В НовГУ создали "цифровой паспорт" арктического микропластика
Учёные из Новгородского государственного университета и Института океанологии РАН собрали самую большую в мире открытую базу инфракрасных спектров микропластика из вод Восточной Арктики — MICROSCAN. В ней 2010 реальных частиц размером от полумиллиметра до пяти миллиметров, собранных в Белом, Баренцевом, Карском, Восточно-Сибирском морях и море Лаптевых. Теперь нейросети смогут с точностью более 96% отличать полиэтилен от полипропилена прямо в океане, а экологи получат точный инструмент для подсчёта пластикового мусора.<br>
<br>
Исследование было опубликовано в журнале Scientific Data, издающемся Nature Publishing Group.<br>
<br>
Микропластик — это крошечные частицы обычного пластика, которые могут достаточно долго оставаться в окружающей среде. Они попадают в воду в результате разложения пластикового мусора, износа автомобильных шин, стирки синтетической одежды, разрушения рыболовных сетей и из других источников. Одна из основных задач ученых сегодня – понять в результате мониторинга, сколько частиц микропластика находится в той или иной среде. Полимеры, обладая разной плотностью, ведут себя в воде по-разному: например, полиэтилен всплывает, а другие виды могут тонуть и надолго оставаться на дне океана.<br>
<br>
До недавнего момента у исследователей было две основные проблемы. Во-первых, большинство литературных источников содержат информацию об "идеальных" гранулах чистого пластика. Но пластик в море стареет, не нем могут селиться бактерии, он обрастает "биокороной", трескается на солнце и меняет свои свойства. В результате обнаруженные в море микрочастицы сначала надо идентифицировать – являются ли они кусочками пластика или какими-то другими частицами. Чтобы определить химический состав конкретной частицы, учёные исследуют ее инфракрасный спектр, уникальный для каждого типа пластика, так же как отпечаток пальца у человека. Спектр частицы, которая подвергается воздействию воды, света, воздуха, всегда отличается от спектра «чистого» заводского образца. Поэтому для базы данных очень важны образцы микропластика из окружающей среды.<br>
<br>
Во-вторых, в настоящее время существует не так много баз инфракрасных спектров микропластика, и обычно они существенно меньшего размера. Для того, чтобы ускорить процесс идентификации микропластика необходимо обучить нейросетевые модели, качество «работы» которых существенно улучшается при увеличении размера баз данных, которые используются для обучения. Кроме того, модели обученные на базах данных микропластика из одного климатического региона не всегда хорошо работают в другом климатическом регионе. Разработанная база данных MICROSCAN – не только самая большая в мире, но и первая база данных микропластика в Арктике.<br>
<br>
<b>Что предлагают учёные?</b><br>
<br>
Команда Центра исследования проблем микропластика НовГУ создала базу MICROSCAN – самую большую в мире открытую базу инфракрасных спектров микропластика из вод Восточной Арктики.<br>
<br>
<i>"База содержит инфракрасные спектры 2010 реальных частиц размером от полумиллиметра до пяти миллиметров",</i> — рассказал заведующий лабораторией моделирования полимеров Центра исследования проблем микропластка НовГУ, <b>Сергей Люлин</b>. — <i>"Сейчас она включает спектральные данные микрочастиц полиэтилена (PE), полипропилена (PP) и полистирола (PS) — самых распространенных синтетических полимеров".</i><br>
<br>
Исходным материалом для неё стали микропластиковые частицы обнаруженные в поверхностных водах в Белом, Баренцевом, Карском, Восточно-Сибирском морях и море Лаптевых в 2020-2021 годах. Каждая найденная частица исследовалась в инфракрасном свете (FTIR-спектроскопия) без какой-либо дополнительной химической очистки. Проверку результатов идентификации проводили с помощью трех разных подходов:<br>
<ul>
<li>спектральное сопоставление: спектры частицы сравнивались с эталонными спектрами, имеющимися в самом приборе;</li>
<li>искусственный интеллект: проверку проводили с помощью одной из лучших в мире моделей глубокого машинного обучения (сверточной нейросети CNN1D). Она способна распознать один из 120 типов полимерных материалов с точностью 96–97%;</li>
<li>экспертный контроль: опытные химики перепроверяли спорные спектры вручную.</li>
</ul>
MICROSCAN можно назвать "универсальным учебным пособием для машинного обучения". База позволяет алгоритмам учиться работать с настоящими частицами "из природы", без дополнительной химической обработки, что очень важно в полевых условиях. Использование моделей, обученных на такой базе данных, позволит существенно ускорить идентификацию прямо во время экспедиции.<br>
