichen und bildete die längste Kette kontinentaler ‚Hotspot‘-Vulkane auf der Erde – entlang der Ostseite Australiens.

„Während Sie Ihren Blick entlang dieser massiven Kette werfen, werden Sie Queensland-Vulkane wie die Glass Area Mountains und den Tweed Volcano finden, die ‚Schildvulkane‘ sind, die jedes Jahr von unzähligen Einheimischen und Touristen besucht werden.“

Enorme, langlebige Lavaausbrüche im Tweed-Vulkan haben möglicherweise den Hotspot geschwächt und dazu geführt, dass die jüngeren Vulkane im Süden kleiner und kurzlebiger wurden.

„Dies weist auf die Veränderungen hin, die verursacht wurden, als sich der Kontinent über den schwächer werdenden Hotspot bewegte“, sagte Dr. Tapu.

Außerordentliche Professorin Teresa Ubide sagte, dass die Vulkane mit abnehmender Magmaproduktion im Inneren komplizierter wurden und Laven voller komplexer Kristalle ausbrachen.

„Diese kleinen Helden hüten die Geheimnisse, wie der Vulkan im Inneren funktioniert, und sagen uns, dass die späten australischen Vulkane voller Magmataschen oder Reservoirs waren“, sagte Dr. Ubide.

„Als diese abkühlten und viskoser wurden, wurde es schwieriger, Ausbrüche zu erzeugen, die möglicherweise explosiver waren.

„Wir fanden heraus, dass die Ankunft von neuem, heißerem und gasreichem Magma wie eine geschüttelte Flasche mit kohlensäurehaltigem Getränk wirkt und einen Druckaufbau im Magma und schließlich einen Ausbruch verursacht.“

Dr. Ubide sagte, dass Australiens erloschene „Hotspot-Vulkane“ ein einzigartiges Exertions für Forscher darstellen, um Prozesse zu untersuchen, die zu Vulkanausbrüchen auf der ganzen Welt führen.

„Die Wirkung der Erosion über mehrere zehn Millionen Jahre ermöglicht uns den Zugang zu vollständigen Lavasequenzen, die in jüngeren Vulkanen schwer zugänglich sein können“, sagte sie.

„Es ermöglicht dann, die innere Struktur der Vulkane zu rekonstruieren, ähnlich wie das Öffnen eines Puppenhauses, was once uns ein viel besseres Verständnis der Hotspot-Aktivitäten weltweit ermöglicht.

„Dies ist besonders wichtig, da es auf der Erde viele aktive Hotspots gibt, darunter im Pazifik und Atlantik sowie auf anderen Kontinenten, wie dem Yellowstone-Vulkan in den Vereinigten Staaten.

„Vulkane in diesen Gebieten produzieren große Mengen an Lava und spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung unseres Planeten und unserer Atmosphäre – daher ist es sehr hilfreich, ein echtes ‚Puppenhaus‘ zu haben, in dem guy herumspielen und Variationen mit der Zeit und der Magmaversorgung beobachten kann .

„Unsere Studie zeigt die grundlegende Rolle der Stärke von Wärmeanomalien im Inneren der Erde in der Entwicklung unseres Planeten und seiner Landschaft über Millionen von Jahren.

„Die Rekonstruktion dieser erloschenen Vulkane kann helfen, aktive kontinentale Hotspot-Vulkane weltweit besser zu verstehen.“

Bei moderaten Temperaturerhöhungen wachsen die Pflanzen höher, um heißeren Boden zu vermeiden und frischere Luft zu bekommen. Eine wegweisende Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Naturkommunikation zeigt, dass microRNA oder miRNA für dieses Wachstum erforderlich ist. Die Studie identifiziert auch, welche miRNA-Moleküle – aus mehr als 100 Möglichkeiten – die wesentlichen sind.

„Wir fanden heraus, dass Pflanzen ohne miRNA nicht wachsen werden, selbst wenn wir die Temperaturen erhöhen, selbst in Gegenwart von zusätzlichen Wachstumshormonen“, sagte UCR-Botanikprofessorin und Co-Autorin der Studie, Meng Chen.

RNA ist eine Nukleinsäure, die in allen lebenden Zellen vorhanden ist, und ihre Rolle besteht darin, als Bote zu fungieren, der Anweisungen von der DNA einer Zelle zur Erzeugung einer Vielzahl von Proteinen trägt. MicroRNA ist auch für eine gesunde Entwicklung in biologischen Zellen notwendig. Es wird geschaffen, um an ein bestimmtes RNA-Ziel zu binden und zu verhindern, dass dieses Ziel das erzeugt, used to be es herstellen soll.

„MiRNA hemmt die Produktion ihrer Ziel-RNA, indem sie eine Spaltung in ihrem Ziel induziert oder indem sie verhindert, dass ihre Ziel-RNA in ein anderes Protein übersetzt wird“, sagte UCR-Botanikprofessor und Co-Autor der Studie, Xuemei Chen.

Das Exertions von Xuemei Chen an der UCR part bei der Entdeckung von miRNA in Pflanzen. Das Exertions von Meng Chen identifizierte zuvor Komponenten, die an den frühen Stadien der Temperaturempfindlichkeit von Pflanzen beteiligt sind. Die beiden Wissenschaftlergruppen schlossen sich zusammen, um herauszufinden, ob miRNA, die in anderen Lebensformen so wichtig ist, auch eine Rolle bei der Temperaturreaktion von Pflanzen spielt.

