معلومة

ما هو الحيوان الذي يحتوي على أكثر الثقوب الطوبولوجية؟

ما هو الحيوان الذي يحتوي على أكثر الثقوب الطوبولوجية؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أولاً ، أنا لست عالم أحياء ، لذا اعذروني إذا فهمت أيًا من المصطلحات بشكل خاطئ. ومع ذلك ، فأنا أشعر بالفضول حيال هذا الأمر ، لذا يرجى أن تتحملوني.

في مقطع فيديو من Vsauce بعنوان "كم عدد الثقوب التي يمتلكها الإنسان؟" ، استنتج أن جسم الإنسان لديه 7 ثقوب من خلال مقياس 60 ميكرون (كما يتضح من المجال الرياضي للطوبولوجيا):

  • الجهاز الهضمي
  • 2 منخر
  • العلوي / السفلي الأيسر الدمعي
  • الجزء العلوي / السفلي الأيمن من الدمع

هذا يجعل 7 من خلال الثقوب. استمرارًا لسلسلة الأفكار هذه ، من السهل جدًا تخيل كائن حي بدون ثقوب ؛ من المحتمل أن تكون الأميبا أو كائنًا وحيد الخلية مشابهًا.

ما هو الحيوان الذي سيكون بعد ذلك الحيوان الذي يحتوي على أكبر قدر من الثقوب (مع الحفاظ على مقياس 60 ميكرون)؟ ربما لا يمكن الإجابة على هذا السؤال بشكل نهائي ، لكن الاقتراحات مرحب بها.

تحرير: وفقًا لاقتراح فاديم ، دعنا نقصر النطاق على مملكة الحيوان.


ديناميات النظام البيئي: المراحل الطوبولوجية في النظم البيولوجية

أظهر الفيزيائيون في جامعة Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) في ميونيخ أن الأطوار الطوبولوجية يمكن أن توجد في علم الأحياء ، وبذلك حددوا صلة بين فيزياء الحالة الصلبة والفيزياء الحيوية.

أصبح مفهوم انتقالات الطور الطوبولوجي موضوعًا مهمًا في الفيزياء النظرية ، وتم تطبيقه لأول مرة على توصيف حالات المادة غير العادية في الثمانينيات. يعد تأثير القاعة الكمومية (QHE) أحد الأمثلة حيث أسفرت الأفكار المستمدة من الطوبولوجيا عن رؤى جديدة للظواهر المحيرة في البداية. لوحظ QHE في الأغشية الرقيقة ذريًا. عندما تخضع هذه المواد ، ثنائية الأبعاد بشكل فعال ، لمجال مغناطيسي متغير بسلاسة ، تتغير مقاومتها الكهربائية في خطوات منفصلة. تم الاعتراف بأهمية مثل هذه الحالات الطوبولوجية في فيزياء المادة المكثفة من خلال منح جائزة نوبل للفيزياء لعام 2016 لمكتشفيها.

الآن استخدم فيزيائيو LMU بقيادة البروفيسور إروين فراي نفس المفهوم الطوبولوجي لتوضيح ديناميكيات نظام النموذج البيولوجي. يقول فيليب جيجر ، طالب الدكتوراه في فريق فراي والمؤلف الأول المشترك للدراسة الجديدة بالاشتراك مع يوهانس نيبل: "لقد سألنا عما إذا كانت أنواع انتقالات الطور الطوبولوجي التدريجي المكتشفة في فيزياء الحالة الصلبة يمكن العثور عليها في الأنظمة البيولوجية". كان النظام النموذجي الذي تم اختياره للتحقيق هو النظام الذي استخدمته مجموعة فراي سابقًا للتحقيق في ديناميكيات السكان للنظم البيئية التي تتنافس فيها الأنواع المتنقلة المتنوعة مع بعضها البعض.

العناصر الأساسية المستخدمة لنمذجة هذا النظام هي دورات مقص الورق (RPS) ، وهي عنصر كلاسيكي في نظرية اللعبة. كل من هذه العناصر (أو الاستراتيجيات) يهزم أحد العناصر الأخرى ، لكنه يستسلم للعنصر الثالث. يوضح جايجر: "من هذا النموذج الأساسي ، قمنا ببناء سلسلة تفاعل من خلال ربط العديد من دورات RPS هذه ببعضها البعض". "بالإضافة إلى ذلك ، جعلنا النموذج الأصلي أكثر تجريدية من حيث الشخصية."

في نسختهم المجردة من النموذج ، حيث تتنافس الأنواع مع أقرب جيرانها في علاقات الهيمنة التي تحكمها قواعد RPS ، لاحظ المؤلفون ظهور درجة قوية من الاستقطاب على جانب واحد أو آخر من شبكة التفاعل. بعبارة أخرى ، أصبحت الأنواع في هذه المواقف تهيمن على النظام بأكمله. ما إذا كانت الديناميكيات التطورية للنموذج أدت إلى ذروة الاستقطاب على الجانب الأيسر أو الأيمن من سلسلة التفاعل ، فقد تبين أنها تعتمد فقط على العلاقة الكمية بين معدلي تفاعل فقط ، وكانت الديناميكيات قوية بخلاف ذلك ضد الاضطرابات الصغيرة في نقاط قوة التفاعلات .

بمساعدة الأساليب المستمدة من فيزياء الحالة الصلبة ، تمكن فراي وزملاؤه من تفسير استقطاب الديناميكيات التطورية من حيث المراحل الطوبولوجية ، بحيث يمكن معالجة التغييرات في الاستقطاب بنفس طريقة معالجة انتقالات الطور. يقول فراي: "يُظهر النموذج لأول مرة أن مثل هذه التأثيرات يمكن أن تحدث في علم الأحياء". "يمكن النظر إلى هذه الدراسة على أنها الخطوة الأولى نحو تطبيق مفهوم المراحل الطوبولوجية في النظم البيولوجية. بل إنه من المتصور أنه يمكن للمرء أن يستفيد من المراحل الطوبولوجية في سياق تحليل الشبكات التنظيمية الجينية. كيف يمكن لمثل هذه المراحل يُعد إدراكه تجريبيًا سؤالًا مثيرًا للاهتمام ومهمة صعبة للبحث في المستقبل ".


ما هو الحيوان الذي لديه فم ممتد؟

الكلب مع ست كرات تنس هو مجرد البداية.

يستمتع المسترد الذهبي المسمى فينلي مولوي بالتقاط كرات التنس كثيرًا ، ويمكنه أن يمد فكيه وخديه ليضع ستة في فمه في وقت واحد ، وفقًا لـ موسوعة جينيس العالمية. لا شك أن فينلي فتى طيب ، ولكن كيف يقارن إنجازه بأفواه الحيوانات الأخرى المتمددة؟

بمعنى آخر ، ما هو الحيوان الذي يمتلك فمًا ممتدًا؟ اتضح أنه لا يوجد إجماع علمي على هذه الخاصية الوقحة. ومع ذلك ، هناك بالتأكيد عدد قليل من المتنافسين البارزين.

بعض الحيوانات منها العديد من القوارض وبعضها القرود، بما في ذلك الماندريل ، أكياس قابلة للتمدد في الخدين لتخزين الطعام. الهامستر ربما تكون الخدين أفضل مثال ، مع أكياس قادرة على حمل ما يصل إلى 20 ٪ من وزن جسم الحيوان بالكامل ، وفقًا لـ مهتم بالتجارة.

يمكن أن تمتد أفواه الثعابين إلى أبعد من ذلك ، حيث يمكنها تناول وجبات كاملة في لدغة واحدة ضخمة. على سبيل المثال ، بورمي غير أصلي الثعبان في فلوريدا تمكن من شد فمه بما يكفي لابتلاع ذيل أبيض الغزال كان ذلك أثقل من نفسه ، ذكرت لايف ساينس في عام 2018. ترتبط فكوك الثعبان بأربطة مرنة بدلاً من جماجمها ، والتي تمتد لتلائم فريسة أكبر ، ذكرت Live Science سابقًا. إنها خدعة رائعة ، وقد تكون أفواه الثعابين أكثر مرونة من أي فم آخر على الأرض. ومع ذلك ، في الماء ، تصبح الأشياء أكثر تمددًا.

أكبر الحيوانات على الارض لديها أيضا بعض أفواه تمتد. الحيتان الزرقاء و زعنفة الحيتان و [مدش] أكبر وثاني أكبر الحيوانات الحية على التوالي و [مدش] تنتمي إلى عائلة من الحيتان تعرف باسم rorquals حسب شبكة التنوع الحيواني في جامعة ميشيغان (ADW). يمكن لهذه الحيتان أن تمد أفواهها لتبتلع المياه التي تحتوي على مجموعات كاملة من الفرائس ، مثل الكريل أو الأسماك ، في جرعة واحدة.

قال ألكسندر ويرث ، أستاذ علم الأحياء وباحث الحيتان في كلية هامبدن سيدني في فيرجينيا ، لـ Live Science ، إن أسهل طريقة للحيوانات لالتقاط الفريسة المعلقة في الماء هي أخذ الماء إليها أيضًا ، من خلال توسيع المساحة داخل أفواهها. "الحيتان تفعل هذا على نطاق رائع. إنها تسحب كميات هائلة من الماء حتى تتحول من مخلوق نحيف وأنيق إلى شيء يشبه الشرغوف مع ذيل صغير من الخلف."

