Окончание. Начало - здесь 

Как «обогатить» биомассу?

Как мы уже сказали в первой части, сжигать биомассу напрямую – дело не совсем выгодное. Причин здесь несколько. Так, у нее может оказаться повышенная влажность. Вроде бы, проблему можно решить с помощью сушки, однако для этого потребуются дополнительные энергетические затраты, что снижает эффективность использования. Кроме того, если брать растительные отходы, то их минеральная часть характеризуется низкой температурой плавления, в результате чего прямое сжигание сопровождается повышенным шлакованием поверхностей нагрева. Как показал опыт эксплуатации современных белорусских мини-ТЭЦ, работающих на отходах древесины, они постоянно нуждаются в кратковременных переводах на резервное топливо (природный газ) для разрыхления спекшихся образований. Сжигание однолетней травянистой биомассы и сельскохозяйственных отходов дополнительно вызывает коррозию элементов топливосжигающего оборудования по причине высокого содержания в составе таких отходов хлора и щелочных металлов (калия, натрия).

Помимо этого, растительная биомасса обладает высоким выходом летучих веществ, что при длительном хранении увеличивает риск пожара. Также есть проблемы с транспортировкой из-за низкой плотности и неоднородности состава. А учитывая тот факт, что ее энергетическая ценность в «сыром виде» ниже ценности ископаемого топлива, транспортировка на дальние расстояние вряд ли будет целесообразна.

Указанные недостатки прямого сжигания биомассы приводят к нерациональному использованию полезных ресурсов. По этой причине в мировом энергетическом сообществе возрастает интерес к различным технологиям, позволяющим не только увеличить КПД сжигания растительной биомассы в ее исходном виде, но также повысить ее энергетические свойства путем переработки в различные ценные продукты.

Обычно повышение эффективности прямого сжигания достигается путем создания топок со специальными конструкциями. Здесь достаточно много вариантов. Например, в Финляндии запатентована конструкция, позволяющая сжигать биомассу с влажностью до 60 процентов. В западных странах действует примерно сотня котельных и ТЭЦ, в которых реализована данная технология.

Еще одним распространенным методом повышения эффективности использования ресурсов биомассы является ее совместное сжигание с ископаемым топливом (чаще всего – с углем). Таким путем снижается количество вредных выбросов (биомасса практически не содержит серы). С другой стороны, благодаря наличию ископаемого топлива снижается коррозионная активность дымовых газов (в основном благодаря тому, что хлор нейтрализуется избытком серы, содержащейся в каменном угле).

Кроме того, есть различные методы обработки биомассы в целях вымывания из нее щелочных металлов и хлора. Например, длительное хранение соломы под открытым небом позволяет снизить в ней содержание хлора в 10 раз и калия – в 6 раз.

И тем не менее, считают наши ученые, наиболее перспективный путь – это получение из биомассы «облагороженного» топлива в различных агрегатных состояниях (то есть твердого, жидкого и газообразного). Это связано с тем, что плотность энергии в продуктах переработки всегда выше в сравнении с характеристиками исходного сырья.

Показательно, что с начала нынешнего столетия происходит развитие достаточно широкого спектра технологий по переработке растительной биомассы. Примерно за 20 лет количество установок по производству разных видов биотоплива выросло практически в два раза. На сегодняшний день основным сырьем здесь является древесина. На ее основе получают примерно 75% используемого в мире биотоплива. Однако все термохимические методы находят применение и к другим видам растительного сырья.

Пока что основная доля продукции (в основном – за счет простоты и низких энергетических затрат) приходится на производство твердого биотоплива. В данном случае наши ученые обращают внимание на технологию торрефикации растительного сырья, содержащего в своем составе гемицеллюлозу, целлюлозу и лигнин. Этот технологический процесс рассматривается ими как начальная стадия пиролиза (в литературе он обычно обозначается как «мягкий пиролиз»). Его суть заключается в нагреве сырья в инертной среде до температуры 200-300 градусов Цельсия. В ходе такого нагрева происходит выделение влаги и летучих веществ. При этом потеря массы может составить около 30 процентов, однако энергоемкость полученного твердого остатка – называемого биоуглем – снижается всего на 10% в сравнении с энергоемкостью всего исходного объема биомассы. То есть удельная теплота сгорания полученного продукта увеличивается. Кроме того, энергетические затраты на осуществление технологического процесса могут быть покрыты за счет сжигания выделившегося газа.

Полученный таким путем биоуголь измельчается и на его основе изготавливаются торрефицированные пеллеты. В дальнейшем их можно сжигать либо совместно с обычным углем, либо использовать в качестве топлива самостоятельно.

Данная технология может также эффективно применяться для повышения потребительских свойств уже готового брикетированного или гранулированного топлива, полученного напрямую из биомассы. По сравнению с исходным сырьем, такое твердое торрефицированное биотопливо обладает свойствами гидрофобности и биологической стойкости, благодаря чему для его хранения не нужны какие-то специальные условия.

Кроме биоугля можно получать также жидкое и газообразное топливо. Для этих целей применяются технологии газификации или быстрого пиролиза. Спектр таких технологий достаточно широк. Так, наиболее известным методом получения синтетических жидких топлив является процесс Фишера-Тропша, в ходе которого происходит синтез водорода и окиси углерода в углеводороды. Несмотря на то, что у данного метода есть свои недостатки, важным показателем является то, что полученный продукт имеет более высокие характеристики, чем традиционные продукты, получаемые из нефти. Такой продукт может использоваться и как сырье для химической промышленности, и как основа для получения моторных топлив.

Говоря о перспективах развития технологий производства биотоплива, ученые выделяют три поколения. Первое поколение было связано с использованием пищевого сырья (для биоэтанола) и растительных масел (для биодизеля). Второе поколение характеризуется широким использованием непищевого сырья, а также созданием специальных «энергетических плантаций» из технических культур (о чем мы уже писали). Наконец, третье поколение биотоплива будет связано с использованием различных водорослей, которые обеспечивают очень быстрый прирост биомассы.

Таким образом, сырьевая база для данного направления планомерно расширяется. И здесь опять стоит задать «сакраментальный» по нашим временам вопрос: способна ли биомасса заменить традиционное ископаемое топливо? То есть может ли человечество отказаться от угля и углеводородов, найдя им замену в лице энергетической биомассы, производимой растениями (и не только)?

Как мы уже показали, в чисто техническом плане такая замена вполне возможна. Из растительной биомассы можно получать биуголь, горючий газ, биомасло, биопластик, смолы, транспортное топливо (включая биодизель и биоэтанол), полукокс, углеродистый остаток для композитных материалов, технический водород и другие химикаты, а также удобрения. Главная проблема, как всегда, упирается в экономическую целесообразность. И в данном случае важно учесть, что указанные технологии по переработке биомассы стали развиваться (а по сути – возрождаться) не от хорошей жизни. При этом цены на ископаемое топливо (в первую очередь – нефть и газ) могут иметь решающее значение для глобальной топливно-энергетической трансформации в пользу биомассы.

Мы начинали разговор с ситуации на Ближнем Востоке, когда из-за боевых действий и нарушения транспортных артерий цены на нефть стремительно взлетели вверх, и во многих странах ощутили приближение энергетического кризиса. Но есть и другая, куда более фундаментальная проблема – исчерпание доступных месторождений. Это как раз то, о чем ученые предупреждают не один десяток лет. Освоение месторождений в труднодоступных местах (например, в арктической зоне), где сильно повышаются издержки как на стадии геологоразведки, так и на стадии промышленной добычи и транспортировки, может создать ситуацию, когда нефтяной бум прошлого столетия станет восприниматься как идиллическая картинка. Иначе говоря, совсем не исключено, что нефть окажется тяжелой во всех смыслах – как в физическом, так и в экономическом. Кстати, сибирские геологи открыто говорят о том, что «вскрытие» кладовых Арктики совсем не обещает дешевой нефти, и похоже на то, что больше дешевой нефти никогда не будет.

