Нова технологія штучного інтелекту розкриває секрети мікроорганізмів, стійких до алюмінію

Система AI-RACS, розроблена дослідниками Китайської академії наук, автоматизує ізоляцію стійких до алюмінію мікроорганізмів, просуваючи мікробні дослідження за допомогою високопродуктивних робочих процесів.

Дослідники з Одноклітинного центру Циндаоського інституту біоенергетики та технології біопроцесів, що є частиною Китайської академії наук (CAS), у співпраці зі своїми партнерами розробили систему сортування клітин за допомогою штучного інтелекту, активовану Раманом (AI-RACS). ) система. Ця передова система автоматизує виділення та функціональний аналіз стійких до алюмінію мікроорганізмів (ATM) із кислого ґрунту, що представляє значний стрибок від ручних, трудомістких методів до високопродуктивних автоматизованих робочих процесів.

Це дослідження було опубліковано в  Analytical Chemistry.

Мікробіоми — динамічні спільноти мікроорганізмів — пропонують невикористаний потенціал для розвитку біотехнологій і екологічної стійкості. Однак їх складність створює проблеми для ізоляції та детального вивчення конкретних функціональних мікробів.

Щоб розв’язати цю проблему, система AI-RACS об’єднує оптичні пінцети, одноклітинну раманівську спектроскопію (SCRS) і штучний інтелект. Ця інтеграція дозволяє точно ідентифікувати, сортувати та збирати окремі клітини, перетворюючи одноклітинні мікробні дослідження з низькопродуктивних ручних операцій на високопродуктивні автоматизовані робочі процеси.

Прорив в ізоляції банкоматів

Дослідники використовували інструмент RACS-Seq/Culture для ідентифікації та сортування банкоматів у зразках кислого ґрунту. Використовуючи SCRS для оцінки метаболічної активності клітин під впливом алюмінію, дослідники успішно ідентифікували та виділили 13 штамів, стійких до алюмінію, включаючи Burkholderia  spp., Rhodanobacter  spp. і Staphylococcus aureus. Ці штами демонстрували більш високу метаболічну активність порівняно зі штамами, ідентифікованими традиційними методами культивування. Використання SCRS як кількісного біомаркера дозволило дослідникам точно визначити та класифікувати метаболічно активні мікроби з неперевершеною точністю.

«AI-RACS дозволяє нам виявити, як банкомати процвітають у токсичних червоних ґрунтах, забезпечуючи нові перспективи виживання мікробів і відновлення здоров’я ґрунту», — сказав професор Ютін Лян, відповідний автор дослідження з Інституту ґрунтознавства CAS.

«Наша мета — розробити систему, яка автоматизує одноклітинний аналіз, одночасно підвищуючи точність і пропускну здатність, необхідні для вивчення складних мікробних спільнот», — сказав д-р Zhidian Diao, перший автор дослідження з Single-Cell Center. «Ця система дозволяє дослідникам з високою ефективністю досліджувати мікробіоми майже на місці».

Система AI-RACS відкриває нові можливості в таких сферах, як відновлення ресурсів, управління навколишнім середовищем і промислові біотехнології. 

Виявлено перший вид вовка, який їсть фрукти

Ефіопські вовки, які в основному є м’ясоїдними, спостерігали, харчуючись ефіопською розпеченою квіткою кочерги – незвичайна та захоплююча поведінка. Щобільше, ретельні спостереження показали, що вовки не лише харчуються нектаром цих квітів, але й ненавмисно відіграють ключову роль у процесі запилення.

Запилення ефіопськими вовчками

Коли вовки харчуються, їхні морди щедро присипаються пилком, що дозволяє їм транспортувати пилок з однієї квітки на іншу, продовжуючи харчуватися. Ця дивовижна поведінка, можливо, є першим спостережуваним випадком взаємодії рослини з запилювачем, який включає великого хижака. Рідкість помітити хижака, що харчується переважно м’ясом, що ласує нектаром; така поведінка кидає виклик загальним уявленням і відкриває нові захоплюючі шляхи для досліджень.