Für diesen Check betrachteten die Wissenschaftler nur leichte Temperaturerhöhungen von 21 auf 27 Grad Celsius. Als Referenz liegt die durchschnittliche Raumtemperatur bei etwa 20 °C. „Wir haben uns die Stressreaktionen nicht angesehen. Wir wollten die Temperaturmessung untersuchen, ohne sie auf ein Niveau anzuheben, das die Pflanzen töten würde“, sagte Meng Chen.

Die Forscher nahmen Arabidopsis, eine kleine blühende Pflanze, die mit Senf und Kohl verwandt ist, und untersuchten mutierte Formen mit sehr geringen Mengen an miRNA. Ohne die miRNA könnte die mutierte Arabidopsis nicht auf die Temperaturänderung reagieren, indem sie so wächst, wie sie es hätte tun sollen.

Dann haben sie ein genetisches Experiment gemacht. „Wir fragten, ob wir zusätzliche Mutationen an der mutierten Arabidopsis vornehmen könnten, die keine miRNAs herstellen kann, und ihre Fähigkeit zur Temperaturwahrnehmung wiederherstellen könnten“, sagte Xuemei Chen. Das zweite Experiment funktionierte „perfekt“, sagte sie, und es enthüllte ein Gen, das für die Wiederherstellung der miRNA-Spiegel sowie der Wärmeerkennungsfähigkeiten der Pflanze verantwortlich ist.

Als nächstes stand das Crew vor einer Herausforderung bei der Suche nach der genauen miRNA, die an der Temperaturreaktion beteiligt ist. Arabidopsis stellt 140 miRNA-Moleküle her. Die Wissenschaftler gingen davon aus, dass die Konzentrationen der verantwortlichen Moleküle mit der Temperatur steigen würden, aber so conflict es nicht.

Unter Hinweis darauf, dass miRNA an Ziel-RNA-Moleküle bindet und diese abschaltet, untersuchte das Crew stattdessen die Ebenen der Ziel-RNA-Moleküle, die in der ursprünglichen mutierten Arabidopsis-Pflanze und in der zweiten von ihnen geschaffenen mutierten Pflanze unterschiedlich waren.

„Als wir uns das ansahen, stellten wir fest, dass sich die Ziele von 14 miRNA geändert hatten, und neben den Zielen fanden wir auch die miRNA“, sagte Xuemei Chen.

Nachdem das Crew die richtigen miRNA-Moleküle identifiziert hatte, stellte es schließlich ein umfassendes Bild der Temperaturreaktion zusammen. Es beinhaltet zwei wesentliche Teile: Moleküle, die die Temperatur wahrnehmen, und Auxin, ein Hormon, das eine Reaktion auf das, used to be wahrgenommen wurde, ermöglicht, indem es das Pflanzenwachstum fördert.

„Zwischen dem Sensor und dem Responder befindet sich miRNA. Ohne sie können Pflanzen Wärme wahrnehmen, aber nicht darauf reagieren, indem sie wachsen Chen sagte.

Während ihrer Experimente fand das Crew heraus, dass die miRNA auch für die Reaktion der Pflanzen auf den reflektierten Schatten benachbarter Pflanzen erforderlich ist.

„Unsere Entdeckung verband die Punkte zwischen drei Elementen, die in allen Pflanzen zu finden sind und die für die Reaktionen der Pflanzen auf ihre Umgebung von entscheidender Bedeutung sind“, sagte Meng Chen. „Dazu gehören Sensoren, die Temperatur- und Lichtänderungen überwachen, Hormone, die das Pflanzenwachstum antreiben, und miRNA, die die Pflanzenentwicklung steuert.“

Die Forscher hoffen, dass ihre Erkenntnisse genutzt werden können, um die Ernteerträge angesichts des Klimawandels zu steigern.

„Das Potenzial besteht darin, dass wir dies nutzen, um die Reaktionen der Pflanzen auf lokale Temperatur- und Lichtbedingungen zu manipulieren und ihr Wachstum in verschiedenen Umgebungen zu kontrollieren“, sagte Meng Chen.

Die Singulettspaltung (SF) ist ein Prozess, bei dem ein organischer Chromophor (ein Molekül, das Licht absorbiert) in einem angeregten Singulettzustand Energie auf einen benachbarten Chromophor überträgt, used to be zu zwei korrelierten Triplett-Exzitonenpaaren (Paaren von gebundenen Elektron-Loch-Zuständen, einem “ Loch“, used to be das Fehlen eines Elektrons bedeutet), die zu niederenergetischen Triplett-Exzitonen zerfallen. Diese Exzitonen haben eine lange Lebensdauer und zeigen eine effiziente Lichtemission, used to be SF vielversprechend für eine effiziente Umwandlung von Lichtenergie macht.

Das molekulare Design von SF-basierten Materialien ist jedoch durch die Anforderung begrenzt, dass die Energie des angeregten Singulett-Zustands mindestens gleich der Energie der beiden Triplett-Zustände sein muss. Eine Möglichkeit, diese Grenze zu überwinden, besteht darin, externe Stimuli wie Temperatur oder Druck anzuwenden, um den SF-Prozess zu manipulieren.