وفقًا لـ Werth ، تمتلك Rorquals أخاديدًا قابلة للتمدد ، تسمى ثنيات الحلق ، والتي تمتد على طول الطريق من فكها إلى أسفل السرة (زر البطن) لمساعدتها على الاحتفاظ بالماء. وقال إن الحيتان الزرقاء يمكن أن تحتوي على أكثر من 26000 جالون (100000 لتر) من الماء في المرة الواحدة.

قال ويرث: "إذا كان بإمكانك تخيل زجاجة 1 لتر [0.2 جالون] من الماء أو الصودا ، ثم تخيل 100000 من هؤلاء. إنه أمر محير للعقل ، إنه يذهل كمية الماء". يزداد حجم الماء الذي يمكن لهذه الحيوانات الاحتفاظ به مع زيادة طول الجسم كمكعب ، وليس مربعًا ، وبالتالي يمكن أن تبتلع الحيتان الأطول كمية من الماء بشكل غير متناسب أكثر من الحيتان الأقصر ، وفقًا لـ Werth. "أود أن أقول إن الحيتان الزرقاء والحيتان ذات الزعانف الكبيرة لا تبتلع فقط معظم الماء [من أي حيوان حي] ، ولكن من المحتمل أن يكون لديها أفواه ممتدة."

قارن ويرث بين تغذية حشيشة الملاك وكيس بجعة و [مدش] فم حيوان آخر يستحق الأوسمة. يمتلك طيور البجع قطعة مطاطية من الجلد تحت منقارها يستخدمها في التقاط الأسماك من الماء. البجع البني (Pelecanus occidentalis) يمكنها استيعاب ما يصل إلى 3 جالون (11 لترًا) من الماء في أكياسها ، وفقًا لـ ADW. هذا أكبر بثلاث مرات مما يمكن أن يحمله البجع في بطونهم.

كيس البجع مرن بدرجة كافية لتغطية بعض جسم الطائر عند تمدده. يبدو هذا الامتداد غريبًا جدًا ، فهناك ميمي على وسائل التواصل الاجتماعي يزعم أن طيور البجع يمكنها إخراج أشواكها من أفواهها لتبرد. في الواقع ، فإن أعناقهم تضغط فقط على الجلد المترهل من جيوبهم ، وفقًا لـ التحقق من صحة وكالة فرانس برس.

ألهمت أكياس البجع اسم الحيوان الأخير في هذا اللغز و [مدش] ثعبان البحر أو ثعبان البحر gulper (يوريفارنكس بيليكانويدس). يمكن أن يُنظر إلى ثعابين البجع على أنها مزيج من كل ما حدث حتى الآن ، مع أجسام تشبه الثعابين ، وتقنيات تغذية تشبه الحيتان وجلد يشبه الجراب قادر على التمدد في كل اتجاه تقريبًا.

تعيش ثعابين البجع في أعماق المحيط وقد تم تسجيلها على عمق 9800 قدم (3000 متر) تحت السطح ، وفقًا لـ المتحف الاسترالي. فى السنوات الاخيرة، باحثو أعماق البحار التقطت بعض مقاطع الفيديو المذهلة حقًا لرؤوس ثعبان البحر وهي تتوسع إلى أضعاف حجمها الطبيعي.

لا توجد تقديرات رسمية ، ولكن يبدو أن الفيديو أدناه يوضح أنه في حالة واحدة ، وسع ثعبان البحر فمه إلى أكثر من خمسة أضعاف حجمه الأصلي.

قال ديفيد سميث ، باحث مشارك وأخصائي ثعبان البحر في متحف سميثسونيان الوطني للتاريخ الطبيعي في واشنطن العاصمة ، لـ Live علم.

من المحتمل أن تمتص ثعابين البجع فريستها بكميات كبيرة من الماء ، ولكن لا يُعرف سوى القليل عن حياتها اليومية ، وفقًا لما ذكره سميث. "نحن لا نعرف الكثير عن سلوك هذه الأشياء ، وتفاعلهم الاجتماعي ، وسلوكهم في التزاوج ، ونحن لا نعرف أي شيء عن ذلك ، لذلك نحن نوعا ما نطير هنا عمياء."

وأضاف سميث أن هناك الكثير مما لا نفهمه عن المحيط بشكل عام ، وما زلنا لا نعرف جميع الأنواع التي تعيش فيه. لذلك ، ضع في اعتبارك أن ثعبان البحر البجع عنصر نائب لأطول فم الحيوان بينما يواصل العلماء دراسة وتصنيف الحياة على الأرض.


خنفساء الروث ليست فقط أقوى حشرة في العالم ولكنها أيضًا أقوى حيوان على هذا الكوكب مقارنة بوزن الجسم. يمكنهم سحب 1141 ضعف وزن أجسامهم. هذا يعادل شخصًا عاديًا يسحب ست حافلات ذات طابقين مليئة بالناس. الآن هذا قوي!

اختر تصنيف

تحقق من أفضل 10 قوائم أخرى لدينا:

من خلال الاستمرار في استخدام الموقع ، فإنك توافق على استخدام ملفات تعريف الارتباط. مزيد من المعلومات قبول


ما هو الحيوان الذي يحتوي على أكبر عدد من الثقوب الطوبولوجية؟ - مادة الاحياء

هيتيرا أنواع فراشة clearwing. الائتمان: آرون بوميرانتز

درس فريق بقيادة علماء المختبر البيولوجي البحري (MBL) تطور أحد هذه الأنواع ، الفراشة ذات الجناح الزجاجي ، جريتا اوتولنرى من خلال أسرار تقنية التخفي الطبيعية هذه. تم نشر عملهم في مجلة البيولوجيا التجريبية.

على الرغم من أن الهياكل الشفافة في الحيوانات راسخة ، إلا أنها تظهر في كثير من الأحيان في الكائنات المائية. "إنه سؤال بيولوجي مثير للاهتمام لأنه لا يوجد الكثير من الكائنات الحية الشفافة على الأرض ،" يلاحظ المؤلف الرئيسي آرون بوميرانتز ، مرشح الدكتوراه في علم الأحياء التكاملي بجامعة كاليفورنيا ، بيركلي. "لذلك طرحنا السؤال ، ما هو الأساس التطوري الفعلي لكيفية صنع أجنحتهم الشفافة؟"

تشتهر أجنحة الفراشة بأنماطها الملونة ، التي تم إنشاؤها بواسطة المقاييس الكيتينية الدقيقة والمتداخلة التي تعكس أو تمتص أطوال موجية مختلفة من الضوء لإنتاج الألوان. يقول بوميرانتز إنه على الرغم من دراسة تلوين المقياس بشكل مكثف ، إلا أن التحقيق في الأصول التطورية للشفافية في الفراشات الأرضية لم يتم من قبل. يقول: "الشفافية نوع من عكس اللون".

استلهم بومرانتز والمؤلفون المشاركون ، بما في ذلك مستشاره للدكتوراه ومدير MBL نيبام باتيل ، من عمل الطلاب في دورة علم الأجنة MBL ، والتي يدرس فيها باتيل. "قررت إحضار بعض أنواع الفراشات والعث الشفافة التي كانت لدي في مجموعتي ، والتي لم ألق نظرة عليها بالتفصيل مطلقًا ، إلى الدورة التدريبية وتقديمها كتحدي للطلاب للنظر في كيفية شفافية هذه الأجنحة ،" يقول باتيل: "أخذت مجموعة من الطلاب ذلك من خلال تصوير الأجنحة بمجاهر مختلفة. وأدركوا أنه بأي طريقة يمكنك التفكير بها لجعل الجناح شفافًا ، اكتشفت بعض الفراشات أو العثة كيفية القيام بذلك. هذا ما جعلنا ننظر بمزيد من التفصيل في تطوير الشفافية ".

بناءً على هذا العمل ، استخدم الباحثون المجهر الإلكتروني المتحد البؤر والمسح الضوئي لإنشاء مقياس زمني تطوري لكيفية ظهور الشفافية في غريتا اوتو، من مرحلة العذراء إلى مرحلة البلوغ. ووجدوا أن أجنحة فراشة الجناح الزجاجي تتطور بشكل مختلف عن الأنواع المعتمة ، مع كثافة أقل من خلايا مقياس السلائف في المناطق التي ستتطور لاحقًا لتصبح شفافة. في مرحلة مبكرة جدًا ، اختلف نمو المقاييس والأشكال ، مع وجود قشور رفيعة تشبه الشعيرات تتطور في مناطق شفافة ومورفولوجيا مسطحة ومستديرة داخل مناطق معتمة.

فراشة الجناح الزجاجي (غريتا اوتو)، جسم كامل. الائتمان: آرون بوميرانتز

مجموعة من Cithaerias و هيتيريني الأنواع clearwing. الائتمان: نيبام باتيل

"ماذا او ما غريتا اوتو هو عمل مقاييس أقل وجعلها في أشكال مختلفة جدًا تشبه الشعر الخشن ، "يشرح باتيل." لكن إخراج المقاييس بعيدًا عن الطريق ليس سوى جزء من مشكلة خلق الشفافية. قدم آرون أيضًا سلسلة من الملاحظات حول الهياكل النانوية على الجناح التي تمنع الوهج في ضوء الشمس الساطع.

عندما يصطدم الضوء بهذه المصفوفات الصغيرة من الهياكل النانوية ، فإنه لا ينعكس - بل يمر مباشرة من خلالها. وهذا يعطي شفافية أفضل بكثير.