Но не станет ли это шансом для биомассы занять пустеющее пространство? Точного ответа у нас пока еще нет, однако тот факт, что работы в указанном направлении очень сильно активизировались за последние двадцать лет, говорит о многом.

Андрей Колосов

(в статье были использованы материалы открытых научных публикаций и диссертаций сотрудников Института теплофизики имени С.С. Кутателадзе СО РАН и Национального исследовательского Томского политехнического университета)

Изображение сгенерировано нейросетью

Сотрудник Центрального сибирского ботанического сада СО РАН в составе международного коллектива исследователей обнаружил на территории провинции Сычуань в Китае новый для науки вид растения семейства Ranunculaceae (Лютиковые) из рода Бэзия (Beesia), который был назван в честь китайского ученого — Beesia yangii. По словам специалистов, открытие демонстрирует, что комплексный подход в систематической биологии может способствовать как выявлению скрытого биологического видообразования (процесса, который приводит к появлению группы видов, внешне очень похожих друг на друга, но относящихся к разным таксономическим группам и разным видам), так и более эффективному планированию мер по его сохранению. Результаты исследований опубликованы в высокорейтинговом журнале Frontiers in Plant Science.

Бэзия — вечнозеленое многолетнее растение семейства Лютиковые, произрастающее в Восточно-Азиатском регионе, в большей степени на территории Китая. Согласно традиционной научной позиции, оно представлено двумя видами. Международная группа, включающая сотрудника ЦСБС СО РАН и специалистов из Института ботаники Китайской академии наук, исследовала множественные уровни разнообразия родов Бэзии для пересмотра классификации этой группы. В своей работе ученые использовали интегративный подход, в который входят морфологический, филогенетический и цитогенетический анализы, составляющие основу для оценки разграничения видов. 

Более сотни образцов были исследованы в гербарных фондах, а также собраны в Китае, в провинции Сычуань. Именно этот регион считается ключевым местом произрастания Бэзии. Выяснилось, что все три вида растения различаются по размерным параметрам и имеют четкие статистически значимые межвидовые различия. Благодаря полученным данным ученые смогли выбрать лектотипы (оригинальные экземпляры, определенные в качестве объективных носителей характеристик) ранее известных видов и описать новый вид Бэзии. В числе особенностей нового вида, отмеченных исследователями: текстура листа, наличие окрашенных жилок листа, форма и размер зубцов листа, ширина и длина чашелистиков, а также соотношение длины тычинок и чашелистиков, что сегодня может использоваться полевыми ботаниками в работе. Новый вид, названный Beesia yangii, отличается от других сердцевидной листовой пластинкой прикорневого листа с краями из треугольных зубцов с длинным острым концом и бело-зелеными узкоэллиптическими чашелистиками.

Интегративный, или комплексный, подход, использующийся в этом исследовании, помог отчетливо определить новый скрытый вид Бэзии, который, в свою очередь, морфологически и цитогенетически уникален, а также монофилетичен, то есть происходит от общего с другими видами предка и образует отдельную ветвь на филогенетическом дереве. По мнению ученых, широкое применение интегративных методов в дальнейшем может приводить к новым открытиям, как в систематической биологии, так и выявить новые инструменты для сохранения биоразнообразия.

Комплексные исследования выполнены в рамках государственного задания ЦСБС СО РАН (126021217213-2) и гранта РНФ 23-14-00230. 

Кирилл Сергеевич

Фото предоставлены исследователем

Вооруженный конфликт на Ближнем Востоке мгновенно всколыхнул обсуждение проблемы очередного энергетического кризиса. Цены на нефть и газ пошли вверх, что создает угрозу для всей глобальной экономики. Как видим, «зеленый» энергопереход в этом плане мало что поменял. Европа, где в течение последних двадцати лет так истово расширяли долю «чистой» энергии, по-прежнему демонстрирует свою зависимость от цен на углеводороды.

И все же, именно такие события, когда по каким-то причинам нарушаются поставки ископаемого топлива, вынуждают политиков и ученых в ряде стран искать какие-то альтернативные источники энергии. Да, с ветряками и солнечными панелями сложилось не всё удачно. И не только из-за прерывистого характера их работы, но также потому, что их создание ведет к зависимости от других поставок – от поставок критически важных компонентов и материалов. Поэтому данный вариант уже не рассматривается как полноценная замена ископаемому топливу. Более подходящим является вариант, максимально приближенный к тому же ископаемому топливу по принципиально важным параметрам – физическим, технологическим и экономическим.

К счастью, такая альтернатива есть. Здесь мы опять возвращаемся к теме энергетического и технологического использования биомассы. Как ни странно, актуальность этой темы возрастает, и надо полагать, что на фоне грядущего энергетического кризиса для многих стран, зависящих от внешних поставок ископаемого топлива, ее актуальность вырастет многократно.

К сожалению, в нашей стране до сих пор сохраняется скептическое отношение к энергетическому потенциалу биомассы. Но только на обывательском уровне. Почему? Потому что, как мы уже сообщали ранее, наши ученые серьезно занимаются этой темой (в том числе – ученые из новосибирского Академгородка). И надо полагать, что работа в данном направлении рано или поздно себя оправдает даже в нашей стране, где принято полагаться на богатейшие запасы нефти и газа. Запасы эти в любом случае не вечны (о чем, кстати, постоянно напоминают представители академической науки). И что не менее важно: любая альтернатива, способная экономически конкурировать с ископаемыми углеводородами, не может не сказаться положительно на жизни людей. Особенно в том случае, если этот альтернативный вариант никак не зависит от колебания нефтяных цен на мировом рынке. Мало того, когда этот ресурс может быть у вас прямо под рукой, выступая в качестве важного подспорья для развития экономической жизни на местах. Биомасса как раз отвечает таким требованиям. Осталось только разобраться с технологиями. И это – как раз то, чему посвящают внимание наши ученые.

Напомним, что биомасса использовалась в качестве энергетического и технологического сырья достаточно давно, еще до массовой добычи углеводородов. В частности, горючий газ, с помощью которого когда-то освещались европейские города, добывался не из земных недр, а из различной органики – древесины, торфа, бурого угля и так далее (о чем мы достаточно много писали). И кто знает, если бы не были найдены богатейшие нефтяные и газовые месторождения, снабжающие углеводородами практически весь мир, основную массу топлива (твердого, жидкого, газообразного) до сих пор получали бы как раз из разнообразной биомассы. И как мы знаем, биомасса нередко выступает как некий «страховой резерв», когда возникает дефицит с нефтепродуктами. Так, например, было во время Второй мировой войны, когда часть автомобильного транспорта буквально переводили на дрова (о чем мы также писали).

Приведут ли перебои с поставками нефти и газа к росту использования таких же «альтернативных» видов топлива в наши дни или на ближайшую перспективу? И вообще: стоит ли ожидать, что биомасса постепенно вытеснит ископаемые углеводороды и другие виды ископаемого топлива?

Согласно подсчетам ученых, 80% всей биомассы суши приходится на леса и травянистые экосистемы. Растительный покров планеты составляет около двух триллионов тонн в пересчете на сухое вещество. При этом в процессе фотосинтеза ежегодно производится до 200 миллиардов тонн биомассы, энергетический потенциал которой в пять раз превышает мировое производство энергии! То есть, теоретически, данного ресурса как будто хватает для удовлетворения наших энергетических потребностей.

В настоящее время этот гигантский потенциал используется лишь частично. Так, суммарная выработка энергии на установках, использующих биомассу, на конец 2017 года составила примерно 15,5 ТВт*час. При этом, отмечают наши ученые, до сих пор сохраняется высокая доля обычного сжигания вполне качественной древесины (пригодной для других целей). В то же время практика некоторых стран показывает высокую эффективность энергетического использования биомассы, представленной отходами различных отраслей промышленности.

Отметим, что европейские страны давно уже идут по этому пути. Лидерами в данном секторе являются Австрия и Швеция, где леса занимают примерно половину территории, а древесные отходы активно используются в энергетических целях. Если в целом говорить о производстве брикетов и топливных гранул, то лидерами здесь являются США, Канада и Германия. В Канаде производство даже превышает потребление, поэтому часть топливных гранул экспортируется в Европу. В Дании наладили переработку соломы, которая позволяет производить 17 млн КДж энергии. Помимо этого, другие технологии переработки биомассы позволяют в общей сумме получать до 90 млн КДж энергии, что составляет примерно 12% от общего энергопотребления в этой стране.