Jetzt in einer in der Zeitschrift veröffentlichten Gemeinschaftsstudie Chemische WissenschaftProf. Gaku Fukuhara vom Tokyo Institute of Generation (Tokyo Tech) und Prof. Taku Hasobe von der Keio College in Japan demonstrieren zum ersten Mal eine auf hydrostatischem Druck basierende Strategie zur Steuerung der Dynamik des SF-Prozesses und öffnen Türen zur Design und Herstellung neuartiger, abstimmbarer SF-basierter Materialien.

„Wir haben die hydrostatische druckgesteuerte Bildung und Dissoziation korrelierter Triplettpaare in SF mittels druckabhängiger UV/Vis- und Fluoreszenzspektrometrie zusammen mit Fluoreszenzlebensdauer- und Nanosekunden-Transientenabsorptionsmessungen demonstriert“, erklären Prof. Fukuhara und Prof. Hasobe.

In ihrer Studie verwendeten die Forscher ein Biphenyl-verbrücktes Pentacen-Dimer als Modellchromophor und testeten seine Reaktion auf eine Reihe von hydrostatischen Drücken, von 0,1 MPa (atmosphärischer Druck) bis 180 MPa, in drei verschiedenen Lösungsmitteln: Toluol, Methylcyclohexan und Tetrahydrofuran.

Unter Verwendung eines speziell angefertigten Hochdruckgeräts maßen die Forscher die Charge der Exzitonenerzeugung bei verschiedenen Drücken, indem sie den Fluoreszenzlebensdauerabfall des Chromophors überwachten, der angibt, wie lange der Chromophor braucht, um ein Photon nach der anfänglichen Anregung zu emittieren. Sie fanden heraus, dass die Geschwindigkeitskonstante für die Erzeugung korrelierter Triplett-Exzitonenpaare mit dem Druck zunahm, used to be darauf hindeutet, dass ein höherer Druck zu einem schnelleren SF-Prozess führt.

Unter Verwendung der Technik der transienten Absorption im Nanosekundenbereich verfolgten die Forscher dann den Zerfall der Triplett-Exzitonen und stellten fest, dass sie unter hohem Druck eine verkürzte Lebensdauer aufweisen.

Basierend auf Quantenausbeuteberechnungen und thermodynamischen Schätzungen entdeckten die Forscher zwei Mechanismen, die der Erzeugung korrelierter Paare und einzelner Exzitonen zugrunde liegen. Im Fall der korrelierten Exzitonenpaare wurde der SF-Prozess durch die Solvatation und Desolvatation des Moleküls angetrieben, used to be zu einer kompakteren und thermodynamisch stabileren Exzitonenstruktur als der angeregte Chromophor führte. Im Gegensatz dazu wurde festgestellt, dass die durch den Dissoziationsprozess erzeugten einzelnen Exzitonen thermodynamisch voluminöser sind, used to be dazu führt, dass sich die Lösungsmittelmoleküle um sie herum ansammeln und sie bei hohen Drücken deaktivieren.

Mit diesen Erkenntnissen haben die Forscher die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen am SF-Prozess beteiligten Systemen (Druck, Lösungsmittel, Chromophor, Exzitonen) beleuchtet und eine geeignete Selection zur herkömmlichen Kontrollstrategie für SF vorgeschlagen.

„Unsere Studie bietet eine neue Perspektive auf die Kontrolle intramolekularer SF unter Verwendung von hydrostatischem Druck als externem Stimulus. Dieses dynamische Kontrollkonzept könnte auf andere SF-Gerüste und relevante Systeme ausgeweitet werden, die sowohl im Grundzustand als auch im angeregten Zustand schwer zu kontrollieren sind“, spekuliert Prof Fukuhara und Prof. Hasobe.

Wir können sicherlich auf die Anwendung von SF-basierten Materialien beim Design effizienter organischer Solarzellen und Photokonversionsgeräte hoffen.

In ihrer Studie nahmen die Forscher eine Artwork unter die Lupe, die an der Universität Bonn schon lange untersucht wird – die Auferstehungspflanze Craterostigma plantagineum. Seinen Namen trägt er zu Recht: In Dürrezeiten könnte guy meinen, er sei tot. Aber auch nach monatelanger Dürre reicht ein wenig Wasser, um ihn wiederzubeleben. „Wir untersuchen an unserem Institut seit vielen Jahren, wie die Pflanze das macht“, erklärt Prof. Dr. Dorothea Bartels vom Institut für Molekulare Physiologie und Biotechnologie der Pflanzen (IMBIO) der Universität Bonn.

Ihr Interesse gilt den Genen, die für die Dürretoleranz verantwortlich sind. Es wurde immer deutlicher, dass diese Fähigkeit nicht das Ergebnis eines einzelnen „Wunder-Gens“ ist. Stattdessen sind sehr viele Gene beteiligt, von denen die meisten auch bei Arten vorkommen, die mit Trockenheit nicht so intestine zurechtkommen.