يقول باتيل: "كبشر ، نعتقد أننا بارعون جدًا لأننا اكتشفنا كيفية وضع طلاء مضاد للوهج على الزجاج ، لكن الفراشات اكتشفت ذلك منذ عشرات الملايين من السنين".


تم تصوير فراشات Clearwing في بيرو والإكوادور. الائتمان: آرون بوميرانتز

مقاييس الأجنحة والبنى النانوية غير العادية ليست سوى جزء من القصة. توجد طبقة ثانية من الدعامات النانوية للهيدروكربونات الشمعية فوق سطح الجناح ، مما يوفر المزيد من الخصائص المضادة للانعكاس. قام الباحثون بفحص انعكاسية الأجنحة قبل وبعد إزالة الطبقة الشمعية بالهكسان.

يقول بوميرانتز: "قمنا بقياس كمية الضوء التي تنعكس عن الجناح". "أظهرت تلك التجارب أن تلك الطبقة العليا كانت مهمة جدًا للمساعدة في تقليل هذا الوهج." أظهر التحليل البيوكيميائي أن الطبقة الشمعية تتكون في الغالب من سلسلة طويلة ن- ألكانات مشابهة لتلك الموجودة في أنواع الحشرات الأخرى. "يُعتقد في المقام الأول أنها شيء يساعد على منع الحشرة من الجفاف أو الجفاف. ولكن في هذه الحالة ، يبدو أنها تستخدم لهذه الخصائص المضادة للوهج أيضًا."

فراشة الجناح الزجاجي (غريتا اوتو) على الملاحظات. الائتمان: آرون بوميرانتز

جريتا اوتو شرنقة. الائتمان: آرون بوميرانتز

قد تتضمن اتجاهات البحث المستقبلية الخوض بشكل أعمق في كيفية تطور هذه الهياكل الشفافة. يشير بوميرانتز إلى أنه "إذا تمكنا من معرفة المزيد حول كيفية إنشاء الطبيعة لأنواع جديدة من الهياكل النانوية ، فقد يكون ذلك مفيدًا جدًا للتطبيقات البشرية". يعمل العمل على جعل أسرار الشفافية الطبيعية أقل غموضًا إلى حد كبير.

صورة الصفحة الرئيسية: فراشة جناح زجاجي تتغذى على الزهور في كوستاريكا. تسمح الشفافية الرائعة لهذه الفراشات بأن تكون "غير مرئية" ، ويساعد الطلاء المضاد للتوهج لأجنحتها على منع توهج أجنحتها من أي وهج لأشعة الشمس. الائتمان: نيبام باتيل

الاقتباس: آرون إف. ياء إكسب. بيول.، DOI: 10.1242 / jeb.237917

ال مختبر الأحياء البحرية (MBL) مكرس للاكتشاف العلمي - استكشاف علم الأحياء الأساسي ، وفهم التنوع البيولوجي البحري والبيئة ، وإبلاغ الحالة البشرية من خلال البحث والتعليم. تأسست MBL في وودز هول ، ماساتشوستس عام 1888 ، وهي مؤسسة خاصة غير ربحية وتابعة لـ جامعة شيكاغو.

معرض جديد يسلط الضوء على إرث القيادة في MBL

يعيد التوجيه إلى https://www.mbl.edu/legacy-of-leadership/.

تحبس الأهوار الملحية اللدائن الدقيقة في رواسبها ، مما يؤدي إلى تسجيل استخدام الإنسان للبلاستيك

الاتصال: ديانا كيني ، [email protected] 508-289-7139

الفصل الدراسي في العلوم البيئية (SES) تستعد الطالبة كلير ماكجواير لأخذ عينة من الرواسب الأساسية في Waquoit Bay ، ماساتشوستس.

ثقب الخشب ، الكتلة - البلاستيك في كل مكان. من الهواتف المحمولة إلى الأقلام والسيارات إلى الأجهزة الطبية ، فإن العالم الحديث مليء بالنفايات البلاستيكية والبلاستيكية. وجد بحث جديد أجراه علماء في مركز النظم البيئية للمختبر البيولوجي البحري (MBL) أن بعض هذه النفايات البلاستيكية تتراكم في المستنقعات الملحية منذ عقود. تم نشر الدراسة في التقدم البيئي.

المستنقعات المالحة هي الرابط بين الأرض والأنظمة البيئية للمحيطات المفتوحة ، و- بطريقة ما- بين البيئات الحضرية والمحيطات البرية. تميل اللدائن الدقيقة (جزيئات بلاستيكية أصغر من 5 ملليمترات) إلى الطفو على سطح الماء ، لكن المستنقعات المالحة تملأ وتفرغ مع المد والجزر ، لذا فإن الجزيئات التي تطفو عادة تحاصر داخل الفروع والجذور وتستقر في تربة المستنقعات.

تتراكم الرواسب في طبقة المستنقعات الملحية بعد طبقة ، مثل حلقات الأشجار ، مع الاحتفاظ بسجل تاريخي للترسيب داخل النظام البيئي. يقول Javier Lloret ، عالم أبحاث MBL والمؤلف الأول المشارك في الورقة: "من خلال تراكم الرواسب ، فإنها تحتفظ بسجل في الوقت المناسب".

على الصعيد العالمي ، يقدر العلماء أن حوالي 8 ملايين طن من البلاستيك تدخل المحيط كل عام. ولكن حتى الآن ، لا يوجد تقدير لكمية هذا البلاستيك المحاصر في النظم البيئية للأهوار الملحية.

من خلال أخذ عينات أساسية من رواسب المستنقعات في ستة مصبات مختلفة للأنهار في نظام خليج Waquoit في كيب كود ، بالإضافة إلى ميناء نيو بيدفورد ، ماساتشوستس ، تمكن الباحثون من تتبع وفرة المواد البلاستيكية الدقيقة التي يعود تاريخها إلى عقود في مناطق ذات تباين شديد. درجات استخدام الأراضي.

يقول Lloret: "مع تقدمك في الماضي ، تتناقص كمية المواد البلاستيكية الدقيقة التي تجدها بوضوح". "ترتبط كمية المواد البلاستيكية الدقيقة التي تجدها في الرواسب بأعداد السكان ... ولكن أيضًا بكمية البلاستيك التي يستخدمها الناس."

عينة أساسية من الرواسب من نيو بيدفورد هاربور ، ماساتشوستس مع حطام بلاستيكي دقيق (بقع زرقاء) مرئية بوضوح. الائتمان: ميريام ريتشي

"خليج Waquoit هو نظام مستنقعات ملحي مثالي لدراسة التلوث البلاستيكي لأننا نستطيع مقارنة منطقة واحدة تكاد تكون نقية ... مع منطقة أخرى متأثرة بشدة بالنشاط البشري" ، كما يقول رت بيدروسا-باميس ، وهو أيضًا عالم أبحاث في MBL وشريك المؤلف الأول على الورق. "وجدنا مجموعة واسعة من التلوث البلاستيكي."

ركز الباحثون على نوعين من التلوث باللدائن الدقيقة: الشظايا (من تكسر القطع البلاستيكية الكبيرة) والألياف (اللدائن الشبيهة بالخيوط التي تميل إلى التخلص من الملابس ومعدات الصيد). ووجدوا أن التلوث الجزئي زاد بمرور الوقت ومع التحضر. كلما زاد عدد سكان المنطقة المحيطة بموقع التجميع ، زاد عدد الأجزاء البلاستيكية التي لاحظها الباحثون.

كانت إحدى المفاجآت في البيانات أن تركيز اللدائن الدقيقة في الرواسب لم يكن خطيًا مع نمو التحضر. ما يصل إلى 50 ٪ من التنمية ، لم يتغير تركيز شظايا اللدائن الدقيقة نسبيًا ، ولكن بمجرد احتلال الأرض بنسبة 50 ٪ ، نما عدد الجسيمات البلاستيكية بشكل كبير.

تم جمع جزيئات بلاستيكية دقيقة من عينة لب الرواسب في منطقة نهر تشايلدز في خليج واكويت ، بولاية ماساتشوستس ، بتكبير 0.38 ×. الائتمان: ميريام ريتشي ، طالبة SES.

يقول لوريت: "لن يتغير عدد قليل فقط من الناس في المنطقة المحيطة كثيرًا ، ولكن عندما تشغل الاستخدامات الحضرية أكثر من 50٪ من الأرض ، فإن عدد اللدائن الدقيقة يصبح مجنونًا".

لم يكن للألياف البلاستيكية الدقيقة نفس العلاقة مع التحضر. يقول Pedrosa-Pàmies: "حتى في المناطق الأكثر نقاءً التي لا يوجد فيها تحضر ، نجد تلوثًا من الألياف البلاستيكية".

يعمل طلاب دورة MBL SES معًا لاستخراج عينة من الرواسب الأساسية من المستنقع.

يعتقد الباحثون أن الشظايا لها أصل محلي (الأشخاص الذين يستخدمون المواد البلاستيكية ويتخلصون منها في المكان الذي يعيشون فيه) بينما يمكن نقل الألياف لمسافات طويلة عن طريق الهواء أو الماء من مناطق حضرية واسعة النطاق.

يقول Lloret: "عندما بدأنا ، لم نكن نعرف ما إذا كانت المواد البلاستيكية الدقيقة تمثل مشكلة هنا في Cape Cod أم لا. لم يقم أحد بتحليل رواسب المستنقعات في Cape Cod بحثًا عن الجسيمات البلاستيكية الدقيقة".