Интересно, что страны третьего мира также активно включаются в освоение энергетических биоресурсов, эффективно используя сельскохозяйственные отходы. Например, в Кении 70% кофейной шелухи, образующейся в ходе обработке зерен, идет на производство топливных брикетов для бытового использования. В Индии ежегодно образуется до 500 млн. тонн растительной биомассы, энергетическое использование которой эквивалентно выработке более 17 ГВт мощности.

Что касается России, то по мнению наших ученых, из-за суровых климатических условий именно биомасса должна стать самым востребованным видом возобновляемых источников энергии (в сравнении с ветром и солнцем). Ее энергетическое использование, считают ученые, поможет (в том числе) решить проблему утилизации местных органических отходов, способных принести вред окружающей среде. Так, накопление отходов лесоперерабатывающей промышленности увеличивает пожароопасность лесов, а равно и предприятий, осуществляющих такую деятельность. Кроме того, длительное хранение сельскохозяйственных отходов приводит к их гниению и выделению токсичных веществ, что серьезно ухудшает санитарную обстановку. А их неграмотное захоронение приводит к деградации плодородного слоя почвы.

Что самое важное: наша страна – в силу своей огромной территории – обладает значительными запасами различных видов биомассы. По площади лесов Россия занимает первое место в мире. При этом более половины лесных массивов сосредоточено в Сибири, на Дальнем Востоке и на Урале. Согласно научным подсчетам, годовой прирост целесообразной для энергетического использования биомассы составляет у нас около 800 миллионов тонн. Одной лишь перезрелой древесины накапливается до 500 миллионов тонн. Кроме того, в лесоперерабатывающей промышленности на долю древесных отходов (щепа, опилки, стружка и т.д.) приходится примерно 40% от исходного сырья. В Южной и Центральной частях России, а также на юге Сибири (в регионах с развитым сельским хозяйством) сосредоточены внушительные запасы биомассы однолетних сельскохозяйственных культур.

Еще одним важным энергетическим ресурсом для нашей страны может стать торф. Во многих странах он относится к возобновляемым энергетическим ресурсам – при условии, что его годовой прирост будет превышать объемы добычи (то есть при рачительном использовании). Россия, отмечают ученые, является одним из лидеров в мире по площади болот (примерно 1,5 миллиона кв. километров). То есть запасы торфа для нужд энергетики могут оказаться значительными.

Тем не менее, в настоящее время потенциал биоресурсов в российской энергетике всё еще остается мало востребованным. Так, количество электроэнергии, получаемой за счет различных видов биотоплива, составляет у нас менее 100 ГВт*ч энергии, а тепловой энергии – около 20 тысяч ТДж, что в сотни раз уступает производству энергии из ископаемых энергоресурсов. В то же время на долю местных котельных и индивидуальных отопительных установок приходится 25% от общего производства тепла. Большая часть этих котельных до сих пор работает на традиционных видах топлива.

И все же в некоторых регионах страны уже начинают внедрять альтернативные энергоресурсы из биомассы. Так, уже реализованы проекты по переводу котельных на торф и щепу в республике Карелия, во Владимирской, Псковской и Тверской областях. Суммарная мощность мини-ТЭЦ, работающих на биомассе, в европейской части страны составляет уже примерно 100 МВт. Параллельно строятся предприятия по производству из биомассы различных видов топлива: как твердого (брикеты, гранулы, пеллеты), так и жидкого, и газообразного (биогаз).

Как мы понимаем, наиболее актуальны такие технологии для труднодоступных районов, энергоснабжение которых осуществляется за счет привозного топлива. Снижение зависимости от внешних поставок при одновременной утилизации органических отходов делает такую опору на местные энергетические источники вполне оправданной с экономической точки зрения.

При этом наши ученые подчеркивают, что традиционные способы сжигания биомассы (очень распространенные на сегодняшний день) не обеспечивают высокого КПД, что затрудняет расширение ее использования. В этой связи становится актуальным внедрение альтернативных технологий термической переработки биомассы с целью повышения ее энергетических свойств. Это как раз тот круг вопросов, которыми на сегодняшний день весьма активно занимаются сибирские ученые.

Андрей Колосов

(в статье были использованы материалы открытых научных публикаций и диссертаций сотрудников Института теплофизики имени С.С. Кутателадзе СО РАН и Национального исследовательского Томского политехнического университета)

Изображение сгенерировано нейросетью

Окончание следует

Элементы ускорителей частиц (коллайдеров) и приборы на космических станциях работают в условиях сильного радиационного фона, который со временем их разрушает, или, как говорят специалисты, старит. Чтобы проверить, какие изменения они претерпевают под его воздействием и сколько проработают в таких условиях, проводятся тесты на радиационное старение. В 2025 г. в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) для проведения подобных исследований создан стенд на базе установки VITA – ускорительного источника нейтронов для развития бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ). В 2022 г. на нем было успешно исследовано оборудование детектора CMS, работающего на Большом адронном коллайдере (LHC, CERN), и материалов первой стенки ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor). В 2026 г. ИЯФ СО РАН совместно с Физическим институтом им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) запланировали совместное развитие инфраструктуры и методической базы исследований радиационного старения кремниевых фотоумножителей. Последние являются чувствительными элементами для регистрации фотонов и широко используются в системах современных детекторах для физики элементарных частиц (ФЭЧ). Договор находится на стадии подписания.

Ключевые установки в ФЭЧ, которые дают основной массив экспериментальных данных для этого раздела физики – коллайдеры. В них по круговой орбите движутся и сталкиваются пучки встречных частиц, ускоренные до релятивистских скоростей. Во время соударения происходит аннигиляция, то есть высвобождение энергии с последующей трансформацией исходных частиц в другие. Так физики получают информацию об устройстве микромира. В области столкновения находятся детекторы, фиксирующие все происходящие процессы с образованием новых частиц, здесь же неизбежно возникает сильный радиационный фон. Естественно, что коллайдеры оборудованы биологической защитой для безопасной работы персонала, а вот элементы детекторных систем постоянно подвергаются воздействию радиации от потока нейтронов.

Основной вклад в радиационную нагрузку на работающих коллайдерах дают быстрые нейтроны с энергиями порядка 10-20 МэВ. Если тепловые нейтроны в основном захватываются атомными ядрами вещества, то быстрые нейтроны фактически разрушают их. Одним из примеров такого разрушающего воздействия является изменение характеристик ключевых чувствительных приборов, широко использующихся в системах детекторов (системы идентификации частиц, калориметры и т.д.) – твердотельных фотоумножителей на основе кремния, или SiPM (Silicon PhotoMultiplier), которые способны регистрировать отдельные фотоны. SiPM при поглощении фотонов, с некоторой достаточно высокой вероятностью, формирует токовый импульс, который затем регистрируется специальной электроникой. Но под воздействием облучения потоком нейтронов SiPM со временем утрачивает свои свойства.

«У SiPM нет полной защиты против ионизирующей радиации, – прокомментировал старший научный сотрудник Отделения физики твердого тела ФИАН кандидат физико-математических наук Сергей Виноградов. – Частицы высоких энергий повреждают кристаллическую решетку кремния, создавая точечные или кластерные дефекты, становятся неразличимы импульсы от фотонов, ухудшается отношение сигнал/шум, и прибор в конце концов перестает обеспечивать требуемую функциональность, например, по энергетическому или временному разрешению. Других причин выхода из строя для SiPM практически нет».