Доктор Сандра Лай є старшим науковим співробітником Оксфордського університету та провідним автором дослідження.

«Ці відкриття підкреслюють, скільки нам ще належить дізнатися про одного з найбільш загрозливих м’ясоїдних тварин у світі. Це також демонструє складність взаємодії між різними видами, що живуть на прекрасному Даху Африки. Ця надзвичайно унікальна екосистема з різноманітним біорізноманіттям залишається під загрозою через втрату та фрагментацію середовища існування», – зазначив доктор Лай.

Незвичайне джерело енергії

Професор Клаудіо Сіллеро, директор Ефіопської програми збереження вовка (EWCP) і видатний викладач Оксфордського університету, був першою людиною, яка спостерігала таку поведінку.

«Я вперше дізнався про нектар ефіопської розжареної кочерги, коли побачив дітей пастухів у горах Бейл, які облизували квіти. Невдовзі я сам відчув смак – нектар був приємно солодким», – сказав професор Сіллеро.

«Коли пізніше я побачив, як вовки робили те саме, я знав, що вони насолоджувалися, користуючись цим незвичайним джерелом енергії. Я в захваті, що тепер ми повідомили про таку поведінку як звичайну серед ефіопських вовків і дослідили її екологічне значення».

Ефіопські вовки: охоронці високогір’я

Ефіопський вовк, який перебуває під загрозою зникнення, або «лисиця на даху Африки», є одним із найбільш загрозливих м’ясоїдних тварин у світі. Вид зустрічається лише на високогірних луках Ефіопії, де він є важливою частиною цієї тендітної афроальпійської екосистеми. Оскільки в дикій природі залишилося менше 500 особин, їхнє виживання говорить про виклики та красу цього унікального ландшафту.

Ефіопські вовки живуть приблизно 99 зграями, які можна знайти в шести ізольованих високогірних регіонах. Вони повністю залежать від середовища, в якому живуть. Загрози від знищення середовища існування  та діяльності людини є постійним тиском на особин, що залишилися.

Незважаючи на те, що їхня кількість невелика, ці вовки відіграють важливу роль, будучи головним хижаком в екосистемі та контролюючи популяції гризунів, які складають більшість їх здобичі. Це не звичайні вовки; вони є охоронцями середовища існування, яке є домом для незліченних видів, включаючи багато інших рослин і запилювачів.

Програма збереження ефіопського вовка

Започаткована в 1995 році Ефіопська програма збереження вовків (EWCP) докладає постійних зусиль, щоб захистити цих унікальних вовків та їх дорогоцінне середовище проживання від вимирання та загроз.Це спільна ініціатива між Дослідницьким відділом охорони дикої природи (WildCRU) Оксфордського університету, Управлінням охорони дикої природи Ефіопії (EWCA) та Дінкенеш Ефіопія.

Ця ініціатива є найдовшою природоохоронною програмою в Ефіопії, і вона невпинно працювала над збереженням майбутнього природних середовищ існування на благо дикої природи та людей, які проживають разом на цих високогір’ях. Бути свідком такої чудової поведінки цих вовків підсилює важливість наших зусиль щодо збереження та відновлює нашу відданість збереженню цих чудових створінь та їхнього середовища проживання.

Вовки та квіти: симбіотичний зв’язок

Несподівана взаємодія між ефіопськими вовками та ефіопською червоною гарячою квіткою підкреслює заплутані стосунки, які можуть існувати між видами в делікатних екосистемах. У той час як вовчки отримують додаткове джерело енергії через нектар квітів, рослини отримують користь від надійного запилювача, який допомагає забезпечити їхнє успішне розмноження.

Ці симбіотичні стосунки демонструють, як навіть вершинні хижаки можуть дивовижним чином сприяти здоров’ю свого середовища. Така взаємодія також підкреслює взаємозв’язок життя в Ефіопському нагір’ї, де кожен вид, від найменшої рослини до найбільшого хижака, відіграє життєво важливу роль у підтримці екосистеми.