الآن وقد أظهر العلماء أن هناك تلوثًا دقيقًا من البلاستيك في مستنقعات الملح في نيو إنجلاند ، فإن الخطوة التالية هي اكتساب المزيد من التبصر. كيف تصل هذه الجسيمات إلى النظام البيئي؟ ما هي المصادر؟ كيف تؤثر على النظام البيئي والشبكة الغذائية للكائنات الحية التي تعيش هناك؟

تقول بيدروسا باميس: "لا يزال هناك الكثير من الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها". "هذه هي الخطوة الأولى للإدارة أيضًا."

نبع هذا العمل من مشروع بحثي للطلاب 2018 في برنامج MBL للفصل الدراسي في العلوم البيئية (SES). كما شارك طلاب من برامج MBL الأخرى في تحليل مستمر لجمع العينات ، بما في ذلك SES ، والخبرات البحثية التي ترعاها مؤسسة العلوم الوطنية للطلاب الجامعيين ، وبرنامج Jeff Metcalf الصيفي للتدريب من جامعة شيكاغو.

Lloret ، J. * ، Pedrosa-Pamies ، R. * ، Vandal ، N. ، Rorty ، R. ، Ritchie ، M. ، McGuire ، C. ، Chenoweth ، K. ، & amp Valiela ، I. (2021). تعمل رواسب مستنقعات الملح بمثابة أحواض للجسيمات البلاستيكية وتكشف عن آثار التغيرات الحالية والتاريخية في استخدام الأراضي. التقدم البيئي ، 4 ، 100060. DOI: 10.1016 / j.envadv.2021.100060 (* يشترك هؤلاء المؤلفون في التأليف الأول)

ال مختبر الأحياء البحرية (MBL) مكرس للاكتشاف العلمي - استكشاف علم الأحياء الأساسي ، وفهم التنوع البيولوجي والبيئة ، وإبلاغ الحالة البشرية من خلال البحث والتعليم. تأسست MBL في وودز هول بولاية ماساتشوستس عام 1888 ، وهي مؤسسة خاصة غير ربحية وتابعة لجامعة شيكاغو.

بدأت MBL الاختبار الأول لزراعة الأعشاب البحرية الاستوائية لإنتاج الوقود الحيوي

غواص يقيس حجم مجموعة مزروعة حديثًا Eucheumatopis isiformis، وهو من الأعشاب البحرية الحمراء موطنه منطقة البحر الكاريبي. سيقوم فريق البحث بمراقبة الطحالب خلال زراعتها لتحديد الظروف البيئية والعمليات الزراعية التي تؤدي إلى نمو الطحالب وتكوينها الأمثل. الائتمان: لوريتا روبرسون

وودز هول ، ماساتشوستس ، ولابارجيرا ، العلاقات العامة - قام فريق من الباحثين بقيادة لوريتا روبرسون ، العالمة المشاركة في المختبر البيولوجي البحري ، وودز هول ، بتركيب أول مزرعة للأعشاب البحرية في بورتوريكو والمياه الاستوائية في الولايات المتحدة.

تعزز مجموعة الأبحاث تصميم وتطوير نظام للزراعة البحرية للأعشاب البحرية الاستوائية لدعم الإنتاج على نطاق واسع من الكتلة الحيوية للوقود الحيوي والمنتجات الحيوية الأخرى القيمة.

تتمتع بورتوريكو بدرجات حرارة دافئة مستقرة ووفرة من أشعة الشمس على مدار العام ، فضلاً عن مدى واسع من التعرض للرياح والأمواج السائدة. تجعل هذه الظروف ساحلها الجنوبي مكانًا مثاليًا للاختبار لاستكشاف كيفية تأثير الظروف البيئية على الخصائص البيولوجية والفسيولوجية والكيميائية للطحالب الكبيرة المزروعة ، فضلاً عن تأثير مزارع الأعشاب البحرية على البيئة المحيطة ، كما يقول روبرسون ، الباحث الرئيسي الرئيسي في هذا الجهد البحثي. يتم اختبار مزارع إضافية في فلوريدا وبليز لتقييم قابلية التوسع.

نظرًا لأن الموقع هو الأول من نوعه في المنطقة ، فقد كانت هناك حاجة إلى تصاريح من العديد من الوكالات بما في ذلك فيلق مهندسي الجيش الأمريكي وخفر السواحل الأمريكي وإدارة بورتوريكو للموارد الطبيعية والبيئية.

يقول روبرسون: "إن تسهيل البحث من هذا النوع سيكون عاملاً رئيسياً في تنمية تربية الأحياء المائية المستدامة في هذا المجال". "لقد اختبرنا تصميمات مزارع مماثلة في نيو إنجلاند وألاسكا ، ولكن هذا سيكون أول اختبار للمجموعة في المياه الاستوائية الدافئة حيث نتوقع معدلات تلوث أعلى من الكائنات البحرية الأخرى ، والأضرار الناتجة عن الأشعة فوق البنفسجية ، والتهديدات من الأعاصير." على عكس استزراع عشب البحر ، الذي عادة ما يكون موسميًا ، يمكن أن تدعم استزراع الأعشاب البحرية الاستوائية الحصاد على مدار العام.

يضم فريق البحث خبراء في تصميم أنظمة مزارع المحيطات ، ونمذجة ديناميكيات المغذيات في أنظمة المحيطات ، وتقييم الأثر البيئي وإشراك أصحاب المصلحة ، والتحليل الاقتصادي.

ينتسب أعضاء الفريق إلى 16 منظمة إضافية: نظام مراقبة المحيطات الساحلية لمنطقة البحر الكاريبي ، وجامعة بورتوريكو ماياجويز ، وجامعة بورتوريكو ريو بيدراس ، ومعهد وودز هول لعلوم المحيطات ، وسي. Goudey & amp Associates، Tend Ocean، University of Connecticut Stamford، Cascadia Research Collective، Center for Research and Advanced Studies of National Polytechnic Institute Merida، Makai Ocean Engineering، Pacific Northwest National Laboratory، Rutgers، The Nature Conservancy، Two Docks Shellfish LLC، University من كاليفورنيا ايرفين وجامعة كاليفورنيا سانتا باربرا.

ديفيد بيلي (معهد وودز هول لعلوم المحيطات) ولوريتا روبرسون (MBL) يستعدان للغوص في موقع مزرعة الأعشاب البحرية قبالة بورتوريكو. سيقوم الغواصون بإجراء مراقبة بيئية متكررة وتقييمات روتينية للمعدات طوال فترة المشروع. الائتمان: دومينيك مانجانيلي

يستهدف الباحثون حاليًا الطحالب الحمراء ذات القيمة التجارية eucheumatoid الأنواع ، التي تزرع بشكل أساسي في شرق إفريقيا وآسيا. حتى الآن ، كان من الصعب نشر eucheumatoids بطريقة فعالة من حيث التكلفة ، وقد اقتصر الإنتاج على المناطق التي يسهل الوصول إليها بالقرب من الشاطئ. بالإضافة إلى تطوير أفضل الطرق لزراعة هذه الأنواع في البيئات البحرية ، يسعى فريق المشروع إلى زيادة تحديد خدمات النظام البيئي المرتبطة بأنشطة الزراعة. من المحتمل أن تشمل هذه توفير الموائل لمجموعة متنوعة من الأنواع البحرية وتحسين جودة المياه من خلال إزالة المغذيات الزائدة وتقليل درجة الحموضة.

كليف جودي ودومينيك مانجانيلي من C.A. Goudey & amp Associates / Tend Ocean ، لنقل المراسي والخط والعوامات المستخدمة في مزرعة الأعشاب البحرية قبالة بورتوريكو. الائتمان: لوريتا روبرسون

تلقت MBL تمويلًا لهذا البحث من برنامج موارد الطاقة (MARINER) التنافسي التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (ARPA-E) التنافسي لأبحاث الطحالب الكبيرة. يسعى برنامج MARINER إلى تطوير الأدوات لتمكين الولايات المتحدة من أن تصبح منتجًا رائدًا للطحالب الكبيرة ، مما يساعد على تحسين أمن الطاقة والقدرة التنافسية الاقتصادية للولايات المتحدة.

للحصول على معلومات إضافية حول MBL وهذا المشروع ، يرجى زيارة: mbl.edu/tropical-seaweed/.

ال مختبر الأحياء البحرية (MBL) مكرس للاكتشاف العلمي - استكشاف علم الأحياء الأساسي ، وفهم التنوع البيولوجي والبيئة ، وإبلاغ الحالة البشرية من خلال البحث والتعليم. تأسست MBL في وودز هول بولاية ماساتشوستس عام 1888 ، وهي مؤسسة خاصة غير ربحية وتابعة لجامعة شيكاغو.

تعلن MBL عن زمالات مركز ويتمان والمحققين المهنيين في وقت مبكر

معمل Rowe التابع لـ MBL ، حيث توجد العديد من معامل مركز ويتمان. الائتمان: توم كلايندينست

بسبب القيود المتعلقة بـ COVID-19 ، تم تأجيل جميع زملاء ويتمان 2020 تقريبًا والمحققين المهنيين الأوائل حتى هذا العام.