По словам специалистов, пока что повысить радиационную стойкость кремниевых фотоумножителей невозможно, поэтому необходимо сохранять параметры повреждаемых радиацией устройств. Тесты по радиационному старению необходимы для оценки способности материалов сохранять свойства под воздействием ионизирующего излучения. В 2025 г. в ИЯФ СО РАН был разработан и реализован первый вариант стенда для проведения подобных экспериментов. Его создали на базе установки VITA – ускорительного источника нейтронов на основе ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией и литиевой нейтроногенерирующей мишени для БНЗТ. Но история его создания началась немного раньше. В 2022 г. специалисты облучали потоком нейтронов оптоволокно, которое предполагают использовать для калибровки детектора CMS Большого адронного коллайдера, когда он начнет работать в новом режиме высокой светимости.

«Основная миссия установки VITA – это, конечно, развитие БНЗТ, но ее возможности позволяют развивать и другие направления, – прокомментировал заведующий сектором ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Сергей Таскаев. – Например, мы используем установку для фундаментальных исследований по измерению сечений различных ядерных реакций, а также для тестирования материалов перспективных для работы в экстремальных радиационных условиях, например, в термоядерных реакторах. В 2022 г. запрос от коллег из коллаборации CMS стал для нас вызовом, потому что мы не только должны были сгенерировать мощный поток быстрых нейтронов, но и поддерживать его работу ежедневно в течение месяца. Благодаря смене водородного пучка на дейтериевый мы научились создавать реально много нейтронов. После успешных испытаний для ЦЕРН на том же прототипе стенда мы облучали пластины карбида бора для ИТЭР».

По результатам успешно проведенного эксперимента в 2022 г. стало ясно, что в ИЯФ СО РАН можно проводить подобного рода исследования мирового уровня. В 2023 г. после прекращения сотрудничества с коллаборацией CMS было принято решение попробовать реализовать стенд для исследования радиационного старения SiPM с использованием полученного опыта работы на VITA. Физики сфокусировались именно на SiPM, потому что это базовый чувствительный элемент детекторов любой ускорительной машины. В 2024 г. был изготовлен первый прототип стенда и проверена его работоспособность под воздействием быстрых нейтронов. Дальнейшим развитием этой методики стало создание первого варианта стенда в 2025 г.

«Очень важно понимать, что за фотоумножитель перед вами, какая степень применимости у этого прибора в условиях высокой радиационной нагрузки, – добавил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Виктор Бобровников. – Да, все началось с CMS, но радиационные тесты твердотельных фотоумножителей актуальны и для нас самих, так как в ИЯФ СО РАН планируется реализация проекта электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-6. И, конечно, для других российских заказчиков. За 2025 г. мы создали рабочую версию стенда, в которой реализовали ряд методик, отработанных на прототипе. После этого провели ряд радиационных тестов с несколькими японскими SiPM: исследовали зависимость шума, поведение напряжения пробоя и фоточувствительность от радиационной дозы. Таким образом мы отработали методику измерений и показали, что стенд является достаточно эффективным для исследования радиационного старения SiPM. В 2026 г. мы договорились с коллегами из ФИАН, что будем вместе развивать методику проведения радиационных тестов и исследовать твердотельные фотоумножители, работающие в экстремальных радиационных условиях. На данный момент договор находится на стадии подписания».

В России тематикой твердотельных фотоумножителей занимаются в том числе в лаборатории оптоэлектроники ФИАН. Здесь специалисты проводят экспериментальные исследования SiPM, разрабатывают методики их измерений и вероятностные моделей процессов детектирования в таких устройствах. 

«Разработки новых конструкций – самая увлекательная и самая сложная часть работ по SiPM. К сожалению, возможности их проведения определяются доступностью кремниевых производств, и возникают они очень редко, – добавил Сергей Виноградов. – Мы занимаемся почти всеми направлениями тематики SiPM. Стенд радиационных исследований ИЯФ СО РАН позволит нам продвинуться на этом пути. Разработка методик и корректные измерения основных параметров SiPM при радиационных повреждениях имеют самостоятельную ценность для прогноза функционирования SiPM в условиях радиации, что важно практически для всех применений SiPM в коллайдерах и подобных экспериментах, а также для исследований в космосе, мониторинга радиационных загрязнений окружающей среды и др. Стенд ИЯФ СО РАН – это уникальная установка, которая позволяет вести непрерывный мониторинг состояния и параметров SiPM непосредственно в ходе облучения образцов нейтронами установки БЗНТ. Такой возможности, насколько я знаю, больше нет нигде в мире. В целом, я считаю очень интересным и перспективным сотрудничество с ИЯФ СО РАН по развитию инфраструктуры и методической базы таких исследований, а еще надеюсь, что это когда-нибудь приведет к разработке радиационно-стойких твердотельных фотоумножителей».

Пресс-служба Института ядерной физики СО РАН

Фото Т. Морозовой

На модели хромосом типа «ламповых щёток» ученые Института цитологии и генетики СО РАН вместе с коллегами из Санкт-Петербургского государственного университета показали, что белковый комлекс когезивный когезин может служить мощным препятствием для упаковки ДНК и формировать «жёсткие границы» между участками генома. Это открывает новый взгляд на то, как трёхмерная архитектура ДНК управляет включением и выключением генов в клетке. Результаты исследования опубликованы в журнале Nucleic Acids Research (https://academic.oup.com/nar/article/54/7/gkag316/8653609).

В ооцитах курицы при созревании яйцеклетки хромосомы принимают особую форму: становятся похожи на «палочки» с крупными боковыми петлями – это активно транскрибируемые гены, по которым постоянно «едут» сотни удлинняющих РНК полимераз.

«Мы изучали не то, зачем нужны хромосомы типа ламповых щёток, а как они устроены и почему выглядят именно так. Давно было понятно из биофизики, что огромные “шубы” из РНК и белков на активно работающих генах должны отталкиваться и выпетливаться наружу. В своем исследовании мы это подтвердили и моделями, и цитологически», – объяснил один из авторов исследования, сотрудник лаборатории геномных технологий для медицинской генетики Тимофей Лагунов.

Авторы работы совместили данные геномики (Hi-C, single-cell Hi-C, анализ метилирования ДНК, транскриптомики) и микроскопии с детальным биофизическим моделированием. Результаты продемонстрировали, что РНК-полимеразы, продвигаясь по активному гену, «сметают» большинство белков на своём пути, но не могут разорвать когезиновые кольца, которые удерживают вместе две сестринские хроматиды. Эти кольца сдвигаются к концам активных генов и накапливаются там, мешая другим белкам свернуть ДНК более компактно.

«Наше моделирование показало, что когезиновые кольца могут настолько сильно препятствовать компактизации, что в случае хромосом типа ламповых щёток они формируют очень жёсткие границы между участками ДНК. Проявления эффекта с такой силой до нас никто не описывал», – рассказал Лагунов.

Одновременно, рядом с активными генами скапливаются массы только что синтезированной РНК с белками, создавая избыточное «давление» в локальном объёме. В итоге участки ДНК, свободные от когезина, выталкиваются наружу в виде крупных петель, а между ними участки, «прошитые» кольцами, остаются компактными и формируют характерный рисунок хромомеров.

Сам этот рисунок был известен и ранее, но в своей модели исследователи объяснили механизм, благодаря которому он удивительно воспроизводим у разных особей одного вида: архитектура хромосом-«ламповых щеток» у разных куриц на этой стадии созревания ооцита практически совпадает, что необычно для обычных соматических хромосом, где структура гораздо более динамична.

Ключевой вклад работы – в демонстрации того, что белковый комплекс когезивный когезин сам по себе может быть важным фактором, задающим трёхмерную архитектуру генома, а через неё – и режим работы генов.

«То, что когезины есть в осях хромосом, было известно давно. Но то, что они могут служить таким сильным препятствием для компактизации хроматина, причём настолько, что в ламповых щётках формируют жёсткие границы между участками ДНК, – это новый результат», – подчеркнул исследователь.

Компьютерная модель позволила «включать» и «выключать» эффект препятствия и тем самым напрямую проверить, насколько сильно когезин меняет структуру хромосомы.