Визнання та вивчення цієї складної динаміки може відкрити двері для більш інноваційних та інклюзивних стратегій збереження, які надають пріоритет не лише окремим видам, а й ширшій мережі життя в екосистемах. Повний текст дослідження опубліковано в журналі Ecology.

Пташиний грип вразив першу дитину в США — CDC заявляє, що джерело інфекції невідоме

Дитина в Каліфорнії підхопила пташиний грип під час відкликання сирого молока в штаті, але розслідування не знайшли доказів того, що випадок був спричинений сирим молоком. Дитина в Каліфорнії одужує від пташиного грипу H5N1 після того, як стала першою дитиною в Сполучених Штатах, яка заразилася вірусом, повідомляє Центр з контролю і профілактики захворювань США (CDC).

Джерело інфікування дитини досі невідоме, але можливі шляхи зараження вивчає Департамент охорони здоров’я Каліфорнії (CDPH). У заяві, опублікованій 19 листопада, департамент зазначив, що дитина «не мала жодного відомого контакту з інфікованою твариною», але чиновники вивчають можливість контакту з дикими птахами-переносниками вірусу.

Заява CDC, оприлюднена у п’ятницю (22 листопада), з’явилася за два дні до добровільного відкликання сирого молока каліфорнійською молочною компанією Raw Farm, що базується в Каліфорнії. H5N1 може потрапляти в молоко інфікованих корів, але процес пастеризації усуває його. Непастеризоване сире молоко може наражати людей на небезпеку зараження, попереджають чиновники.

Однак немає жодних доказів того, що інфікування каліфорнійської дитини було спричинене сирим молоком. За даними Центру контролю та профілактики захворювань США, цього року в США було виявлено 55 випадків зараження людей пташиним грипом H5N1, в тому числі 29 випадків в одній лише Каліфорнії. У відомстві додали, що доказів поширення вірусу від людини до людини не виявлено, і наразі ризик для населення залишається низьким.

H5N1 — це підтип пташиного грипу, також відомий як пташиний грип. Вірус поширюється переважно дикими та домашніми птахами. Однак він також може переходити на ссавців, включаючи молочних корів, а в деяких випадках і на людей.

З початку цього року 616 молочних стад по всій території США постраждали від спалаху вірусу, що охопив кілька штатів. Як наслідок, працівники молочних ферм та інші люди, які контактували з інфікованою худобою, склали 32 з 55 підтверджених випадків пташиного грипу серед людей в цьому році. Ще 21 випадок був спричинений контактом з інфікованою домашньою птицею, і лише два випадки були зареєстровані без контакту з тваринами.

Оскільки дикі тварини також можуть бути переносниками вірусу і поширювати його з фекаліями, може бути важко визначити шлях зараження за межами сільськогосподарського середовища.

За даними CDC, пташиний грип може мати наступні симптоми:

  • Почервоніння очей
  • Лихоманка
  • Кашель
  • Біль у горлі
  • Нежить або закладеність носа
  • Біль у м’язах та тілі
  • Головні болі
  • Втома
  • Утруднене дихання

У випадку з дитиною, спочатку тест показав низький рівень вірусу H5N1. Через кілька днів результати виявилися негативними на H5N1, але позитивними на інші поширені респіраторні віруси. Симптоми дитини були легкими, подібними до тих, що спостерігалися в інших випадках захворювання на H5N1, зареєстрованих до цього часу в США. CDPH також зазначив, що багато симптомів, схожих на грип у дитини, могли бути наслідком супутніх вірусних інфекцій.

CDPH зазначив, що дитина відвідувала дитячий садок в дні, що передували встановленню діагнозу. Департамент уважно стежить за вихователями та сім’ями, пов’язаними з центром, щоб запропонувати тестування та профілактичне лікування. З усім тим, д-р Томас Арагон, директор CDPH і офіційний представник штату з питань охорони здоров’я, підкреслив, що немає жодних підстав вважати, що дитина передала інфекцію.