Die Pflanze hat acht Kopien jedes Chromosoms

In der aktuellen Studie analysierte Bartels Workforce gemeinsam mit Forschern der College of Michigan (USA) das komplette Genom von Craterostigma plantagineum. Und das ist ziemlich komplex aufgebaut: Während die meisten Tiere zwei Kopien von jedem Chromosom haben – eine von der Mutter, eine vom Vater – hat Craterostigma acht. Ein solches „achtfaches“ Genom wird auch als Oktoploid bezeichnet. Wir Menschen hingegen sind diploid.

„Eine solche Vervielfachung der Erbinformation lässt sich bei vielen Pflanzen beobachten, die sich unter extremen Bedingungen entwickelt haben“, sagt Bartels. Aber warum ist das so? Ein wahrscheinlicher Grund: Liegt ein Gen in acht statt zwei Kopien vor, kann es im Prinzip viermal so schnell abgelesen werden. Ein octoploides Genom kann additionally die sehr schnelle Produktion großer Mengen eines benötigten Proteins ermöglichen. Diese Fähigkeit scheint auch wichtig für die Entwicklung einer Trockenheitstoleranz zu sein.

Bei Craterostigma werden einige Gene, die mit einer größeren Trockenheitstoleranz verbunden sind, sogar noch weiter repliziert. Dazu gehören die sogenannten ELIPs – das Akronym steht für „early mild inducible proteines“, da sie durch Licht schnell angeschaltet werden und vor oxidativem Pressure schützen. Sie kommen in hoher Kopienzahl bei allen trockenheitstoleranten Arten vor. „Craterostigma hat rapid 200 ELIP-Gene, die nahezu identisch sind und sich in großen Clustern von zehn oder zwanzig Kopien auf verschiedenen Chromosomen befinden“, erklärt Bartels. Dürretolerante Pflanzen können daher vermutlich auf ein umfangreiches Netzwerk an Genen zurückgreifen, das sie bei Trockenheit schnell hochregulieren können.

Dürreempfindliche Arten haben normalerweise die gleichen Gene – wenn auch in geringerer Kopienzahl. Auch das ist nicht verwunderlich: Die Samen und Pollen der meisten Pflanzen sind oft auch nach langen Phasen ohne Wasser noch keimfähig. Sie haben additionally auch ein genetisches Programm zum Schutz vor Trockenheit. „Allerdings wird dieses Programm bei der Keimung normalerweise abgeschaltet und kann danach nicht wieder aktiviert werden“, erklärt der Botaniker. „In Auferstehungspflanzen hingegen bleibt es aktiv.“

Die meisten Arten „können“ Trockenheitstoleranz

Dürretoleranz ist additionally etwas, das die überwiegende Mehrheit der Pflanzen „kann“. Die Gene, die diese Fähigkeit verleihen, sind vermutlich sehr früh im Laufe der Evolution entstanden. Diese Netzwerke sind jedoch bei dürretoleranten Arten effizienter und außerdem nicht nur in bestimmten Stadien des Lebenszyklus aktiv.

Allerdings hat auch nicht jede Zelle in Craterostigma plantagineum das gleiche „Dürreprogramm“. Das zeigten Forscher der Universität Düsseldorf, die ebenfalls an der Studie beteiligt waren. Beispielsweise sind während der Austrocknung in den Wurzeln andere Gene des Trockenheitsnetzwerks aktiv als in den Blättern. Diese Erkenntnis kommt nicht unerwartet: Blätter zum Beispiel müssen sich vor den schädlichen Einflüssen der Sonne schützen. Dabei helfen ihnen zum Beispiel ELIPs. Bei ausreichender Feuchtigkeit bildet die Pflanze photosynthetische Pigmente, die Strahlung zumindest teilweise absorbieren. Bei Trockenheit versagt dieser natürliche Schutz weitgehend. Wurzeln hingegen müssen keinen Sonnenbrand befürchten.

Die Studie verbessert das Verständnis dafür, warum manche Arten so wenig unter Dürre leiden. Langfristig könnte es daher zur Züchtung von Nutzpflanzen wie Weizen oder Mais beitragen, die Trockenheit besser vertragen. In Zeiten des Klimawandels dürften diese in Zukunft gefragter denn je sein.

Beteiligte Institutionen und Finanzierung:

An der Studie waren neben der Universität Bonn die Michigan State College (USA) und die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf beteiligt. Die Arbeit wurde von der US Nationwide Science Basis (NSF) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Veröffentlicht in Naturkommunikationfand die Studie auch heraus, dass finanzielle Strafen für Kraftwerke die Schadstoffbelastung der Menschen erheblich reduzieren können, außer während schwerer Hitzewellen.

„Wir wissen, dass die Luftverschmutzung farbige Gemeinschaften, die Armen und Gemeinschaften, die bereits eher von anderen Quellen der Umweltverschmutzung betroffen sind, unverhältnismäßig stark beeinträchtigt“, sagte der Hauptautor der Studie, Jordan Kern, Assistenzprofessor für Forstwirtschaft und Umweltressourcen an der NC Zustand. „Was once wir jetzt wissen, ist, dass Dürre und Hitzewellen die Dinge verschlimmern.“

Für die Studie schätzten die Forscher die Emissionen von Schwefeldioxid, Stickoxiden und Feinstaub aus Kraftwerken in Kalifornien in 500 verschiedenen Szenarien, wie das Wetter in zukünftigen Jahren aussehen könnte, die sie „synthetische Wetterjahre“ nannten. Diese Jahre simulierten Bedingungen, die auf der Grundlage historischer Wind-, Luft-, Temperatur- und Sonneneinstrahlungswerte an der Westküste zwischen 1953 und 2008 auftreten könnten. Dann wurden Informationen über den Standort von Kraftwerken in Kalifornien verwendet und wie viel Strom sie unter verschiedenen Bedingungen erzeugen würden Wetterbedingungen schätzten sie die Luftverschmutzung in einzelnen Landkreisen.