Хотя ламповые щётки встречаются в основном у яйцекладущих и мечущих икру организмов и наблюдаются только в ооцитах на определённой стадии мейоза, авторы считают, что выявленный механизм имеет более общий характер. В любой клетке позвоночных после удвоения ДНК новые копии временно соединены этим белковым комплексом, и вопрос компактной упаковки генома тесно связан с тем, где и как располагаются эти кольца. С учётом того, что работа генов и ошибки в упаковке ДНК лежат в основе многих заболеваний, понимание роли когезивного когезина в формировании трёхмерной структуры генома важно не только для фундаментальной биологии, но и для будущих медицинских исследований.

Рисунок предоставлен Тимофеем Лагуновым

Пресс-служба Института цитологии и генетики СО РАН

В новом кампусе Новосибирского государственного университета открылась фотовыставка «Первые среди звёзд» – мультимедийный проект о том, как мечта о космосе стала частью истории России, её науки и культуры. На тридцати уникальных документах из архивов РИА Новости показали путь от идей Циолковского и первых ракетных опытов до первых пилотируемых полётов, жизни на орбите и планов на новые станции и лунные миссии. Экспозицию сопровождала серия подкастов, а организаторами проекта выступили холдинг ОИ Медиа (ранее – МТС Медиа), РИА Новости и Радио Sputnik при поддержке Государственной корпорации «Роскосмос», Российского военно‑исторического общества, Национального центра исторической памяти при Президенте РФ и Российского исторического общества.

Проект задуман как серия региональных выставок: уже прошли показы в Луганске, ВДЦ «Орлёнок» и Калининграде; Новосибирск стал очередной точкой маршрута. Формат предполагает не только экспозицию, но и образовательные программы, дискуссии и встречи с экспертами, что делает его живым и многоуровневым.

Кирилл Ибрагимов, начальник отдела реализации проектов медиагруппы «Россия сегодня», назвал проект комплексным и мультимедийным: «Изюминка этого проекта в том, что он комплексный, мультимедийный: фотовыставки в десяти регионах и подкаст, который в неделю космонавтики ежедневно рассказывал о достижениях Советского Союза в космической гонке». Он добавил, что многие кадры открываются публике впервые: на выставке можно было увидеть архивные снимки, которые ранее не публиковали. В числе таких – редкие фотографии Константина Циолковского за работой в лаборатории и кадры подготовки и отборов первого отряда космонавтов.

На одном из центральных стендов – снимок с Юрием Гагариным за несколько часов до старта: на фото видно напряжённое, но спокойное лицо, рядом с ним Королёв, дающий последние напутствия. Ибрагимов рассказывал, что решение о пилотируемом полёте приняли в конце 1959‑го, а за год – из трёх тысяч кандидатов – выбрали шесть, затем пять. «Решение о том, что будет совершен пилотируемый полёт, заранее не разглашали; о полёте по радио сообщили уже после возвращения. Люди были ошарашены – и пошли стихийные поздравления по всей стране», – отметил он. Фотография Гагарина, проходящего по Красной площади через несколько дней после полёта, служила в экспозиции напоминанием о том, какой силой была победа над страхом и неизвестностью: «Это дорого стоило: восстановиться после такого испытания за пару дней мог только человек особой воли», – прокомментировал Ибрагимов.

Ректор НГУ, член‑корреспондент РАН Дмитрий Пышный, который открывал выставку на площадке нового кампуса, связал экспозицию с научной жизнью университета. «Сегодня у нас важный знаменательный день, – сказал он. – Выставка включает 30 уникальных фотографий из архивов РИА Новости: они показывают историю развития космонавтики в России, её роль в науке и культуре». Пышный подчеркнул, что площадка НГУ выбрана неслучайно: университет последние десятки лет участвовал в разработке приборов для освоения космоса, сотни комплектующих разработаны и отправлены на орбиту. «Мы активно работаем над малыми спутниками, и сейчас включаемся в серию аппаратов вроде Norbi‑4, где будут тестироваться решения с использованием искусственного интеллекта для малых космических систем», – сообщил ректор. Экспозиция, по его словам, должна вдохновить студентов: «Это наше историческое прошлое, настоящее и будущее».

Выставка выстроила хронологию и человеческие истории: рядом с официальными снимками полётов кадры бытовых эпизодов: фотографии тренировок, семейные портреты космонавтов и рабочие планы инженеров. Под каждой фотографией стоят QR‑коды, отсканировал  и слушаешь подкаст, где журналисты, ученые и политики делятся эпизодами истории отечественной космонавтики. И каждый выпуск открывает новую грань этого глобального проекта, расширившего границы нашей Ойкумены.

СССР действительно занимал лидирующие позиции в начальной фазе освоения космоса – запуск первого искусственного спутника в 1957 году, первый пилотируемый полёт Юрия Гагарина в 1961‑м, первые выходы в открытый космос, полёты на лунную программу и создание орбитальных станций – всё это стало частью глобальной истории и повлияло на науку, инженерию и культуру десятилетий. Эти достижения породили целую культурную вселенную: книги, фильмы, музыку и образ будущего, который вдохновлял поколения учёных и конструкторов. В экспозиции это чувство масштаба передавалось и через технические кадры, и через личные истории тех, кто создавал космос.

Организаторы сделали особый упор на образовательный эффект: выставка не просто демонстрировала кадры, а предлагала посетителю маршрут – от идей и расчётов до испытаний и ежедневной работы на орбите. В дни открытия организаторы планировали встречи со студентами и школьниками, где рассказывали не только историю, но и практические истории о том, как устроена современная космическая инженерия. «Мы приезжаем в десять регионов и проводим такие небольшие открытия, общаемся со студентами и школьниками», – объяснил Ибрагимов.

Завершая открытие, организаторы подчеркнули, что цель экспозиции – не только напомнить о достижениях, но и показать преемственность: как прошлые решения и риски формировали сегодняшние технологии и какие вызовы стоят перед новыми поколениями инженеров и учёных. «Это проект для тех, кто хочет по‑настоящему почувствовать масштаб космической истории: потому что космос давно стал частью нашего прошлого, настоящего и будущего», – говорится в сопровождающих материалах проекта.

Выставка «Первые среди звёзд» будет доступна на площадке нового кампуса НГУ в течение месяца; организаторы планировали продолжить выездные показы и в других регионах, а любой желающий мог прослушать полную подкаст‑серии через QR‑коды у стендов и на площадке проекта. Для тех, кто готов задуматься о цене открытий и о людях за кадром, экспозиция предлагала именно такой путь – от архивного кадра к рассказу, от личной судьбы к общей истории покорения неба.

Сергей Исаев

Фото - Инесса Бахарева (1,3), Варвара Фролкина (2,4)

Лекция Ирины Мухиной в НГУ началась с личной истории — и уже она задала тон разговору об искусственном интеллекте. Кандидат физико‑математических наук, выпускница Новосибирского университета, почти тридцать лет она жила и работала в Канаде, занималась финансами, риск‑менеджментом и управлением активами. Ещё в конце 1990‑х она применяла нейросети для сегментации клиентов и видела, как алгоритмы шаг за шагом становились невидимыми управляющими больших систем. Этот опыт, наложенный на жизнь между разными языковыми и культурными мирами, позволил ей говорить об ИИ не только как о технологии, но и как о среде, в которой начинает меняться человеческое сознание.

Мухина подчеркнула, что фундаментальное математическое образование НГУ стало для неё «операционной системой», на которой потом можно было «доустанавливать» любые прикладные знания. «В Новосибирском университете научили настолько серьёзной математике, что всё остальное можно было спокойно изучить в процессе деятельности», — вспоминала она. Но именно опыт жизни в англо‑ и франкоязычной среде заставил её задуматься о том, как язык влияет на мышление. По её словам, аналитические, «технократические» языки Запада задают утилитарный способ думать, тогда как образно‑логический русский язык лучше поддерживает более гибкое и изобретательное мышление. Из этого она вывела ключевой мотив лекции: в эпоху ИИ борьба идёт не столько за устройства, сколько за тип сознания.