Під час розслідування департаменту всі члени сім’ї дитини також повідомили про потенційні симптоми пташиного грипу. Однак тестування підтвердило, що всі вони були негативними на H5N1, а деякі з них мали позитивні результати на ті ж поширені респіраторні віруси, що й дитина.

На тлі розслідування CDPH департамент окремо попередив споживачів про добровільне відкликання компанією Raw Farm однієї партії сирого молока з вершками у зв’язку з тим, що у зразку було виявлено частинки вірусу пташиного грипу. Однак у відомстві додали, що жодних захворювань, пов’язаних з цим продуктом, не виявлено.

«У відповідь на цей позитивний тест роздрібного молочного продукту, CDFA провів тестування в обох місцях розташування Raw Farm LLC — результати були негативними на вірус — і тепер почне тестування на пташиний грип двічі на тиждень», — йдеться в заяві CDFA.

Марк МакАфі, генеральний директор і засновник Raw Farm, повідомив Live Science в електронному листі, що CDPH дослідив, чи є зв’язок між сирим молоком і останнім випадком пташиного грипу, і не знайшов жодних доказів такого зв’язку.

«Наші корови і наше молоко двічі на тиждень проходять перевірку в CDFA, і всі результати були негативними», — сказав МакАфі.

На упаковці постраждалих продуктів вказано код партії 20241109 та термін придатності до 27 листопада. CDPH закликав користувачів негайно повернути будь-який продукт, що залишився.

CDC попереджає, що сире молоко має невід’ємний ризик зараження людей мікробами, відповідальними за серйозні хвороби харчового походження. Діти до 5 років особливо вразливі до цих хвороб, а також люди похилого віку, вагітні та люди з ослабленою імунною системою. З цієї причини комерційне молоко пастеризується.

Чи зможуть мініатюрні роботи NASA знайти життя на Європі?

Інженери взяли участь у змаганнях, щоб випробувати роботизовані прототипи амбітної концепції місії — рій підводних дослідників, які шукають ознаки життя в чужих океанських світах. У майбутніх місіях NASA до Європи будуть розгорнуті вдосконалені роботи, щоб досліджувати її крижані океани. Роботи, які є частиною проекту SWIM, пройшли ретельні випробування на Землі та шляхом моделювання для роботи в позаземних умовах.

Досліджуючи Європу: амбітна місія NASA

Коли Europa Clipper NASA прибуде до супутника Юпітера Європи у 2030 році, він здійснить 49 обльотів, використовуючи набір потужних наукових інструментів для пошуку доказів того, що океан під крижаною корою Європи може підтримувати життя. Космічний корабель, який стартував 14 жовтня, оснащений найпередовішими науковими технологіями, які коли-небудь відправлялися в зовнішню частину Сонячної системи. Проте, навіть починаючи свою місію, команди NASA вже розробляють наступне покоління роботів-дослідників, щоб зануритися глибше в прихований океан Європи та за його межі, розсуваючи межі наукових відкриттів.

Одна з таких інноваційних концепцій називається SWIM, скорочення від Sensing With Independent Micro-swimmers. Цей проект передбачає розміщення групи крихітних самохідних роботів, кожен розміром із мобільний телефон. Ці роботи будуть доставлені в підповерхневий океан кріоботом, який тане лід. Після того, як їх звільнять, вони будуть розсіюватися і досліджувати, шукаючи хімічні та температурні сигнали, які могли б вказувати на наявність життя.