يقول ديفيد مارك ويلش ، مدير الأبحاث في MBL: "بعد قيود العام الماضي ، يسعدنا الترحيب بزملاء ويتمان هذا العام". "سحر MBL هو قدرتها على الجمع بين الناس وتزويد العلماء بالمكان والوقت والإلهام لمتابعة أبحاثهم."

في عام عادي ، يجتمع ما يقرب من 300 من الباحثين الرئيسيين والموظفين وشركاء الأبحاث من المؤسسات في جميع أنحاء العالم في مركز ويتمان ، مما يوفر لهم بيئة لا مثيل لها للتعاون. يوفر MBL الوصول إلى مجموعة متنوعة من الكائنات البحرية وغيرها من الكائنات للبحث ، وأحدث الأجهزة ، وتقنيات وأبحاث التصوير المبتكرة ، وتسلسل الجينوم ، ومرافق المختبرات الحديثة.

نظرًا لإرشادات التباعد الاجتماعي المستمرة ، تستضيف MBL حوالي ثلثي العدد المعتاد من محققي ويتمان هذا الصيف.

يتفاعل علماء مركز ويتمان على نطاق واسع مع بيئة البحث الديناميكية والإبداعية في MBL ، والتي تشمل العلماء المقيمين وأعضاء هيئة التدريس والطلاب والمحاضرين الدوليين الذين يشاركون في دورات التدريب على البحث المتقدم لـ MBL.

باستخدام مجموعة واسعة من كائنات البحث التجريبية ، من شقائق النعمان البحرية إلى روبينز البحر والعديد من الكائنات الحية بينهما ، يتابع ويتمان Fellows لهذا العام مجموعة متنوعة من الأسئلة البحثية الأساسية المتعلقة ببيولوجيا الخلية والتصوير وعلم الأعصاب والنمذجة والتجديد والتطوير والتطور ، علم الجينوم ، والبيولوجيا البحرية والتنوع ، والميكروبيوم ، وأكثر من ذلك.

يأتي العديد من زملاء 2021 إلى MBL لأول مرة لإطلاق مشاريع جديدة وسيواصل آخرون البحث الذي تم إنشاؤه في مركز ويتمان في السنوات السابقة.

دودة البلوط (Saccoglossus kowalevskii) يتم استخدامه ككائن حي من قبل أحد زملاء ويتمان لهذا العام. الائتمان: توم كلايندينست

زملاء ويتمان 2021 ومشاريعهم البحثية المقترحة هم:

كارين كروفورد، كلية سانت ماري بولاية ماريلاند
ما وراء إثبات المفهوم: استخدام تحرير الجينوم CRISPR-Cas9 في Doryteuthis pealeii لطرح أسئلة بيولوجية أساسية مهمة

أندريه فينتون، جامعة نيويورك
التكامل عبر مستويات علم الأحياء لمعرفة كيفية الحفاظ على الذاكرة

سوريش جيسوثاسان، جامعة نانيانغ التكنولوجية
تحقيق في خلية Leydig البرمائية: من المناعة المخاطية إلى بيولوجيا الحفظ

فيرونيكا مارتينيز أكوستا، جامعة الكلمة المتجسد
استقبال ضوئي في Lumbriculus variegatus ، حلقي مائي

جيراردو أندريس مورفيني، جامعة إلينوي في شيكاغو
التأثيرات الخاصة بالمحاور للبروتينات المسببة للأمراض العصبية على الإشارات المستندة إلى كيناز وحركة العضيات

أنتوني موس، جامعة أوبورن
إنشاء نظام موحد وقابل للتكرار لدراسة الانحدار الجغرافي والمزاج في ctenophores

إد مونرو ، جامعة شيكاغو
ديناميات المعدة والعصب في الزقدي
ديناميات سبتين القشرية أثناء الاستقطاب في أجنة C. elegans المبكرة
زميل نيكون

إندو شارما، جامعة هامبتون
شكل وحجم الخلية البكتيرية كاستراتيجية لتجنب الافتراس في البيئة البحرية
مثال: زميل فقط

افا اودفاديا، جامعة ويسكونسن - ميلووكي
توضيح الآليات المحفوظة تطوريًا والتي تنظم تجديد العصب البصري الناجح في أنواع الفقاريات

جيرت جان فينسترا، جامعة رادبود
تطور وتطور أنواع خلايا القلب

تريفور واردل ، جامعة مينيسوتا - توين سيتيز
ترميز مساحة ثلاثية الأبعاد في دماغ رأسيات الأرجل

فيونا واتسونوجامعة واشنطن ولي
تجديد العصب البصري

إليزابيث ويلبانكس ، جامعة كاليفورنيا - سانتا باربرا
الجغرافيا الحيوية للتطور السريع في التعايش البكتيري: إعادة النظر في التوت الوردي

ريكاردو زياس، جامعة ولاية سان دييغو
Functional analysis of the transcription factor COE in the regeneration of the nervous system of the sea anemone Nematostella vectensis

The 2021 Whitman Early Career Investigators are:

Vincent Boudreau, University of California – Berkeley
Stentor pyriformis: a novel cell biological model for uncovering evolutionary mechanics of photosynthetic activity regulation

Amy Herbert, جامعة ستانفورد
Sea robins as a model for evolutionary trait gain in vertebrates

Dragomir Milovaniovic, German Center for Neurogenerative Diseases (DZNE)
Molecular detriments of synaptic vesicle clustering in the nerve terminals

Tetsuto Miyashita, Canadian Museum of Nature
Functions of the “isthmic organizer” and the head-trunk differentiation of the nervous system in a non-chordate deuterostome (hemichordate) Saccoglossus kowalevskii

Christina Zakas, North Carolina State University
Finding the genetic basis of developmental evolution


Discovery: Research at Princeton

Text provided by the Hasan group, Princeton University Department of Physics

An international team led by researchers at Princeton University has uncovered a new class of magnet that exhibits novel quantum effects that extend to room temperature.

The researchers discovered a quantized topological phase in a pristine magnet. Their findings provide insights into a 30-year-old theory of how electrons spontaneously quantize and demonstrate a proof-of-principle method to discover new topological magnets. Quantum magnets are promising platforms for dissipationless current, high storage capacity and future green technologies. The study was published in the journal طبيعة سجية هذا الاسبوع.

The arrows represent the electron spins pointing up from a kagome lattice. The chirality is represented by the counterclockwise circle of fire, which represents the propagating electrons/current on the edge of the magnet. The two cones demonstrate that the bulk of the magnet contains Dirac fermions (linear or conical dispersion of bands) with an energy gap (Chern gap), making it topological.

The discovery’s roots lie in the workings of the quantum Hall effect– a form of topological effect which was the subject of the Nobel Prize in Physics in 1985. This was the first time that a branch of theoretical mathematics, called topology, would start to fundamentally change how we describe and classify matter that makes up the world around us. Ever since, topological phases have been intensely studied in science and engineering. Many new classes of quantum materials with topological electronic structures have been found, including topological insulators and Weyl semimetals. However, while some of the most exciting theoretical ideas require magnetism, most materials explored have been nonmagnetic and show no quantization, leaving many tantalizing possibilities unfulfilled.

“The discovery of a magnetic topological material with quantized behavior is a major step forward that could unlock new horizons in harnessing quantum topology for future fundamental physics and next-generation device research” said M. Zahid Hasan, the Eugene Higgins Professor of Physics at Princeton University, who led the research team.

While experimental discoveries were rapidly being made, theoretical physics excelled at developing ideas leading to new measurements. Important theoretical concepts on 2D topological insulators were put forward in 1988 by F. Duncan Haldane, the Thomas D. Jones Professor of Mathematical Physics and the Sherman Fairchild University Professor of Physics at Princeton, who in 2016 was awarded the Nobel Prize in Physics for theoretical discoveries of topological phase transitions and topological phases of matter. Subsequent theoretical developments showed that topological insulator-hosting magnetism in a special atomic arrangement known as a kagome lattice can host some of the most bizarre quantum effects.

Hasan and his team has been on a decade-long search for a topological magnetic quantum state that may also operate at room temperature since their discovery of the first examples of three dimensional topological insulators. Recently, they found a materials solution to Haldane’s conjecture in a kagome lattice magnet that is capable of operating at room temperature, which also exhibits the much desired quantization. “The kagome lattice can be designed to possess relativistic band crossings and strong electron-electron interactions. Both are essential for novel magnetism. Therefore, we realized that kagome magnets are a promising system in which to search for topological magnet phases as they are like the topological insulators that we studied before,” said Hasan.

For so long, direct material and experimental visualization of this phenomenon has remained elusive. The team found that most of the kagome magnets were too difficult to synthesize, the magnetism was not sufficiently well understood, no decisive experimental signatures of the topology or quantization could be observed, or they operate only at very low temperatures.

“A suitable atomic chemistry and magnetic structure design coupled to first-principles theory is the crucial step to make Duncan Haldane’s speculative prediction realistic in a high-temperature setting,” said Hasan. “There are hundreds of kagome magnets, and we need both intuition, experience, materials-specific calculations, and intense experimental efforts to eventually find the right material for in-depth exploration. And that took us on a decade-long journey.”