Говоря о цивилизационном сдвиге, Мухина предложила смотреть шире привычного сюжета про «очередную технологическую революцию». В XIX–XX веках технологии в первую очередь меняли физический труд и инфраструктуру, затем коммуникации — от телеграфа до социальных сетей. Сейчас, считала она, мир вошёл в фазу технологизации самого мышления, когда алгоритмы незаметно подменяют собой процессы внимания, памяти и выбора. На этом фоне особенно контрастной выглядела энергетическая цена цифрового мира. «Если наш мозг посредством живых процессов потребляет десятки ватт, то всё, что происходит в цифровой среде, — это мегаватты. Это экзистенциальная разница естественного и искусственного интеллекта», — подчеркнула она. По её мнению, разговоры о «зелёном переходе» и устойчивом развитии плохо сочетались с взрывным ростом энергоёмких дата‑центров, на которых держится нынешний ИИ.

От абстрактных киловатт Мухина перешла к тому, что слушатели чувствуют каждый день: к отчуждению времени и внимания. Она предложила посмотреть на историю последних столетий как на цепочку «отчуждений»: сначала у людей отнимали землю, затем капитал, а сегодня — внимание и время жизни. Социальные сети, игры и бесконечные ленты новостей, по её словам, выстраиваются как дофаминовые машины, которые втягивают человека в «воронку смыслового хаоса». «Мы реально живём во время, когда мы уже никогда не узнаем, что на самом деле происходило с любым событием… семантический хаос поглощает нашу реальность», — сказала она. В этих условиях массовому пользователю становится всё труднее отличать знания от информационного шума, а реальность — от её платформенной версии.

Одновременно на цифровых платформах формировалась новая архитектура власти, которую Мухина описала как технофеодализм. Классические государства и корпорации частично уступили место гигантским экосистемам. На Западе это GAFAM, в России — крупные цифровые платформы, объединяющие десятки и сотни компаний под одной «облачной» крышей. «Человек становится ошибкой кода. Он становится багом. Тем, что замедляет работу системы», — резко сформулировала она. Алгоритмы встроились в кредитование, логистику, рекламу, и человек всё чаще оказывался в роли набора поведенческих паттернов, которыми можно управлять в автоматическом режиме.

Отдельный блок лекции был посвящён большим языковым моделям — системам, которые уже пишут тексты, переводят, советуют и иногда отвечают на вопрос о смысле жизни. Мухина заметила, что большинство таких моделей обучаются на массиве относительно недавних текстов, насыщенных клише, упрощениями и культурным шумом. В результате, по её словам, ИИ чаще воспроизводит поверхностный слой массовой культуры, чем достаёт глубинные смыслы. Второй важный момент — встроенные рамки и цензура. Она привела характерный пример: «Переводила что-то… Оно мне выдало половину. Я говорю: “Почему так плохо перевела?” А она [модель] пишет: “А всё остальное переводить нельзя, потому что там смысл… мне не рекомендуется вдаваться в эту тему”». Для неё это стало иллюстрацией того, как в ИИ закладываются неявные идеологические фильтры, соответствующие определённой политической и культурной повестке.

Но даже не цензура, а манипулятивный потенциал ИИ показался ей наиболее опасным. Продолжая линию от раннего таргетинга рекламы до гиперперсонализации, Мухина говорила о том, что под каждого человека теперь можно «сшить» собственную цифровую реальность. «Под каждого выбирают миры и подшивают под их страх, под их ожидание, под их картину мира», — объяснила она. Ленты новостей, рекомендации видео и рекламные сообщения складываются в индивидуальный «когнитивный коридор», который подтверждает уже имеющиеся убеждения и отсечёт всё, что им противоречит. Так, по её оценке, возникают устойчивые информационные пузыри, внутри которых уже не нужно спорить или сомневаться — алгоритм сам подстраивает мир под пользователя.

Последствия такой цифровой среды Мухина видела в деградации когнитивных навыков и изменении структуры личности. По её наблюдениям, у молодых людей падала способность к длительной концентрации, снижались креативность и мотивация искать нестандартные решения: за них всё чаще «думали» готовые алгоритмы. Уход в виртуальные миры, геймификация повседневности и лёгкий доступ к наркотикам усиливали разрыв между онлайн‑образом и реальной жизнью. Важным симптомом она назвала то, как меняется способ общения. Мухина привела образ «карго‑культа» потребления: «Когда им доставляют еду, когда им доставляют все пакеты… у них это “карго‑культ” — и всё тебе сейчас принесут. Вот я только кнопочку нажму. Это выполнение алгоритмов без понимания смысла». Люди, по её словам, привыкают действовать по инструкции, не задавая вопроса «зачем».

На этом фоне Мухина перешла к вопросу о месте России в мире, где ИИ становится инфраструктурой сознания. Её позиция звучала однозначно: Россия — не просто страна, а отдельная цивилизация, соединяющая Запад и Восток. Огромная территория, разнообразие народов и культур, опыт жизни в суровой природной среде, по её мнению, формируют особый тип коллективного характера. «Запад управляется законом. Восток — традицией. А Россия — пословицами и поговорками… У нас должна быть высокая цель, мы живём по принципу “во имя”», — сформулировала она. В этом контексте Сибирь для неё — не «кладовая ресурсов», а пространство живой среды и особого менталитета, способного сопротивляться унифицирующему давлению глобальных платформ.

Главной угрозой для России она назвала не санкции или конкуренцию технологий, а незаметную унификацию. Заимствование западных стандартов в IT, бизнес‑моделях и управлении, по её словам, несёт риск растворения собственной цивилизационной идентичности. Мухина предложила отличать унификацию (подгонку под один шаблон) от универсализации (поиск общих принципов при сохранении различий). В её представлении у России есть шанс предложить миру альтернативную модель — «человекомирный мир», где технологии остаются продолжением живого, а не подменяют его.

В финале лекции разговор об ИИ окончательно превратился в разговор о целях. Мухина предложила сместить фокус с вопроса «как?» — доминирующего в технократической логике — на вопросы «зачем?» и «во имя чего?». Искусственный интеллект, по её мысли, должен оставаться цифровым слугой: брать на себя рутину, поиск и компиляцию данных. Но ставить задачи и определять цели обязан человек, обладающий волей, духом и нравственным выбором. «Задачу ставит человек. Человек в духе ведёт за собой цифровое сознание… Это моментная часть живого целого, встроенная в этот новый тип», — сказала она. В качестве метафоры Мухина обратилась к человеческому телу: органы власти и управления, по её мнению, должны работать как органы живого организма, а не как безличные организации.

В качестве возможного ориентира она вспомнила идеи русских космистов и учение о ноосфере, где человечество мыслится как часть разума планеты, а технологии — как продолжение естественных процессов, а не их противник. Индикатором «здоровья» общества в такой рамке она назвала способность людей возвращаться к живому контакту с природой и своим народом, ставить коллективные высокие цели, а не только потреблять. Главную мысль Мухина сформулировала жёстко и просто: «Родиться человеком — это чудо. Оставьте человека человеком… Процесс внедрения искусственного интеллекта не остановить. Это вызов человечности. Им нужно управлять так, чтобы сознание, мышление, человечность прогрессировали, а не деградировали». В её интерпретации вопрос об ИИ оказался прежде всего вопросом о том, кем мы хотим быть, когда делегируем машинам всё больше человеческих функций.

Сергей Исаев

Изображение сгенерировано нейросетью Шедеврум

КЮТ СО РАН совместно с МБУ МЦ «Мир молодёжи» получил поддержку Фонда Президентских грантов для развития инженерно-технического образования среди школьников. Проект получил название «От интереса до проекта: как подготовить инженера-изобретателя?» и направлен на выявление инженерно-технических интересов у школьников, обучение навыкам обращения с современной техникой и патриотическое воспитание.

Инициатива авторов проекта ориентирована на выявление и поддержку школьников от 12 до 17 лет с «умными руками». В рамках проекта для учеников 7, 8 и 10 классов пройдут бесплатные мастер-классы, две профильные образовательные смены, техническое многоборье, выставка технических моделей, фестиваль мототехники и школьный технический форум.

Ребята познакомятся:

• с предназначением, устройством, процессами сборки/разборки, управления и ремонта, беспилотной воздушной и наземной техники;
• с устройством и использованием простых и сложных механизмов внутреннего сгорания;
• с основами 3D-моделирования и процессом воплощения виртуальных деталей в реальные детали и узлы.