Концепція кріобота зонда NASA
На цій ілюстрації зображено концепцію дослідження космосу NASA під назвою Probe using Radioisotopes for Icy Moons Exploration або PRIME, яка запускається з посадкового модуля на крижаній поверхні океану. Зонд з ядерним двигуном, також званий кріоботом, світиться червоним кольором у підповерхневому океані, з’єднаний через комунікаційний трос із посадковим модулем на милях над крижаною корою. Роботи клиноподібної форми розміром із мобільний телефон – ще одна концепція, що називається «Сенсорування з незалежними мікроплавцями» або SWIM – подорожують під водою, щоб проводити наукові дослідження за межами тепла зонда

«Люди можуть запитати, чому NASA розробляє підводного робота для дослідження космосу? Це тому, що в Сонячній системі є місця, куди ми хочемо піти, щоб шукати життя, і ми вважаємо, що життя потребує води. Тому нам потрібні роботи, які можуть досліджувати це середовище — автономно, за сотні мільйонів миль від дому», — сказав Ітан Шалер, головний дослідник SWIM у Лабораторії реактивного руху НАСА в Південній Каліфорнії.

У процесі розробки в JPL серія прототипів концепції SWIM нещодавно випробовувала воду 25-ярдового (23-метрового) басейну для змагань у Каліфорнійському технологічному інституті в Пасадені. Результати були обнадійливими.

NASA Tests Swimming Robots for Exploring Oceans on Icy Moons
Прототип робота, розробленого для дослідження підземних океанів крижаних супутників, відбивається на поверхні води під час випробувань басейну в Калтеху у вересні. Тестування, проведене Лабораторією реактивного руху NASA, показало здійсненність концепції місії для групи міні-роботів-плавальників

Практика ПЛАВАННЯ

Остання ітерація команди SWIM – це надрукований на 3D-принтері пластиковий прототип, який базується на недорогих комерційно виготовлених двигунах і електроніці. Підштовхуваний двома гвинтами з чотирма заслінками для керування, прототип демонстрував контрольоване маневрування, здатність залишатися на місці та коригувати свій курс, а також дослідницьку схему «газонокосарка» вперед-назад. Він керував усім цим автономно, без прямого втручання команди. Робот навіть написав «JPL».

На випадок, якщо робота знадобиться врятувати, його прикріпили до волосіні, і під час кожного тесту інженер, який тягнув вудку, бігав уздовж басейну. Поруч колега переглядав дії робота та дані датчиків на ноутбуці. Команда виконала понад 20 раундів тестування різних прототипів у басейні та в парі танків у JPL.

«Приголомшливо створювати робота з нуля й бачити, як він успішно працює у відповідному середовищі», — сказав Шалер. «Підводні роботи загалом дуже важкі, і це лише перший у серії проектів, над якими нам доведеться працювати, щоб підготуватися до подорожі в океанський світ. Але це доказ того, що ми можемо створювати цих роботів із необхідними можливостями та починаємо розуміти, з якими проблемами вони зіткнуться під час підземної місії».

До автономного дослідження океану

Клиноподібний прототип, який використовувався в більшості випробувань басейну, мав довжину близько 16,5 дюймів (42 сантиметри) і важив 5 фунтів (2,3 кілограма). За задумами для космічних польотів, роботи мали б приблизно втричі менші розміри — крихітні порівняно з існуючими дистанційно керованими та автономними підводними науковими апаратами. Плавці розміром з долоню матимуть мініатюрні, спеціально сконструйовані частини та використовуватимуть нову бездротову підводну акустичну систему зв’язку для передачі даних і тріангуляції їхнього положення.

Цифрові версії цих маленьких роботів пройшли власне випробування не в басейні, а в комп’ютерній симуляції. У середовищі з таким самим тиском і силою тяжіння, з якими вони, ймовірно, зіткнулися б на Європі, віртуальний рій 5-дюймових (12-сантиметрових) роботів кілька разів шукав потенційні ознаки життя. Комп’ютерне моделювання допомогло визначити межі здатності роботів збирати наукові дані в невідомому середовищі, а також призвело до розробки алгоритмів, які дозволили б рою досліджувати більш ефективно.