Sie sahen die schlimmste Luftverschmutzung in den heißesten und trockensten Jahren, was once laut Kern auf die Nachfrage nach mehr Klimaanlagen in heißen Jahren zurückzuführen ist. Darüber hinaus kann Dürre die Verfügbarkeit von Wasserkraft beeinträchtigen. Der überschüssige Strom muss woanders herkommen, da kommen fossile Kraftwerke ins Spiel.

„Eines der Dinge, die uns interessierten, battle, die relative Rolle von Dürre, die chronisch sein und Monate oder Jahre andauern kann, im Vergleich zu Hitzewellen, die wie ein Strohfeuer auftreten können, auseinanderzuhalten“, sagte Kern. „Wir haben festgestellt, dass Dürre eine Ursache für chronische Umweltverschmutzung ist, aber Hitzewellen sind für diese unglaublichen Emissionsspitzen in kurzer Zeit verantwortlich.“

Sie sahen auch, dass Landkreise mit einer höheren bestehenden Verschmutzungslast überproportional von der Verschmutzung während Dürren und Hitzewellen betroffen waren. Grafschaften, die nach Rasse und ethnischer Zugehörigkeit vielfältiger waren, waren auch weitaus wahrscheinlicher von erhöhten Emissionen aus Kraftwerken während Dürren und Hitzewellen betroffen.

„Je vielfältiger Ihr Land nach Rasse und ethnischer Zugehörigkeit ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass Sie jährlich von Luftverschmutzung betroffen sind“, sagte Kern. „Während einer Dürre ist die Beziehung ausgeprägter.“

Als sie die Auswirkungen von drei verschiedenen Richtlinien simulierten, die Stromerzeuger für den Ausstoß von Luftverschmutzung lokal, insgesamt oder beides besteuerten, stellten sie fest, dass Strafen dazu beitrugen, Gesundheitsschäden durch Umweltverschmutzung in mehr als 99 % der Tage zu reduzieren. Während extremer Hitzewellen konnten die Strafen die Emissionen jedoch nicht reduzieren.

„Strafen verteuern den Betrieb der schädlicheren Kraftwerke, während saubere Kraftwerke vergleichsweise günstiger werden“, sagte Kern. „Es gibt dem Gadget einen Anreiz, auf sauberere Kraftwerke umzusteigen, aber das passiert bei wirklich massiven Hitzewellen nicht mehr. Die Strombetreiber haben keine andere Wahl, als jedes Kraftwerk einzuschalten. Sie können nicht von den schmutzigen Kraftwerken zu den schmutzigen Kraftwerken wechseln die sauberen.“

Die Studie US West Coast Droughts and Warmth Waves Exacerbate Air pollution Inequality and Can Undermine Emission Keep an eye on Insurance policies wurde on-line in veröffentlicht Naturkommunikation am 23. März. Zu den Co-Autoren gehörten Amir Zeighami, Andrew Yates, Paige Weber und August Bruno. Die Studie wurde im Rahmen des Coupled Herbal-Human Techniques (CNH2)-Programmpreises Nr. 2009726 der Nationwide Science Basis unterstützt.

Das Device besteht aus einer Reihe von thermischen Sensoren und Aktoren und misst und moduliert das Verhalten der Honigbienen durch lokalisierte Temperaturschwankungen.

„Viele Regeln der Bienengesellschaft – von kollektiven und individuellen Interaktionen bis hin zur Aufzucht einer gesunden Brut – werden durch die Temperatur reguliert, additionally haben wir uns das für diese Studie zunutze gemacht“, erklärt EPFL-Doktorand Rafael Barmak, Erstautor eines kürzlich erschienenen Artikels über das Device veröffentlicht in Wissenschaftliche Robotik. „Die Wärmesensoren erstellen eine Momentaufnahme des kollektiven Verhaltens der Bienen, während die Aktuatoren es uns ermöglichen, ihre Bewegung durch Modulation von Wärmefeldern zu beeinflussen.“

„Bisherige Studien zum thermischen Verhalten von Honigbienen im Wintry weather haben sich darauf verlassen, die Bienen zu beobachten oder die Außentemperatur zu manipulieren“, ergänzt Martin Stefanec von der Universität Graz. „Unser Robotersystem ermöglicht es uns, die Temperatur innerhalb des Clusters zu ändern, das Erwärmungsverhalten von Kernbienen dort zu emulieren und zu untersuchen, wie der Wintercluster seine Temperatur aktiv reguliert.“

Ein „Biohybrid-Superorganismus“, um den Kollaps der Kolonie abzumildern

Bienenvölker sind im Wintry weather schwer zu untersuchen, da sie kälteempfindlich sind und das Öffnen ihrer Bienenstöcke das Risiko birgt, ihnen zu schaden und ihr Verhalten zu beeinflussen. Aber dank des biokompatiblen Robotersystems der Forscher konnten sie im Wintry weather drei Versuchsstöcke im Synthetic Existence Lab der Universität Graz untersuchen und von der EPFL aus fernsteuern. Im Inneren des Geräts koordinierte ein zentraler Prozessor die Sensoren, sendete Befehle an die Aktuatoren und übermittelte Daten an die Wissenschaftler, used to be zeigt, dass das Device verwendet werden kann, um Bienen zu untersuchen, ohne dass ein Eindringen – oder sogar Kameras – erforderlich ist.