В ходе мероприятий проекта с каждым ребёнком по нескольким направлениям будут работать опытные преподаватели. За короткий период в увлекательной форме школьники познакомятся и овладеют широким спектром начальных технических компетенций. При этом участники проекта не просто «познакомятся» с техникой, а с помощью современных инструментов, оборудования и программного обеспечения создадут свои простые модели и закрепят полученные инженерно-технические навыки в ходе состязаний.

Профильные образовательные смены завершатся техническим многоборьем, где участникам персонально и в команде предстоит пройти несколько этапов: конструирование и изготовление модели на станке лазерной резки, управление беспилотными механизмами с выполнением специального задания, поиск и устранение неисправностей техники.

Клуб юных техников СО РАН в Академгородке – это образовательное пространство с богатыми традициями и опытом развития у детей технических навыков. Ребята, посещающие кружки и секции в КЮТе, уже много лет успешно выступают на технических соревнованиях: от районного до международного уровня.

Наш проект позволит сегодняшним школьникам найти себя в возможной будущей профессии, связанной с конструированием, использованием, применением и ремонтом различной техники и оборудования.

Мастер-классы и профильные смены пройдут в мае и июне 2026 года.

Фотография со страницы КЮТ СО РАН в ВК

Исследователи из Новосибирского государственного университета, Института автоматики и электрометрии СО РАН и Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН при поддержке Российского научного фонда разрабатывают новую технологию диагностики заболеваний желудочно-кишечного тракта. Специалисты создают устройство, которое позволит проводить процедуру быстро, точно и безболезненно. Статья об этом опубликована в международном журнале Diagnostics.

Заболевания желудочно-кишечного тракта, включая рак, встречаются очень часто и занимают одно из ведущих мест среди причин смертности. Классическая диагностика часто сопряжена с процедурой биопсии — забора образца ткани для анализа, что довольно болезненно и требует специальной подготовки. Ученые объединили физику, биологию и искусственный интеллект, чтобы создать метод, который поможет диагностировать заболевания прямо во время процесса обследования. Основная цель — добиться, чтобы оптический метод позволял выявлять все стадии заболеваний, включая самые ранние. Это даст возможность применять более щадящие и эффективные способы лечения. 

Как заглянуть внутрь ткани?

«Обычный микроскоп работает на просвет: ткань освещают и рассматривают через увеличительное стекло. Однако толстые слои биоматериала непрозрачны для видимого света, поэтому исследовать удается лишь очень тонкие срезы или поверхность, так как свет не проникает вглубь. Гораздо эффективнее использовать инфракрасное излучение. Оно невидимо для глаза, но лучше проходит сквозь ткани на глубину до сотен микрон. В отличие от видимого света, который сильно отражается от верхних слоев поверхности, инфракрасные лучи позволяют заглянуть внутрь образца и изучить его структуру. Специальный лазер посылает очень короткие, но мощные вспышки, длительность импульсов измеряется фемтосекундами (это миллионные доли миллиардной доли секунды), они позволяют подсветить ткань изнутри, не обжигая ее», — рассказывает ведущий научный сотрудник ИАиЭ СО РАН кандидат физико-математических наук Денис Сергеевич Харенко.

Именно этот принцип лежит в основе многофотонной микроскопии, которую ученые планируют использовать для анализа образцов. Суть метода в том, что для подсветки ткани используются сразу два фотона с длиной волны в два раза больше, чем необходимо для однофотонного процесса. Это позволяет возбудить свечение (автофлуоресценцию) внутри образца, не разрушая его. Однако, чтобы процесс сработал, нужен очень мощный, но при этом безопасный для ткани свет. Важно найти идеальный баланс — луч должен быть достаточно сильным, чтобы получить четкий сигнал, но не настолько мощным, чтобы обжечь или повредить живые клетки. Именно этот поиск баланса значительно усложняет конструкцию прибора и сами эксперименты.

От микроскопа к эндоскопу

Специалисты создают установку, которая представляет собой портативную модификацию многофотонного микроскопа для эндоскопических исследований, то есть для работы внутри организма. Диагностический зонд должен быть компактным, чтобы использовать его в ограниченном пространстве. Ключевая особенность будущего устройства — возможность доставки лазерного излучения внутрь организма и сбора слабого оптического сигнала с помощью оптического волокна.

«В настоящее время остается наиболее распространенной классическая световая эндоскопия, при которой врач визуально оценивает состояние тканей, однако этот метод нередко позволяет определить отклонения лишь на поздних стадиях. Даже высокая квалификация специалиста не всегда дает возможность точно определить характер нарушений», — говорит старший научный сотрудник отдела регуляции генетических процессов ИМКБ СО РАН кандидат биологических наук Лидия Валерьевна Болдырева.

Многофотонная микроскопия лишена этого недостатка. «Главное преимущество проекта — реализация подхода in situ, то есть получение информации на клеточном уровне о ранних признаках патологических изменений ткани непосредственно в процессе эндоскопического обследования пациента. Это позволяет выявлять предвестники злокачественного перерождения задолго до развития опухоли, ведь раку предшествуют длительные патологические процессы, включающие хроническое воспаление», — подчеркивает исследовательница.

Проект направлен на поиск новых маркеров этих ранних изменений и адаптацию многофотонной микроскопии для эндоскопии. Основная цель — получать точные данные в режиме реального времени без таких вмешательств, как контрастирование и забор биопсии.

Роль искусственного интеллекта

Для анализа полученных изображений потребуется использовать методы машинного обучения и искусственного интеллекта, поскольку выявить различия между здоровой и больной тканью на глаз крайне сложно. Нейросеть будут обучать на известных примерах, чтобы она могла автоматически находить характерные признаки заболеваний в трехмерных структурах ткани. Это особенно важно, так как новый метод позволяет исследовать большие объемы тканей без повреждения, в отличие от классической биопсии, где анализ возможен только для ограниченного числа участков. 

«Конечно, наша технология не заменит все медицинские процедуры и также не исключит необходимость врачебных консилиумов для принятия решения о хирургическом вмешательстве в неоднозначных случаях. Однако главная задача проекта — существенно расширить возможности, увеличить скорость и точность диагностики, обеспечив техническую возможность для проведения малоинвазивных исследований и лечения в режиме реального времени. Разработка позволит не только выявлять все пораженные участки, но и сразу воздействовать на них: например, модулируя мощность лазера. В рамках проекта будет апробирована и современная технология применения холодной плазмы на здоровых и раковых клетках кишечника для борьбы со злокачественными образованиями. После обработки прибор позволит также в реальном времени отслеживать восстановление тканей и контролировать процесс выздоровления», — комментирует Лидия Болдырева.

Этапы исследования

Работа над проектом ведется сразу по нескольким направлениям. В первую очередь команда занимается разработкой самого прибора: подбирает компоненты и тестирует макет. Параллельно ученые исследуют воздействие на ткани и модельные объекты классическими методами. Особое внимание уделяется анализу влияния холодной плазмы (как прямого воздействия, так и через раствор) и термического эффекта от лазера. Чтобы понять, как тепло распространяется в тканях и не вызывает ли оно ожогов, специалисты используют специальные фантомы живых тканей — искусственные материалы с вмонтированными температурными датчиками.

Для получения достоверных результатов исследование ведется по принципу «от простого к сложному». Сначала эксперименты проводятся на культурах клеток, затем — на 3D-моделях (органоидах), а завершающим этапом становятся опыты на живых мышах с моделями воспаления.

«Сейчас у нас есть только отдельные части будущего прибора, а собрать их в единый рабочий эндоскоп мы планируем на следующих этапах. Пока мы отрабатываем новую методику под контролем классических подходов. К концу проекта мы рассчитываем создать лабораторный стенд, на котором будет продемонстрирована эндоскопическая диагностика различных стадий заболеваний и подобраны параметры оптимального воздействия на ткани», — уточняет Денис Харенко.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 25-72-31018).