Моделювання також допомогло команді краще зрозуміти, як максимізувати наукову віддачу, враховуючи компроміси між часом автономної роботи (до двох годин), об’ємом води, яку можуть досліджувати плавці (близько 3 мільйонів кубічних футів, або 86 000 кубічних метрів), і кількість роботів в одному рої (дюжина, відправлена ​​в чотири-п’ять хвиль).

Крім того, команда співробітників з Georgia Tech в Атланті виготовила та випробувала датчик складу океану, який дозволить кожному роботу одночасно вимірювати температуру, тиск, кислотність або лужність, провідність і хімічний склад. Цей чіп площею лише кілька квадратних міліметрів є першим, який поєднує всі ці датчики в одному крихітному корпусі.

Звичайно, така передова концепція потребує ще кількох років роботи, серед іншого, щоб бути готовим до можливої ​​майбутньої місії польоту на крижаний Місяць. Тим часом Шалер уявляє, що роботи SWIM можуть бути вдосконалені для наукової роботи прямо тут, удома: для підтримки океанографічних досліджень або проведення критичних вимірювань під полярним льодом.

Детальніше про SWIM

SWIM — це інноваційний проект NASA, яким керує Лабораторія реактивного руху Каліфорнійського технологічного інституту (JPL) і фінансується через програму NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC), яка сприяє розвитку далекоглядних ідей для майбутнього дослідження космосу. Проект передбачає рій маленьких автономних плаваючих роботів, призначених для дослідження підповерхневих океанів на крижаних супутниках, таких як Європа, у пошуках ознак життя. Ці роботи розміром із мобільний телефон, доставлені кріоботом, що плавить лід, розповсюджуватимуться, щоб виявляти хімічні та температурні сигнали, які можуть вказувати на придатність для проживання чи життя.

SWIM, який підтримується Фазою I та II NIAC в рамках Управління місій NASA з космічних технологій, є частиною програми, яка оцінює передові технології, здатні трансформувати майбутні місії. Дослідники з уряду США, промисловості та академічних кіл заохочуються вносити пропозиції до цієї ініціативи, розширюючи межі аерокосмічної галузі та дослідження космосу.

Нейробіологи з’ясували, від якої частини мозку залежить якість сну

У нормі в людини у порядку чергуються кілька періодів швидкого і повільного сну різної тривалості. Їхня послідовність називається структурою сну. Вчені зі Швейцарії визначили, активність якоїсь зони мозку впливає на цю структуру і дозволяє її регулювати.

Сон має ключове значення підтримки здоров’я людини. Від його нестачі, надлишку або поганої якості можуть з’являтися як фізичні (наприклад, цукровий діабет другого типу), так і психічні захворювання (депресія, тривожний розлад). При цьому достатньо спати, за даними недавніх досліджень, вдається лише 15% всіх людей у ​​світі.

Нейробіологи з Лозанського університету у Швейцарії провели експеримент на мишах і виявили, що за переходи між фазами швидкого і повільного сну відповідає блакитна пляма (locus coeruleus) — ділянка блакитного кольору в стовбурі мозку, яка раніше була відома як центр вироблення норадреналіну і головний регулятор здатності на складні ситуації під час неспання. у науковому журналі Nature Neuroscience.

Автори публікації цілеспрямовано впливали на нейронні шляхи у блакитній плямі мишей та аналізували його вплив на організм. Виявилося, коли активність цієї зони мозку низька, визначає момент переходу від повільного сну до швидкого. «Ми виявили, що як піки, так і спади активності блакитної плями, що коливаються, відіграють ключову роль в організації сну. Це новий структурний елемент сну, він функціонує до певної міри як годинник», — пояснили автори дослідження.

Підвищення активності блакитного ядра призводило до того, що в мозок миші надходило більше норадреналіну, деякі його ділянки ставали схильнішими до збудження, але організм фактично не прокидався. Вчені зазначили, що це новий, раніше невідомий тип збудження, який підвищує пильність під час сну та у надзвичайній ситуації дозволяє швидко прокинутися. За словами дослідників, у такому разі «мозок перебуває у напівсонному стані на підкірковому рівні, а на рівні кори – у стані сну».