<br>
Исследование выполнено в рамках мегагранта <i>"Новые подходы к решению проблемы микропластика как потенциальной угрозы человеку и окружающей среде".</i><br>
<br>
Источник: <a target="_blank" href="https://www.novsu.ru/university/press/news/292790/"><span style="color: #00aeef;">Новгородский государственный университет</span></a><br>
Костное нёбо пещерных медведей адаптировалось к холоду, но это не спасло их от вымирания
<div>
У пещерных медведей, вымерших около 25 тыс. лет назад (эпоха ледникового максимума), дыхательная система адаптировалась к изменениям климата: твердое нёбо было длинное и узкое, выяснили палеонтологи. Такая форма в холодном климате позволяет лучше согревать воздух и увлажнять его перед попаданием в легкие (у людей установлены схожие адаптации). К таким выводам пришли ученые в результате анализа 134 черепов двух вымерших и 10 современных видов — от полярных гигантов до тропических бамбуковых медведей. Результаты анализа и гипотезы об адаптации и причинах вымирания исследователи опубликовали в журнале <a target="_blank" href="https://palaeo-electronica.org/content/2026/5931-palatine-and-choanae-in-u-kanivetz-and-u-rossicus"><span style="color: #00aeef;">Palaeontologia Electronica</span></a>.<br>
<br>
<i>"На протяжении четырех лет мы работали с найденными на раскопках черепами пещерных медведей позднего плейстоцена, с их томограммами, измеряли черепа современных медведей, собирали литературу и статистику, чтобы получить важный вывод об экологии пещерных медведей и понять, повлиял ли климат на форму костного нёба и хоан (внутренние ноздри) — часть дыхательной системы",</i> — рассказывает старший научный сотрудник лаборатории естественнонаучных методов в гуманитарных исследованиях Уральского федерального университета <b>Антон Кочнев</b>.<br>
<br>
У млекопитающих носовая полость и связанные с ней структуры являются важной областью, где отражаются последствия адаптации вида к изменяющимся климатическим условиям, поскольку она играет жизненно важную роль в дыхании и терморегуляции. То есть в холодных условиях дыхательные структуры изменяются для улучшения сохранения тепла и влаги, что отражается в том числе на костном нёбе. Анализ показал, что среди всех изученных видов у двух пещерных медведей — <i>Ursus kanivetz</i> и <i>Ursus rossicus</i> — наиболее выраженные морфологические изменения: нёбо оказалось самым длинным и узким относительно размеров тела. Иными словами, древние пещерные медведи оказались наиболее адаптированными к холодному климату. Однако это не спасло их от вымирания.<br>
<br>
<i>"Дыхательная система пещерных медведей была приспособлена к холодному климату, но, по всей видимости, к наступлению последнего оледенения, изменившего условия их обитания, адаптироваться они не смогли",</i> — объясняет Антон Кочнев.<br>
<br>
Как полагают исследователи, причина вымирания во многом может быть связана с кормовой базой.<br>
<br>
<i>"Мы достоверно знаем по изотопам, по микроследам на зубах, что пещерные медведи в отличие от некоторых современных сородичей были вегетарианцами, питались только растительной пищей. Вероятно, они не могли накопить необходимое количество жира для выживания во время длительной спячки в плейстоцене. К примеру, их родственники бурые медведи, которые тоже жили в то время, пережили холодный период, потому что у них универсальная диета. Кроме того, из-за увеличения продолжительности зим — а мы помним, что медведицы рожают во время зимней спячки — увеличилась и смертность детенышей"</i>, — объясняет Антон Кочнев.<br>
<br>
Участие в исследовании приняли специалисты Уральского федерального и Московского государственного университетов, Уральского отделения Российской академии науки и Китайской академии наук. Лаборатория естественнонаучных методов в гуманитарных исследованиях УрФУ создана при поддержке по программе "Приоритет-2030".<br>
<br>
<i>Пещерные медведи — группа млекопитающих, широко распространенных в Северной Евразии с конца калабрийского периода (1,8 млн лет назад — 0,77 млн лет назад). Несмотря на широкую географию и высокое таксономическое разнообразие, пещерные медведи вымерли на всей территории своего обитания около 25 тыс. лет назад, что совпадает с последним ледниковым максимумом. По размерам малые пещерные медведи были схожи с современными бурыми, а большие пещерные медведи могли достигать 2,8 м в высоту, 1,6 м в холке и весить до 800 кг (как современные кадьяки).</i><br>
<br>
Текст: Анна Маринович<br>
<br>
Источник: <a target="_blank" href="https://urfu.ru/ru/news/59835/"><span style="color: #00aeef;">Уральский федеральный университет</span></a><br>
<br>
</div>