Ирина Баранова

Фото предоставлено исследователями

Как мы уже неоднократно отмечали, до того, как советское руководство взяло курс на тотальную «химизацию» сельского хозяйства, наши ученые разрабатывали агротехнические приемы, в ряде аспектов предвосхищающие то, что сегодня принято относить к так называемому «углеродному» земледелию (то есть земледелию, способствующему восстановлению почв и связыванию углерода).

Мысль советских ученых когда-то двигалась в том же направлении, правда, без всякой привязки к климатической проблеме (о которой тогда еще не помышляли). Поэтому, когда мы сегодня говорим о научно обоснованных практиках и технологиях, надо уточнять, с позиции какой «науки» делается такое обоснование. Точнее, что конкретно в этом обосновании положено во главу угла. Есть учитывается только валовый сбор, то это одна история. Если во внимание принимается не только урожайность, но и последствия для природы, то здесь уже несколько иная история.

Насколько мы можем судить, в период до повальной «химизации» последствия для природы, для почв в той или иной мере учитывались. Мало того, небезызвестный «Сталинский план преобразования природы» как раз ставил во главу угла сохранение почв. Именно по этой причине он перекликается с сегодняшней темой «углеродного» земледелия, где сохранность почв также имеет первейшее значение. То есть, по сути, модные современные тенденции в сельском хозяйстве, активно пропагандируемые сейчас на Западе, в какой-то степени являются возрождением старых наработок, в создании которых когда-то участвовали наши ученые. Получатся, что это творческое наследие сегодня возвращается к нам таким вот долгим «окружным» путем. Как раз поэтому мы обращаем свой взгляд назад, пытаясь разобраться с самим «оригиналом».

Отметим, что наши ученые уделяли внимание не только пашням, но также кормовым угодьям – сенокосам и пастбищам, стремясь улучшить их состояние с позиций науки. Сенокосы и пастбища рассматривались как важный резерв для увеличения производства кормов. Их площадь в нашей стране измерялась миллионами гектаров, и при правильном уходе они в состоянии были дать огромное количество ценного сена и силосной массы.

Тем не менее, удельный вес кормов, получаемых с этих площадей, был невелик. Об этом наши ученые писали еще в начале 1950-х годов. Данное обстоятельство объяснялось тем, что урожайность естественных кормовых угодий (за исключением заливных лугов) была невысока, да и сами травы не отличались высоким качеством. Кроме того, поверхность многих лугов была покрыта кочками и кустарниками, что мешало проведению механизированных работ по уборке сена.

Между тем, полагали ученые, луга являются важным кормовым ресурсом для скота. Поэтому вопрос об их улучшении имел первостепенное значение для развития отечественного животноводства.

По словам ученых, кормовые угодья сильно различаются по своему качественному состоянию. В образовании растительного покрова лугов принимает участие до 15 тысяч видов растений! Все это прямо связано с условиями окружающей среды. Большое значение здесь имел рельеф, оказывая влияние на обеспеченность растений влагой и питательными веществами. Отсюда вытекали различия в плане урожайности и в плане качества трав. Так, на абсолютных суходолах влага стекает по склону, на нормальных – просачивается в почву, тогда как в поймах больших рек расположены луга, дополнительно увлажняемые по время разливов (и получающие дополнительное питание в результате отложения в весенний период мелких плодородных частиц). Поэтому наилучшими считаются заливные и пойменные луга.

Отметим, что в нашей стране процесс изменения травостоя был детально исследован академиком Василием Вильямсом. В частности, он показал, что под покровом травянистой растительности в почве происходят сложные изменения, в результате которых почвенная среда ухудшается и становится неблагоприятной для роста ценных трав (ценных с точки зрения продуктивного животноводства). Он определил в жизни луга три ярко выраженные стадии: развитие корневищных растений в рыхлой, воздухопроницаемой почве; развитие рыхлокустовых злаков по мере уплотнения почвы и, наконец, господство плотнокустовых злаков. Наиболее ценными являются растения первой и, особенно, второй стадии. В дальнейшем урожайность трав снижается, качество травостоя ухудшается и сенокос в естественном состоянии приходит в полную негодность.

Так вот, при пользовании сенокосом человек может либо ускорять, либо замедлять эти процессы. На этот счет сельскохозяйственная наука к началу 1950-х годов разработала много различных способов улучшения природных кормовых площадей. Обычно эти способы разделялись на приемы поверхностного улучшения и на приемы коренного улучшения лугов. Поверхностное улучшение сенокосов и пастбищ было эффективно только в том случае, если в травостое еще сохранились ценные злаковые и бобовые травы. Улучшение таких лугов осуществлялось путем регулирования водного режима (для лучшего роста ценных трав). Для этого либо осуществляли задержку талых вод (в степных и лесостепных районах), либо направляя воду ключей и родников на орошаемые участки (на склонах). И наоборот, в некоторых местах во избежание застоя лишней воды ее следовало отводить с помощью открытых канав или закрытых дренажей.

Еще одним важным приемом повышения урожая трав было использование органических и минеральных удобрений. Благодаря удобрениям урожайность заливных лугов увеличивалась примерно на 10-12 центнеров на гектар. Причем, было отмечено, что наибольший эффект дает внесение органических удобрений – компоста, навоза или навозной жижи. Как объясняли ученые, органические вещества содержат все элементы питания растений и активизируют деятельность почвенных бактерий. Перепревший навоз или компост, внесенный раз в 3 - 4 года, делал дернину сенокоса рыхлой, воздухопроницаемой, улучшая качество травостоя. Согласно рекомендациям ученых, внесение органических удобрений чередовалось с внесением минеральных удобрений. При правильной подкормке с одного гектара можно было собрать 60-80 центнеров качественного сена. 

Как мы отметили выше, такие приемы относятся к поверхностному улучшению лугов, где есть ценные травы. Однако таких лугов, констатировали ученые, в целом по стране немного. Большая часть сенокосов и пастбищ имела травостой низкого качества, состоящий из малоценных злаков и разнотравья. Расходовать удобрения на подкормку этих трав было бы нерационально. Такие луга нуждались в «коренном улучшении», которое проводилось в системе кормовых севооборотов.

Для этого применялось два способа. Первый состоял в том, что после подъема целины на лугу в течение 3 – 4 лет высевались технические или зерновые культуры, овощи и корнеплоды. Цель таких посевов состояла в том, чтобы минерализовать массу органических веществ дернины и использовать их для получения высоких урожаев однолетних растений. Под последнюю культуру (обычно – овес) подсевали смесь из четырех-шести видов луговых трав. На следующий год после уборки овса этим сеяным лугом начинали пользоваться. На заливных лугах период использования сеяных трав длился 5-8 лет, на суходольных – 3-4 года.

Главным недостатком такого способа был слишком растянутый срок ожидания сеяных трав. Поэтому ему на смену стал приходить ускоренный способ, когда вслед за обработкой дернины сразу же высевались многолетние травы. Сев обычно проводился во второй половине июля, и до осенних заморозков посеянные травы успевали раскуститься, окрепнуть, благодаря чему на следующий год они давали по 50-70 центнеров сена с гектара. Для ускоренного метода была даже подобрана необходимая спецтехника, поскольку без механизации правильно обрабатывать пласты целины было непросто.

Отметим, что эффективность ускоренного улучшения лугов к началу 1950-х годов была проверена многими научными учреждениями страны и подтверждена практикой передовых хозяйств (как в Нечерноземье, так и в степных областях). При этом сама организация таких работ рассматривалась как неотъемлемая составляющая советского животноводства.

Для наших дней поразительным моментом является то, что методы ускоренного улучшения лугов, разработанные советскими ученым еще в послевоенные годы, во многом совпадают с ключевыми принципами современного «углеродного» земледелия. Было ли это гениальным предвосхищением или же просто бережный подход к биоресурсам приводит к схожим методикам, сказать пока не беремся. Но важно то, что разработки советских ученых, которые считались «несовременными» в эпоху «химического бума», становятся востребованными в наши дни.

Константин Шабанов

Фото - https://ru.wikipedia.org