Francesco Mondada, Leiter der Cell Robot Programs Team, erklärt, dass einer der wichtigsten Aspekte des Programs – das er aufgrund seiner Kombination aus Robotik und einer Kolonie von Individuen, die als Lebewesen agieren, einen „biohybriden Superorganismus“ nennt – seine Fähigkeit ist, gleichzeitig zu arbeiten Bienenverhalten beobachten und beeinflussen.

„Indem wir Daten über die Place der Bienen sammelten und wärmere Bereiche im Bienenstock schufen, konnten wir sie dazu ermutigen, sich auf eine Weise zu bewegen, die sie normalerweise in der Natur im Wintry weather nie tun würden, wenn sie dazu neigen, sich zusammenzukauern, um Energie zu sparen. Dies gibt uns die Möglichkeit, zugunsten einer Kolonie zu handeln, indem wir sie zum Beispiel auf eine Nahrungsquelle lenken oder sie davon abhalten, sich in zu kleine Gruppen zu teilen, die ihr Überleben gefährden können.“

Die Wissenschaftler konnten das Überleben einer Kolonie nach dem Tod ihrer Königin verlängern, indem sie Wärmeenergie über die Aktoren verteilten. Die Fähigkeit des Programs, den Kollaps von Kolonien abzumildern, könnte Auswirkungen auf die Überlebensfähigkeit von Bienen haben, die zu einem wachsenden Downside für die Umwelt und die Ernährungssicherheit geworden ist, da die weltweiten Bestäuberpopulationen zurückgegangen sind.

Nie zuvor gesehene Verhaltensweisen

Zusätzlich zu seinem Potenzial, Kolonien zu unterstützen, hat das Device Licht auf nie beobachtetes Verhalten von Honigbienen geworfen und neue Wege in der biologischen Forschung eröffnet.

„Die von unserem Device erzeugten lokalen thermischen Reize enthüllten zuvor nicht gemeldete Dynamiken, die aufregende neue Fragen und Hypothesen aufwerfen“, sagt EPFL-Postdoktorand und korrespondierender Autor Rob Generators. „Zum Beispiel kann derzeit kein Modell erklären, warum wir die Bienen ermutigen konnten, einige „Täler“ mit kalter Temperatur innerhalb des Bienenstocks zu durchqueren.“

Die Forscher planen nun, das Device zu verwenden, um Bienen im Sommer zu untersuchen, used to be eine kritische Zeit für die Aufzucht von Jungen ist. Parallel dazu erforscht die Cell Robot Programs Team Systeme, die Schwingungswege nutzen, um mit Honigbienen zu interagieren.

„Der Aspekt der biologischen Akzeptanz dieser Arbeit ist entscheidend: Die Tatsache, dass die Bienen die Integration von Elektronik in den Bienenstock akzeptiert haben, gibt unserem Gerät ein großes Potenzial für verschiedene wissenschaftliche oder landwirtschaftliche Anwendungen“, sagt Mondada.

Diese Arbeit wurde unterstützt durch das EU H2020 FET Projekt HIVEOPOLIS (Nr. 824069), koordiniert von Thomas Schmickl, und durch das Box of Excellence COLIBRI (Complexity of Existence in elementary Analysis and Innovation) an der Universität Graz.

Dr. Pete Russell vom Division of Marine Science der College of Otago und Dr. Christopher Horvat vom Division of Physics der College of Auckland haben eine Studie über die ozeanischen biologischen Auswirkungen des Zyklons Oma veröffentlicht, der 2019 in der Nähe von Vanuatu vorbeizog.

„Während Oma ein relativ harmloser Zyklon warfare, erzeugte er in seinem Gefolge eine huge Phytoplanktonblüte – das ungewöhnlichste Einzelereignis in der Geschichte der Chlorophyllmessungen im Südpazifik“, sagt Dr. Russell.

„Ein solches Extremereignis kann in einem Teil des Ozeans, der typischerweise eine biologische Wüste ist, eine große Menge an Biomasse produzieren. Wir wissen noch nichts über das Schicksal dieser Biomasse, aber eine Möglichkeit ist, dass sie auf dem Grund landen könnte des Ozeans und bindet Kohlenstoff.“

Die soeben erschienene Studie in Geophysikalische Forschungsbriefefanden heraus, dass die von Oma produzierte Phytoplanktonblüte äußerst selten warfare und nur einmal alle 1500 Jahre am selben Ort auftrat.

„Wirbelstürme sind einer der Mechanismen, die Wärme aus den Tropen abführen. Erwärmung der Ozeane bedeutet, dass mehr Wärme abgeführt werden muss. Dies bedeutet intensivere Stürme und möglicherweise längere Sturmperioden, die zu mehr Stürmen führen.