Важливо, що стрес під час неспання мишей міг порушувати сон. У них підвищувалася активність блакитної плями, затримувався настання фази швидкого сну та виникали надто часті пробудження. Ця інформація, за припущеннями вчених, буде корисною при розробці нових методів боротьби з порушеннями сну.

«Наші відкриття можуть допомогти краще розібратися в порушеннях сну, пов’язаних із психічними розладами, наприклад, тривогою. Більше того, вони відкривають можливості для нових методів лікування, таких як використання активності блакитної плями як біомаркер для моніторингу та, можливо, корекції циклів сну», — підсумували автори роботи.

Вчені дають відповідь, що ховається під поверхнею Урана та Нептуна

Алмазний дощ і суперіонна вода є одними з найбільш драматичних теорій, запропонованих для пояснення таємничих надр Урана і Нептуна, крижаних гігантів нашої Сонячної системи.  Проте вчений-планетолог з Каліфорнійського університету в Берклі запропонував переконливу альтернативу: внутрішність цих планет складається з шарів, причому речовини розділяються, як нафта і вода.  Це поділ могло б пояснити незвичайні магнітні поля планет і поставити під сумнів попередні теорії про їх внутрішність.

Багатошарова модель для крижаних велетнів

У статті, опублікованій в Proceedings of the National Academy of Sciences, Буркхард Мілітцер, професор науки про Землю та планети в Каліфорнійському університеті в Берклі, припускає, що Уран і Нептун мають внутрішні частини, що складаються з двох різних шарів. Під густою воднево-гелієвою атмосферою планет лежить глибокий океан багатого водою матеріалу над сильно стисненою, багатою вуглеводнями рідиною, що складається з вуглецю, азоту та водню.

Комп’ютерне моделювання Мілітцера показує, що під екстремальним тиском і температурами всередині цих планет вода (H₂O), метан (CH₄) і аміак (NH3) розділяються природним шляхом. Це розділення відбувається тому, що водень вичавлюється з метану та аміаку, що призводить до утворення незмішуваних шарів.

«Тепер ми маємо, я б сказав, гарну теорію, чому Уран і Нептун мають дійсно різні поля, і вони дуже відрізняються від Землі, Юпітера та Сатурна», — пояснив Мілітцер. «Це як нафта і вода, за винятком того, що багатий воднем шар йде зверху, а важчий матеріал залишається внизу».

Магнітні поля і конвекція

Теорія надає потенційне пояснення нерегулярним магнітним полям Урана і Нептуна, які були відкриті місією НАСА «Вояджер-2» у 1980-х роках. На відміну від сильного диполярного магнітного поля Землі, яке є результатом конвекції в рідкому зовнішньому ядрі планети, Уран і Нептун мають дезорганізовані магнітні поля.

Конвекція, процес, при якому гарячий матеріал піднімається, а більш холодний опускається, створює магнітні поля в надрах планет. Для Урана і Нептуна відсутність великомасштабного конвекційного шару в їхсередині свідчить про те, що матеріали всередині шаруваті і не змішуються.

У моделі Мілітцера верхній насичений водою шар, ймовірно, конвектує, створюючи спостережуване дезорганізоване магнітне поле, тоді як більш глибокий, багатий вуглеводнями шар залишається стабільним і стратифікованим, запобігаючи глобальній конвекції.

Екстремальні умови Урана і Нептуна 

Прорив Мілітцера стався після десятиліття досліджень. Десять років тому він використав комп’ютерні моделі зі 100 атомами, щоб змоделювати поведінку елементів у надрах планет, але не зміг відтворити формування шарів. Минулого року, використовуючи машинне навчання та потужніші обчислювальні інструменти, він збільшив кількість атомів у своїй моделі до 540. 