Through several years of intense research on several families of topological magnets (طبيعة سجية 562, 91 (2018) Nature Phys 15, 443 (2019), فيز. القس ليت. 123, 196604 (2019), طبيعة كومون. 11, 559 (2020), فيز. القس ليت. 125, 046401 (2020)), the team gradually realized that a material made of the elements terbium, magnesium and tin (TbMn6Sn6) has the ideal crystal structure with chemically pristine, quantum mechanical properties and spatially segregated kagome lattice layers. Moreover, it uniquely features a strong out-of-plane magnetization. With this ideal kagome magnet successfully synthesized at the large single crystal level by collaborators from Shuang Jia’s group at Peking University, Hasan’s group began systematic state-of-the-art measurements to check whether the crystals are topological and, more important, feature the desired exotic quantum magnetic state.

The Princeton team of researchers used an advanced technique known as scanning tunneling microscopy, which is capable of probing the electronic and spin wavefunctions of a material at the sub-atomic scale with sub-millivolt energy resolution. Under these fine-tuned conditions, the researchers identified the magnetic kagome lattice atoms in the crystal, findings that were further confirmed by state-of-the-art angle-resolved photoemission spectroscopy with momentum resolution.

“The first surprise was that the magnetic kagome lattice in this material is super clean in our scanning tunneling microscopy,” said Songtian Sonia Zhang, a co-author of the study who earned her Ph.D. at Princeton earlier this year. “The experimental visualization of such a defect-free magnetic kagome lattice offers an unprecedented opportunity to explore its intrinsic topological quantum properties.”

The real magical moment was when the researchers turned on a magnetic field. They found that the electronic states of the kagome lattice modulate dramatically, forming quantized energy levels in a way that is consistent with Dirac topology. By gradually raising the magnetic field to 9 Tesla, which is hundreds of thousands of times higher than the earth’s magnetic field, they systematically mapped out the complete quantization of this magnet. “It is extremely rare — there has not been one found yet — to find a topological magnetic system featuring the quantized diagram. It requires a nearly defect-free magnetic material design, fine-tuned theory and cutting-edge spectroscopic measurements” said Nana Shumiya, a graduate student and co-author of the study.

Graduate student Nana Shumiya, Professor M. Zahid Hasan, Postdoctoral Research Associate Jia-Xin Yin and Graduate Student Yuxiao Jiang. Photo by Zijia Cheng

The quantized diagram that the team measured provides precise information revealing that the electronic phase matches a variant of the Haldane model. It confirms that the crystal features a spin-polarized Dirac dispersion with a large Chern gap, as expected by the theory for topological magnets. However, one piece of the puzzle was still missing. “If this is truly a Chern gap, then based on the fundamental topological bulk-boundary principle, we should observe chiral (one-way traffic) states at the edge of the crystal,” Hasan said.

The final piece fell into place when the researchers scanned the boundary or the edge of the magnet. They found a clear signature of an edge state only within the Chern energy gap. Propagating along the side of the crystal without apparent scattering (which reveals its dissipationless character), the state was confirmed to be the chiral topological edge state. Imaging of this state was unprecedented in any previous study of topological magnets.

The researchers further used other tools to check and reconfirm their findings of the Chern gapped Dirac fermions, including electrical transport measurements of anomalous Hall scaling, angle-resolved photoemission spectroscopy of the Dirac dispersion in momentum space, and first-principles calculations of the topological order in the material family. The data provided a complete spectrum of inter-linked evidence all pointing to the realization of a quantum-limit Chern phase in this kagome magnet. “All the pieces fit together into a textbook demonstration of the physics of Chern-gapped magnetic Dirac fermions,” said Tyler A. Cochran, a graduate student and co-first author of the study.

Now the theoretical and experimental focus of the group is shifting to the dozens of compounds with similar structures to TbMn6Sn6 that host kagome lattices with a variety of magnetic structures, each with its individual quantum topology. “Our experimental visualization of the quantum limit Chern phase demonstrates a proof-of-principle methodology to discover new topological magnets,” said Jia-Xin Yin, a senior postdoctoral researcher and another co-first author of the study.

“This is like discovering water in an exoplanet – it opens up a new frontier of topological quantum matter research our laboratory at Princeton has been optimized for,” Hasan said.

The study, “Quantum-limit Chern magnetism in TbMn6Sn6,” by Jia-Xin Yin, Wenlong Ma, Tyler A. Cochran, Xitong Xu, Songtian S. Zhang, Hung-Ju Tien, Nana Shumiya, Guangming Cheng, Kun Jiang, Biao Lian, Zhida Song, Guoqing Chang, Ilya Belopolski, Daniel Multer, Maksim Litskevich, Zi-Jia Cheng, Xian P. Yang, Bianca Swidler, Huibin Zhou, Hsin Lin, Titus Neupert, Ziqiang Wang, Nan Yao, Tay-Rong Chang, Shuang Jia and M. Zahid Hasan, was published in the journal Nature on July 22, 2020, volume 583, pages 533–536(2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2482-7.


A Clever Robot Spies on Creatures in the Ocean's ‘Twilight Zone’

لإعادة مراجعة هذه المقالة ، قم بزيارة ملفي الشخصي ، ثم اعرض القصص المحفوظة.

Photograph: Evan Kovacs/Woods Hole Oceanographic Institution

لإعادة مراجعة هذه المقالة ، قم بزيارة ملفي الشخصي ، ثم اعرض القصص المحفوظة.

The grandest migration on Earth isn’t the journey of some herbivore in Africa or a bird in the sky, but the عمودي movement of whole ecosystems in the open ocean. All kinds of animals, from fish to crustaceans, hang out in the depths during the day, where the darkness provides protection from predators. At night, they migrate up to the shallows to forage. Then they swim back down again when the sun rises—a great big conveyor belt of biomass.

But now a spy swims among them: Mesobot. Today in the journal علوم الروبوتات, a team of engineers and oceanographers describes how they got a new autonomous underwater vehicle to lock onto movements of organisms and follow them around the ocean’s “twilight zone,” a chronically understudied band between 650 feet and 3,200 feet deep, which scientists also refer to as mid-water. Thanks to some clever engineering, the researchers did so without flustering these highly sensitive animals, making Mesobot a groundbreaking new tool for oceanographers.

“It’s super cool from an engineering standpoint,” says Northeastern University roboticist Hanumant Singh, who develops ocean robots but wasn’t involved in this research. “It's really an amazing piece of work, in terms of looking at an area that's unexplored in the ocean.”

Mesobot looks like a giant yellow-and-black AirPods case, only it’s rather more waterproof and weighs 550 pounds. It can operate with a fiber-optic tether attached to a research vessel at the surface, or it can swim around freely.

Mesobot’s first bit of clever engineering is its propulsion system—large, slow-moving propellers that create low-velocity jets. “Why are we so concerned about disturbing the water?” asks Dana Yoerger, a senior scientist at the Woods Hole Oceanographic Institution and lead author on the paper. “Most mid-water animals are extremely sensitive to any hydrodynamic disturbance. Because usually, that's something coming to eat them.” If you’re disturbing these animals, you’re not observing their natural behaviors. (Unless you’re curious about what annoys them.)

The second clever trick ensures that Mesobot doesn’t bother its subjects by blasting them with light. Well, at least not white light. Yoerger and his team opted for a red beam, because it doesn’t penetrate seawater well. “Evolution doesn't waste a lot of capability on stuff that doesn't work very well, so most animals are blind to red light,” says Yoerger. That’s why when you see bioluminescent critters popping off in the deep sea, they’re blue or green. “We use red,” Yoerger continues, “even though red is pretty lousy, because it doesn't go very far. But it doesn't spook the animals as much. And that's pretty well documented. So it's a trade-off: You need a lot of light, you need a sensitive camera, and then you can work in the red.”


These animals have nipples on their butts and that is not the most fascinating thing about them

The tiny, venomous mammal outlived the dinosaurs, but might go extinct due to extreme clumsiness.

Eladio Fernandez Caribbean Nature Photography

If any animal were going to outlive the dinosaurs, you probably wouldn’t guess it’d be this lil shrew-lookin’ dude. Look at it, with its little eyes and almost-creepily-bald snout. Crocodiles, deep-sea sharks—they look like they’ve survived millennia. But this guy? Nah.

But as it turns out, this little solenodon is part of one of the earliest branches of the mammalian family tree, departing from the rest about 74 million years ago. They are also one of the very few existing venomous mammals, and among a small group of animals that survived the human settlement of the Caribbean islands. Most others died off as their environment changed, but solenodons kept scurrying along in their maze of underground tunnels with their mini shovel paws.

But now, the Hispaniola solenodon is in danger of going extinct, so biologists are trying to preserve its genome for study before it disappears forever.

Taras K. Oleksyk, a molecular geneticist at the University of Puerto Rico at Mayagüez, just won the ICG12 GigaScience prize for work he and his colleagues did to provide a rough draft of the solenodon genome. The team published their work in an open access journal so anyone can use the data.

It’s not exactly easy to sequence the genome of a small, elusive population of creatures. For starters, you have to find them.

Solenodons are nocturnal, so during the day (when it would be easiest to spot them), they’re chillin’ below ground in their tunnels. They’re social animals and live in family units consisting of a parental pair and a small group of younguns. They come out at night to hunt insects, worms, snails, and sometimes even mice. Each female has two nipples that are located almost on her butt. That’s not really relevant, but it seems worth noting.