„Durch die Untersuchung von Sedimentkernen aus der letzten Zwischeneiszeit können wir uns vielleicht ein Bild davon machen, welche Zyklonaktivität zu erwarten ist, wenn die Meerestemperaturen über 1 Grad höher sind als heute“, sagt Dr. Russell.

Das Paar stellte fest, dass, wenn ein Sturm lange genug über einem Stück Ozean schwebt, physikalische Wechselwirkungen zwischen den Zyklonwinden und dem Ozean dazu führen, dass Wasser in der Nähe seines Auges aufsteigt und nährstoffreiches Wasser an die Oberfläche bringt, das eine Phytoplanktonblüte auslöst.

Laut Dr. Horvat könnten diese Ereignisse biologische Hotspots sein, die dazu führen, dass große Mengen an biologischem Subject material in Gebieten produziert werden, in denen es normalerweise kein Leben im oberen Ozean gibt.

„Diese Wirbelstürme können Erstaunliches bewirken – abgesehen von starken Winden können sie auch die im oberen Ozean lebenden Pflanzen und Tiere dramatisch beeinflussen und den Kohlenstoffkreislauf verändern, indem sie zu Blüten führen.

„Zusammen mit diesen Blütenereignissen im offenen Ozean führt die Zyklonaktivität sowohl zu Küstenauftrieb als auch zu Abflüssen vom Land, die auch Nährstoffe in die photische Zone liefern und Blüten erzeugen. Diese Blüten könnten ein wesentlicher Bestandteil der lokalen Meeresökosysteme unseres Pazifiks sein Nachbarn, die höhere Nahrungsketten unterstützen“, sagt er.

Die Forscher sagen, dass sie zu wenig über Phytoplanktonblüten wissen, um sie als intestine oder schlecht zu bezeichnen, aber sie glauben, dass sie das Potenzial haben, Ökosysteme im offenen Ozean zu unterstützen, die nährstoffbegrenzt sind.

„Wir hoffen, dies weiter untersuchen zu können, insbesondere den Einfluss auf die Fischerei auf pazifische Inseln“, sagt Dr. Horvat.

*Die Forscher stellen fest, dass die jüngsten Wirbelstürme im Südpazifik nur in Oma aufgetreten sind.

Der Zyklon Gabrielle bewegte sich aufgrund seiner kreisförmigen Bewegung zu schnell, um eine Blüte zu erzeugen, führte jedoch durch Wechselwirkungen mit Riffen im Korallenmeer dort zu einer Blüte.

Die Zyklone Judy und Kevin schwebten erneut nicht lange genug in derselben Area, um aufgrund kreisförmiger Bewegungen eine Phytoplanktonblüte zu erzeugen, aber da beide größere Inseln passierten, gab es Hinweise auf eine Blüte aufgrund des Abflusses von Nährstoffen aus dem Land.

Durch die Kombination von Laborexperimenten und mathematischer Modellierung haben Forscher der McGill College und des Eidgenössischen Instituts für Wasserwissenschaften und Technologie einen Weg gefunden, die Bewegung von Arten vorherzusagen, die die Erhaltungsbemühungen zur Wiederverbindung fragmentierter Lebensräume leiten könnte.

Die Forscher stellten fest, dass das Überleben von Arten im Zusammenspiel zwischen ihren Bewegungsmustern liegt, wie z. B. wie weit sie reisen, um sich zwischen Lebensraumfragmenten zu bewegen, und der Artwork und Weise, wie die Korridore, die Lebensraumbereiche verbinden, ausgerichtet sind.

Sie fanden auch heraus, dass dieselbe Landschaft die Ausbreitung bestimmter Arten fördern und die Ausbreitung anderer behindern kann, je nachdem, wie weit sie reisen.

„Wir haben festgestellt, dass wir zur Vorhersage der Ausbreitung von Arten das Wissen über ihr Verhalten und über das Netzwerk möglicher Korridore, die die Habitatflecken verbinden, kombinieren müssen“, sagte Professor für Biologie an der McGill College Andreas Gonzalesder Hauptautor einer neuen Studie, die in veröffentlicht wurde PNAS.

Laborexperimente und mathematische Modellierung

Zu diesem Schluss kamen die Forscher, indem sie ein Laborexperiment mit Theorie kombinierten.

Zunächst bauten sie lückenhafte Habitatnetzwerke, in denen sie das Bewegungsverhalten und Populationswachstum einer Modellart, des winzigen, insektenartigen Springschwanzes, untersuchten Folsomia Candida.

Anschließend nutzten sie ein mathematisches Modell, um andere Szenarien zu untersuchen, die in dem Experiment nicht angesprochen wurden, wie z. B. Netzwerke, die viel mehr Lebensraumbereiche enthalten als in den Experimenten. Gonzalez und sein Crew fanden heraus, dass die Zeit, die eine Inhabitants benötigt, um ein Netzwerk von Lebensraumfragmenten zu besiedeln, durch die Entfernungen zwischen den Lebensraumfragmenten und die Leichtigkeit der Organismen zwischen den Fragmenten vorhergesagt werden kann.

Naturschutzbemühungen informieren

Naturschutzbemühungen in uneinheitlichen Landschaften zielen darauf ab, isolierte Lebensraumfragmente wieder mit Korridoren zu verbinden, um Organismen dabei zu helfen, die Ressourcen zu finden, die sie benötigen, um das Aussterben auf lange Sicht zu verhindern.