Це дозволило йому змоделювати поведінку матеріалів під екстремальним тиском і температурами всередині Урана та Нептуна – до 3,4 мільйона разів атмосферного тиску Землі та температур близько 4750 Кельвінів (8000°F).

«Одного дня я подивився на модель і побачив, що вода відокремилася від вуглецю та азоту», — сказав Мілітцер. «Те, що я не міг зробити 10 років тому, сталося зараз».

Модель показала, що коли тиск зростає з глибиною, водень видавлюється, утворюючи стабільний шар матеріалу вуглець-азот-водень, майже як пластиковий полімер. Цей багатий вуглеводнями шар лежить під конвекційним шаром, багатим водою.

Гравітаційні поля, виміряні Вояджером-2 

Коли Мілітцер змоделював гравітаційні ефекти багаторівневих Урану та Нептуна, результати збіглися з гравітаційними полями, виміряними Вояджером-2 майже 40 років тому. Його модель передбачає, що під атмосферою Урана товщиною 3000 миль лежить насичений водою шар товщиною близько 5000 миль.  Під цим шаром знаходиться насичений вуглеводнями шар подібної товщини з скелястим ядром розміром приблизно з Меркурій. Нептун, хоч і масивніший за Уран, має тоншу атмосферу, але подібні багаті водою та вуглеводнями шари. Його скелясте ядро ​​трохи більше, приблизно розміром з Марс.

Наслідки для екзопланет

Якщо теорія Мілітцера правильна, вона має наслідки за межами нашої Сонячної системи.  Планети, схожі за розміром на Уран і Нептун, які часто називають субнептуновими екзопланетами, належать до найпоширеніших типів планет, виявлених навколо інших зірок. Ці екзопланети також можуть мати шаруваті внутрішні частини з відмінним хімічним складом і магнітними полями.

«Якщо інші зоряні системи мають подібний склад до нашої, крижані гіганти навколо цих зірок цілком можуть мати подібні внутрішні структури», — зазначив Мілітцер.

Інтер’єри Урана і Нептуна 

Мілітцер сподівається співпрацювати з фізиками-експериментаторами, щоб відтворити екстремальні умови всередині Урана і Нептуна в лабораторних умовах.  Випробовуючи поведінку рідин із елементарними пропорціями, знайденими в протосонячній системі, дослідники могли перевірити, чи природним чином утворюються шари, що не змішуються.

Майбутні космічні місії також можуть надати остаточний доказ. Запропонована місія НАСА на Уран може включати допплерівську камеру для вимірювання коливань планет.  За словами Мілітцера, шарувата планета буде вібрувати на різних частотах, ніж планета з повністю конвекційним внутрішнім середовищем. Його наступний проект передбачає обчислення цих коливань за допомогою його обчислювальної моделі.

Особливості Урана і Нептуна 

Відкриття Мілітцера кидають виклик популярним теоріям про Уран і Нептун, таким як ідея алмазного дощу в надрах планет або екзотичні властивості суперіонної води.

«Якщо ви запитаєте моїх колег: «Що, на вашу думку, пояснює поля Урана і Нептуна?» вони можуть сказати: «Ну, можливо, це цей алмазний дощ, але, можливо, це властивість води, яку ми називаємо суперіонною», — сказав Мілітцер.  «З моєї точки зору, це неправдоподібно. Але якщо ми маємо цей поділ на два окремих шари, це повинно пояснити це».

Багаторівнева модель Мілітцера пропонує вичерпне пояснення особливостей Урана та Нептуна, від їхніх магнітних полів до гравітаційних сигнатур. Визначаючи поділ багатих водою і багатих вуглеводнями шарів як ключовий фактор, дослідження покращує наше розуміння крижаних гігантів і відкриває нові можливості для дослідження надр планети. Майбутні лабораторні експерименти та космічні місії можуть підтвердити ці висновки, не лише проливши світло на таємниці Урана та Нептуна, але й надаючи розуміння структури подібних планет по всій галактиці.