Taras Oleksyk holding a solenodon by the tail to keep it from biting him with its venomous teeth. Courtesy Taras Oleksyk

Until humans showed up, they lived a relaxing life in the moist forests of Hispaniola, never worrying about predators of any kind. And as a result, they never really learned how to run properly. The International Wildlife Encyclopedia notes that “they run on their toes with a stiff ungainly waddle, following an erratic almost zigzag course” and that “when a solenodon is alarmed and tries to put on speed it is as likely as not to trip over its own toes or even tumble head-over-heels.”

That technique is, as you can imagine, fairly ineffective when you’re trying to escape a mongoose or a dog. Ever since humans introduced those animals to the island of Hispaniola, solenodons have been struggling to survive. The IUCN now considers them endangered.

Oleksyk and his team asked two local guides to help them locate the little buggers. Nicolás Corona and Yimell Corona guided the scientists through the forest, looking for tracks, burrows, or droppings during the day and setting up “ambushes” at dawn. The fabled solenodon gait came in handy here, since the paper notes the researchers were able to simply chase down their targets and pick them up by their tails to avoid getting bitten. In less than 10 minutes, a veterinarian was able to draw a small amount of blood from each of the five animals they were able to catch, draw on their tails with a Sharpie, and release the solenodons back into the forest.

Researchers taking a blood sample from a solenodon Courtesy Taras Oleksyk

The problem with only being able to collect a few samples from poorly studied, wild animals is that it’s tough to get high-quality DNA. And without that, it’s challenging to put together a complete genome.

Luckily for these biologists, solenodons are very genetically homogeneous, meaning they have little genetic diversity. It’s a small population that’s lived in isolation for years, so the similarity between any two individual animals is going to be very high. And that means they could pool the samples from the five solenodons they caught into one uber-sample.

Once they had pieced together the genome, the researchers were able to start investigating some of the solenodon’s weird genetic anomalies. Its venom, for example, seems to not be closely related to any other kind of venom, including other mammalian toxins. This shouldn’t be all that surprising, given that their evolutionary branch split off 74 million years ago. Despite how shrew-like they look, solenodons aren’t all that related to shrews, so even though both have venom in their tiny, sharp teeth it makes sense that they would have developed different formulations.

Hopefully there will be many more revelations about these evolutionary survivors now that we’ve sequenced their genome. They are truly a bizarre branch of the mammalian tree, and we could learn more about how an animal from the Cretaceous period managed to stick around for this long. That is, as long as we don’t kill them off first.

Sara Chodoshis an associate editor at PopSci where she writes about everything from vaccine hesitancy to extreme animal sex. She got her master's degree in science journalism at NYU's Science Health and Environmental Reporting Program, and is getting a second master's in data visualization from the University of Girona. Contact the author here.


تباين الجهاز الدوري في الحيوانات

يختلف نظام الدورة الدموية من أنظمة بسيطة في اللافقاريات إلى أنظمة أكثر تعقيدًا في الفقاريات. The simplest animals, such as the sponges (Porifera) and rotifers (Rotifera), do not need a circulatory system because diffusion allows adequate exchange of water, nutrients, and waste, as well as dissolved gases, as shown in Figure 21.3 أ . الكائنات الحية الأكثر تعقيدًا ولكن لا تزال تحتوي على طبقتين فقط من الخلايا في مخطط جسمها ، مثل الهلام (Cnidaria) والهلام المشط (Ctenophora) تستخدم أيضًا الانتشار عبر بشرتها وداخليًا من خلال حجرة الأوعية الدموية المعوية. Both their internal and external tissues are bathed in an aqueous environment and exchange fluids by diffusion on both sides, as illustrated in Figure 21.3 ب . يساعد تبادل السوائل عن طريق نبضات جسم قنديل البحر.

Figure 21.3. الحيوانات البسيطة التي تتكون من طبقة خلية واحدة مثل الإسفنج (أ) أو طبقات قليلة فقط من الخلايا مثل قنديل البحر (ب) ليس لديها جهاز دوري. بدلاً من ذلك ، يتم تبادل الغازات والمغذيات والنفايات عن طريق الانتشار.

بالنسبة للكائنات الأكثر تعقيدًا ، فإن الانتشار ليس فعالًا في تدوير الغازات والمغذيات والنفايات بشكل فعال عبر الجسم ، وبالتالي تطورت أنظمة الدورة الدموية الأكثر تعقيدًا. معظم مفصليات الأرجل والعديد من الرخويات لها أنظمة دوران مفتوحة. في النظام المفتوح ، يدفع القلب النابض الممدود الدملمف عبر الجسم وتساعد تقلصات العضلات على تحريك السوائل. طورت القشريات الأكبر والأكثر تعقيدًا ، بما في ذلك الكركند ، أوعية شبيهة بالشرايين لدفع الدم عبر أجسامها ، وقد طورت الرخويات الأكثر نشاطًا ، مثل الحبار ، نظامًا دوريًا مغلقًا وقادرة على التحرك بسرعة للقبض على الفريسة. تعد أنظمة الدورة الدموية المغلقة من سمات الفقاريات ، ومع ذلك ، هناك اختلافات كبيرة في بنية القلب ودورة الدم بين مجموعات الفقاريات المختلفة بسبب التكيف أثناء التطور والاختلافات المرتبطة بها في علم التشريح. Figure 21.4 illustrates the basic circulatory systems of some vertebrates: fish, amphibians, reptiles, and mammals.

Figure 21.4. (أ) تمتلك الأسماك أبسط أنظمة الدورة الدموية للفقاريات: يتدفق الدم بشكل أحادي الاتجاه من القلب المكون من غرفتين عبر الخياشيم ثم باقي الجسم. (ب) البرمائيات لها مساران للدورة الدموية: أحدهما لتزويد الدم بالأكسجين عبر الرئتين والجلد ، والآخر لنقل الأكسجين إلى باقي الجسم. يُضخ الدم من قلب مكون من ثلاث غرف به أذينان وبطين واحد. (ج) للزواحف أيضًا مساران للدورة الدموية ، ومع ذلك ، لا يتأكسج الدم إلا من خلال الرئتين. يتكون القلب من ثلاث حجرات ، ولكن البطينين منفصلين جزئيًا ، لذلك يحدث بعض اختلاط الدم المؤكسج والدم غير المؤكسج باستثناء التمساحيات والطيور. (د) تمتلك الثدييات والطيور القلب الأكثر كفاءة مع أربع غرف تفصل تمامًا الدم المؤكسج وغير المؤكسج الذي يضخ الدم المؤكسج فقط عبر الجسم والدم غير المؤكسج إلى الرئتين.

As illustrated in Figure 21.4 أ للأسماك دائرة واحدة لتدفق الدم وقلب من غرفتين به أذين واحد وبطين واحد فقط. The atrium collects blood that has returned from the body and the ventricle pumps the blood to the gills where gas exchange occurs and the blood is re-oxygenated this is called gill circulation. The blood then continues through the rest of the body before arriving back at the atrium this is called systemic circulation. ينتج هذا التدفق أحادي الاتجاه للدم تدرجًا مؤكسجًا إلى دم غير مؤكسج حول الدائرة الجهازية للأسماك. والنتيجة هي الحد من كمية الأكسجين التي يمكن أن تصل إلى بعض أعضاء وأنسجة الجسم ، مما يقلل من القدرة الاستقلابية الكلية للأسماك.

In amphibians, reptiles, birds, and mammals, blood flow is directed in two circuits: one through the lungs and back to the heart, which is called pulmonary circulation, and the other throughout the rest of the body and its organs including the brain (systemic circulation). In amphibians, gas exchange also occurs through the skin during pulmonary circulation and is referred to as pulmocutaneous circulation.

As shown in Figure 21.4 ب ، البرمائيات لها قلب مكون من ثلاث غرف به أذينان وبطين واحد بدلاً من قلب الأسماك المكون من غرفتين. الاثنان atria (superior heart chambers) receive blood from the two different circuits (the lungs and the systems), and then there is some mixing of the blood in the heart’s ventricle (inferior heart chamber), which reduces the efficiency of oxygenation. ميزة هذا الترتيب هي أن الضغط المرتفع في الأوعية يدفع الدم إلى الرئتين والجسم. يتم تخفيف الاختلاط عن طريق سلسلة من التلال داخل البطين تقوم بتحويل الدم الغني بالأكسجين عبر الدورة الدموية الجهازية والدم غير المؤكسج إلى الدائرة الجلدية الجلدية. For this reason, amphibians are often described as having double circulation.

Most reptiles also have a three-chambered heart similar to the amphibian heart that directs blood to the pulmonary and systemic circuits, as shown in Figure 21.4 ج . ينقسم البطين بشكل أكثر فعالية عن طريق الحاجز الجزئي ، مما يؤدي إلى تقليل اختلاط الدم المؤكسج والدم غير المؤكسج. بعض الزواحف (التمساح والتماسيح) هي الحيوانات الأكثر بدائية لعرض قلب من أربع غرف. تمتلك التمساحيات آلية دوران فريدة حيث يقوم القلب بنقل الدم من الرئتين نحو المعدة والأعضاء الأخرى خلال فترات طويلة من الغمر ، على سبيل المثال ، بينما ينتظر الحيوان فريسة أو يبقى تحت الماء في انتظار تعفن الفريسة. يتضمن أحدهما تكيّف شريانين رئيسيين يتركان نفس الجزء من القلب: أحدهما يأخذ الدم إلى الرئتين والآخر يوفر طريقًا بديلًا للمعدة وأجزاء أخرى من الجسم. هناك تكيفان آخران يشملان ثقبًا في القلب بين البطينين ، يسمى ثقبة بانيزا ، والتي تسمح للدم بالانتقال من جانب واحد من القلب إلى الجانب الآخر ، ونسيج ضام متخصص يبطئ تدفق الدم إلى الرئتين. جعلت هذه التكيفات معًا التماسيح والتماسيح واحدة من أكثر مجموعات الحيوانات نجاحًا تطوريًا على وجه الأرض.

