Учёные создали дорожную карту для изучения почвы с помощью сенсорных технологий
Микробы — это одноклеточные организмы, слишком мелкие, чтобы их можно было увидеть невооружённым глазом. Несмотря на незаметность, они являются доминирующей формой жизни на нашей планете.
«Микробы определяют, как всё в этом мире выживает», — заявил Джек Гилберт, научный руководитель Центра микробиома Чикагского университета. — «Если вы не понимаете их, вы не поймёте ничего».
При финансовой поддержке Национального научного фонда (NSF) и на базе Чикагского университета в августе прошёл двухдневный семинар. В нём приняли участие 22 ведущих исследователя в областях почвоведения, микробиологии, вычислительной биологии, сенсоров и нанотехнологий. Целью было создание дорожной карты для измерения микробной активности в почве.
Почему именно почва? Почва поддерживает экосистемы, критически важные для жизни, и является средой обитания для миллиардов организмов.
«Вся наша пища и вода зависят от почвы, — пояснила Тияна Рай, заместитель директора Центра наноматериалов в Аргоннской национальной лаборатории. — Как изменения климата повлияют на продовольствие и воду? Что происходит с почвой? Эти вопросы имеют глобальные последствия».
Семинар стал частью более широкой инициативы, начатой в прошлом году для выявления ключевых проблем в науках о почве и растениях, а также в подземном зондировании. Учёные хотели понять, как революционные достижения в области сенсоров, сенсорных сетей и смежных технологий можно использовать для углубления понимания почвы.
По словам Супратика Гухи, директора Центра наноматериалов, ключ к созданию лучших моделей почвы — в получении более качественных данных. «Произошёл взрывной рост сенсорных сетей, и наука может извлечь из этого пользу», — отметил он.
Ключевые выводы семинара:
- Необходимость контекста измерений. Учёным нужно получать более точные данные о почвенных микробных процессах, чтобы понять, как на микробные взаимодействия влияют физические, химические и биологические свойства почвы.
- Исследования на разных масштабах. Изучение микробных сообществ должно вестись на разных уровнях: пространственном, временном и молекулярном. Создание данных на множестве масштабов потребует новых моделей, математически интегрирующих различные данные — от биохимии клетки до её влияния на глобальные процессы.
- Следующий этап технологических улучшений. Уже создан новый класс сенсоров для подземных условий. Теперь необходима интегрированная, неинвазивная система, которая бы бесшовно управляла данными — от подготовки образца до детекции, моделирования и анализа — и корректировалась в реальном времени.
Джек Гилберт отметил, что область ещё находится в зачаточном состоянии, и семинар поможет определить путь вперёд. Будет разработан отчёт о том, что необходимо измерять и какие технологии для этого нужны, а затем — стратегия по развёртыванию сенсоров по всему миру.
В рамках новых инициатив NSF, включая 20 связанных национальных исследовательских проектов, команда из Отдела нанонауки и технологий Аргоннской лаборатории совместно с экологами развернёт в следующем году тестовую сенсорную сеть в Фермилабе.
Тияна Рай подчеркнула, что активное участие Аргоннской лаборатории и Чикагского университета в этой работе закономерно, так как они предлагают междисциплинарный подход, имеют экспертов в этой области и опыт в многомерном анализе проблем и синтезе решений. «Будущие вызовы связаны с продовольствием и водой. И нам нужно готовить решения для этого».