„Wir wollten Naturschutzakteuren eine Möglichkeit geben, die Konnektivität lückenhafter Landschaften zu quantifizieren und vorherzusagen“, sagte Gonzalez.

„Dieses Wissen ist für Naturschutz-NGOs wertvoll, da es Naturschutzmaßnahmen leiten könnte, um uneinheitliche Landschaften wieder zu verbinden und die langfristige Ausbreitung und den Fortbestand bedrohter Arten sicherzustellen.“ sagte Bronwyn Rayfield, der Forscher, der die experimentellen Daten gesammelt hat.

Die Forscher glauben auch, dass die Ergebnisse verwendet werden können, um die Bemühungen zur Wiederherstellung von Lebensraumkorridoren zu unterstützen, die bereits in vielen Teilen der Welt im Gange sind.

Die kanadische Bundesregierung bereitet derzeit eine Strategie zur Erhaltung der Habitatkonnektivität vor und investiert in den Schutz und die Wiederherstellung von Habitatkorridoren. Das auf der COP15-Konvention über die biologische Vielfalt vereinbarte World Biodiversity Framework legt ebenfalls großen Wert auf die Wiederherstellung der weltweiten Konnektivität von Lebensräumen.

„Wir glauben, dass unsere Ergebnisse neue Erkenntnisse liefern, um die Maßnahmen von Nationen zu lenken, die das 2030-Ziel für die Konnektivität von Lebensräumen im kommenden Jahrzehnt erreichen wollen“, sagte Gonzalez, Gründungsdirektor des Quebec Centre for Biodiversity Science.

Evolutionsbiologen sind seit langem daran interessiert, die Faktoren zu verstehen, die zur Evolution und Aufrechterhaltung mehrerer alternativer Lebensgeschichtestrategien (ALHS) innerhalb von Arten beitragen, die zu Anpassung und neuen Merkmalen führen. Eine neue Studie, die in Science Advances veröffentlicht wurde, hat nicht nur gezeigt, dass ein ALHS in Colias-Schmetterlingen einen alten Ursprung hat, sondern auch die Mechanismen bestimmt, die zu seiner Persistenz über Millionen von Generationen beitragen.

Colias-Schmetterlinge sind eine charismatische Gruppe von Schmetterlingen, die auf rapid allen Kontinenten zu finden sind und sich durch ihre leuchtend orange oder gelben Flügel bei Männchen und Weibchen auszeichnen. Bei etwa einem Drittel der 90 Colias-Arten hat jedoch ein Teil der Weibchen stattdessen weiß gefärbte Flügel, die als Alba-Morph bezeichnet werden. Diese Farbveränderung scheint ein Kompromiss darin zu sein, wie Weibchen Energiereserven investieren, die sie im Raupenstadium gesammelt haben.

Während der Verwandlung in einen Schmetterling geben die Weibchen diese Reserven entweder aus, um orangefarbene Flügel zu bilden und für Männchen sehr attraktiv zu werden, oder sie produzieren keine Farbe (Alba) und nutzen diese Ressourcen, um mehr Nachkommen zu haben. Daher ist Alba nicht nur eine einfache Farbvariante, sondern eine visuelle Darstellung eines ALHS, das nur für weibliche Colias-Schmetterlinge gilt.

Unter der Leitung von Forschern der Universität Stockholm verwendete das internationale Crew verschiedene Genomanalysen, um die genetische Grundlage des auf Weibchen beschränkten Alba-ALHS zu identifizieren und diese Entdeckung dann in einen evolutionären Rahmen einzuordnen. Sie fanden heraus, dass sich Alba einst in der Nähe des letzten gemeinsamen Vorfahren der Gattung entwickelt hat, vor mehr als 1,2 Millionen Generationen.

Ihre Ergebnisse deuten ferner darauf hin, dass die Alba- und Orangen-Allele zwischen den Arten innerhalb der Gattung über den Genfluss zwischen hybridisierenden Arten (Introgression) und durch ausgewogene Selektion innerhalb der Arten aufrechterhalten wurden. Die genetische Grundlage von Alba scheint eine regulatorische Area in der DNA zu sein, eine Hypothese, die die Forscher mit CRISPR/Cas9-Mutagenese testeten, die das Alba-Allel als modularen Enhancer für die Induktion des Alba-ALHS bestätigte.

Diese Ergebnisse sind bedeutsam, da sie ein besseres Verständnis dafür bieten, wie sich lebensgeschichtliche Merkmale entwickeln, used to be darauf hindeutet, dass einige Strategien, die von verschiedenen Arten verwendet werden, tatsächlich eine gemeinsame genetische Foundation haben könnten.

„Durch die Untersuchung der Ursprünge und der evolutionären Dynamik, die auf ein ALHS einwirken, hoffen wir, das Verständnis dafür zu erweitern, wie sich neuartige Merkmale und Lebensgeschichten entwickeln, und uns schließlich dabei zu helfen, die Bedingungen zu verstehen, die die Vielfalt der Variationen in der Lebensgeschichte erzeugt haben, die wir heute beobachten“, sagte Kalle Tunström, Doktorand am Zoologischen Institut der Universität Stockholm und Hauptautor der Studie.