In mammals and birds, the heart is also divided into four chambers: two atria and two ventricles, as illustrated in Figure 21.4 د . يتم فصل الدم المؤكسج عن الدم غير المؤكسج ، مما يحسن كفاءة الدورة الدموية المزدوجة وربما يكون مطلوبًا لنمط الحياة ذوات الدم الحار للثدييات والطيور. تطور قلب الطيور والثدييات المكون من أربع غرف بشكل مستقل عن قلب مكون من ثلاث غرف. يشار إلى التطور المستقل لنفس أو سمة بيولوجية مماثلة باسم التطور المتقارب.


10 astonishing animal parents

There's more than one way to successfully pass on your genes. Many species don't invest in caring for their offspring at all, simply going for large numbers and leaving it for the strongest few to survive.

Others, however, invest heavily in trying to give their young the best start in life.

Here are 10 animals with truly astonishing parental strategies to ensure the success of the next generation.

1. Weddell seal (Leptonychotes weddellii)

Weddell seals are one of the many species in which mothers must take on the mammoth task of raising babies, and equipping them with essential life stills, single-handedly.

Making this job even tougher, these dedicated parents live around the Antarctic, where conditions are among the most extreme on Earth.

A Weddell seal mother&rsquos extraordinary investment begins with an 11-month pregnancy. Once her baby is born, she must quickly teach it how to survive the Antarctic&rsquos dangerous waters and landscape. At just two weeks old, seal pups are coaxed by their mothers into the water. One essential lesson is learning to navigate the underwater landscape, finding the best air holes to avoid becoming trapped under the ice. And on the ice, mothers teach their babies to use their teeth to open new air holes and to file back existing ones to stop them freezing over.

Mums raise a baby every year in this freezing environment. And, although it is physically draining, she has an extra trick up her sleeve: she provides her baby with milk that consists of 60% fat &ndash the most calorific of any mammal milk &ndash to aid its quick development.

2. Orangutans (Pongo genus)

Orangutan mothers take single parenting to the next level. These highly intelligent apes, found in rainforests of Sumatra and Borneo, look after their young for eight years longer than any other animal single parent.

Female Sumatran orangutans only have a baby once every nine years (they continue to have babies into their 40s), and because they take such a long time to raise each one, mum and baby build exceptionally strong social bonds.

There is much to learn during the eight years mothers care for their young. One vital lesson in a deep forest home is where to find edible fruit and when these treats are ripe and good to eat.

Perhaps the most complex task a young apprentice picks up from its mother is nest building.

Young start to practise at six months old and it takes about three or four years for them to develop the skills to successfully build mattresses for sleeping in the tree tops. Offspring learn by taking interest in their mothers&rsquo nest building and have been seen trying to lend a helping hand.

3. Caecilians (Gymnophiona)

So extreme is some single mums&rsquo dedication to their young&rsquos survival that they are prepared to sacrifice themselves to give their babies a good meal.

Caecilians look like huge worms but are in fact amphibians. They are found in almost every rainforest but these extraordinary animals spend most of their time in underground lairs.

Here, the mother feeds her larvae by letting them lick a secretion at an opening on her body called a &ldquocloaca&rdquo. And in a more gruesome twist, she lets her babies, which have sharp tiny teeth, tear off and eat her fatty, nutrient-rich skin. She re-grows her skin every three days to keep feeding them.

But other self-sacrificing animal mums go even further. A black lace weaver spider mother will switch on her babies&rsquo cannibalistic instinct by pushing down on top of her spiderlings, which then devour her. And a pseudoscorpion mother will similarly sacrifice herself: if she fails to find her babies food, she exposes her juicy joints to allow them to suck their mother dry.

4. Adelie penguin (Pygoscelis adeliae)

When it comes to Herculean parental pair work, Adelie penguin mums and dads are stars of the animal world, making huge efforts to bring up their precious babies in sub-zero Antarctic conditions.

First, males, after returning from a 5,000km (about 3,100 mile) journey since leaving the colony the previous year, must travel over ice to a bare rock nesting site &ndash their eggs would perish on frozen ground. Here they frantically repair their &ldquolove nests&rdquo in anticipation of their long-term mate returning to the site where they have nested year-on-year.

A successful nest must be built using stone piles to keep the egg off the ground. So prized are these stones that some penguins have been seen turning criminal to get rocks from neighbours&rsquo nests.

When the females finally arrive and lay eggs, parents take it in turns to keep their egg continuously incubated: if it is left in the cold for more than five minutes it will never hatch. Mums and dads rotate fishing expeditions until their ravenous babies grow almost as large as them.

Adelie penguin dads are among the hardest working animal fathers &ndash but it&rsquos an all or nothing parental strategy. If the father goes missing, the mother will abandon the nest because it is impossible for her to raise her chick alone.

5. Clownfish (Amphiprioninae)

Clownfish, the starring animal of the animated film about paternal love Finding Nemo, make brilliant parents in real life.

They do this by working together.

Before the arrival of their young, they meticulously clean an anemone to transform it into a perfect nursery, covering their own skin with protective mucus to prevent paralysing anemone stings.

Once the eggs are laid and fertilised, clownfish dads clean them until they hatch, and both parents fan the developing babies with their fins to provide them with a constant supply of oxygen-rich water to increase their chances of survival.

6. Strawberry poison-dart frog (Oophaga pumilio)

Another super parent pair of the animal world is the diminutive strawberry poison dart frog.
After females lay their eggs on the rainforest floor, the finger-nail-sized frog dads keep guard from predators and urinate on them daily to keep them moist.

But the action really starts when the clutch hatches into tiny tadpoles. If they are left together the babies will eat each other. So to keep them all safe, mother frogs transport each and every baby, individually, on her back up into trees to find a safe pool of water in which to deposit them separately.

She then visits each individual nursery pool every day for about 50 days to lay an unfertilised egg in the pools to keep her babies fed. Meanwhile, father frogs continuously guard the territory to stop rivals finding the babies.

7. African elephant (Loxodonta africana)

In elephants, entire family groups bring up the tiniest members of the herd.

African elephants roam savannahs as herds of females, led by a matriarch. Elephants live for up to 70 years and females produce a new calf every three or four years. Their pregnancies are incredibly long &ndash almost 2 years.

In times of danger group parenting comes into its own as all the older elephants form an outward-facing circle when under threat, keeping the vulnerable calf protected in the middle .

Occasionally baby elephants are kidnapped by females from other groups. When this happens, the baby&rsquos entire herd might group together, looking more powerful and threatening, in order to get back their precious cargo.

8. Galápagos sea lion (Zalophus wollebaeki)

Sea lions on the Galápagos Islands have a fail-safe parenting system in place which sees babies well fed, protected, and with plenty of time to play and practise vital life skills.

Groups of up to 30 mothers, often already with &ldquotoddlers&rdquo, give birth on a beach which is under continuous guard by a single male. Mothers are part of his harem but benefit because they have plenty of time to feed. This prime location comes complete with a &ldquonursery pool&rdquo where they can drop off their babies from a week old to play with other pups and be watched over by a rotating cycle of female carers.

Older offspring take to the shallows to practise their hunting skills, especially by teasing the island&rsquos marine iguanas.

9. Caribbean flamingo (Phoenicopterus ruber)

The Caribbean flamingo &ndash the brightest member of the flamingo family also known as the American flamingo &ndash has a unique strategy to ensure its babies have a healthy start.

Both mother and father flamingos feed their little one with red "milk". Now, these birds haven't suddenly grown mammary glands. But flamingos and a few other birds (the others being pigeons and male emperor penguins) can make a nutrient rich substance in a part of their digestive tract called the crop &ndash a muscular pouch near the gullet or throat.

The nutritious liquid is full of fat and protein &ndash just like normal milk. This allows chicks to feed before their bills are ready to filter crustaceans and algae out of the water to eat.

Both sexes can make milk because both male and female produce a hormone called prolactin. And the unusual food contains chemicals which give the baby its pink colouration. The process, meanwhile, leaves its parents pale and washed out.

10. Giant Pacific octopus (Enteroctopus dofleini)

The 4m-long giant Pacific octopus &ndash the largest octopus species in the world &ndash lays and tends to one super brood of about 100,000 eggs.

So dedicated are these mothers to their eggs, carefully caressing them to keep them clean and supplied with oxygen, that they have no chance to feed or look after themselves.

After six months of dedicating themselves solely to safeguarding their eggs, the mothers die once the eggs hatch.

The giant Pacific octopus, however, is not the record holder for dedicated brooding.

One deep-sea octopus was recorded guarding her eggs for four years and five months, in a Pacific Ocean canyon off the Californian coast in the US. The scientists who observed her from a submarine said it was likely she didn&rsquot eat for this entire time.

يمكنك متابعة Michelle Douglass و BBC Earth on Twitter.

Like BBC Earth on موقع التواصل الاجتماعي الفيسبوك and follow us on انستغرام.


شاهد الفيديو: أغرب 10 حيوانات هجينة في العالم (أغسطس 2022).