Ученые НГУ, инженеры ООО «Умные дроны» (платформа SmartDrones) и специалисты Сибирской пожарно-спасательной академии ГПС МЧС России представили совместную разработку — алгоритм управления роем дронов, онлайн-обнаружения и определения координат обнаруженных объектов при помощи ИИ. Технология была апробирована на выездном совещании, посвященном внедрению инновационных технологий в работу сельхозтоваропроизводителей, которое состоялось в Ордынском районе 20 июня с участием заместителя губернатора Новосибирской области Ирины Мануйловой, министра науки и инновационной политики НСО Вадима Васильева и министр сельского хозяйства региона Андрея Шинделова. Выездное совещание представителей науки, разработчиков передовых технологий и инновационных проектов проходило на производственной площадке ООО «ОПХ «Дары Ордынска».

Исследователи продемонстрировали возможности дронов взаимодействовать в пространстве по схеме «обнаружение-доставка», распределяя задачи, — один из них обнаруживает объект, определяет и передает координаты другому беспилотнику, который по заданным координатам осуществляет доставку. Алгоритм управления возможно масштабировать на любое количество устройств и разные типы распознаваемых объектов.

Совместная разработка является результатом договоренностей, которые были достигнуты после тестирования доставки с помощью дрона, состоявшегося в апреле. Тогда новая модель беспилотного летающего аппарата, разработанная учеными НГУ для доставки товаров в труднодоступные районы, успешно преодолела расстояние в 4,5 км через реку Обь и доставила товар в пункт назначения. Тестовый полет проходил в рамках совместных с главным управлением МЧС России по Новосибирской области первых в Сибири испытаний технологии SmartDrones Fires по обнаружению и тушению пожаров при помощи роя дронов и технологий ИИ.

«По итогам проведенных испытаний мы решили объединить две технологии и попробовать их отработать в комплексе, а именно: один дрон, управляемый с помощью разработанного нашей компанией специализированного программного обеспечения SmartDrones, в автоматическом режиме анализирует данные с видеокамеры, обнаруживает человека и передаёт его координаты второму дрону, разработанному НГУ. Второй БПЛА по заданным координатам осуществляет автоматическую доставку необходимой посылки, в которую может входить вода, медикаменты и т.д. За два месяца мы провели необходимые шаги по интеграции и на выездном совещании, которое состоялось в конце прошлой недели, презентовали новую технологию в деле», — рассказал Алексей Мелешихин, основатель компании «Умные дроны», выпускник физического факультета НГУ.

В дальнейшем исследователи НГУ и инженеры стартапа SmartDrones будут совместно работать над совершенствованием технологии управления роем дронов по схеме «обнаружение-доставка» и планируют создать полноценную цифровую платформу, которая найдет применение в разных сферах — сельском хозяйстве, туризме, предотвращении чрезвычайных ситуаций и т.д.

«Сейчас мы отработали взаимодействие двух дронов и протестировали алгоритм «обнаружение и доставка воды». Мы показали, как работает автоматическая передача данных от первого дрона второму, для того чтобы последний по этим координатам прибыл и доставку выполнил. В дальнейшем мы планируем провести тестирование уже на большем количестве устройств, когда у нас может быть несколько дронов, каждый из них мониторит свой квадрат и решает задачу обнаружения разных типов объектов, которым нужные разные виды доставки — воды, медикаментов, спасательного жилета и т.д. В перспективе технология может масштабироваться на неограниченное количество устройств. Кроме того, разрабатываемая платформа позволит дронам принимать разные совместные решения. Например, рассчитывать удаленность объекта и определять, кто быстрее долетит до него и доставит, например, аптечку пострадавшему; как действовать в случае потери связи с одним из БПЛА и т.д. Все эти алгоритмы будут отработаны и реализованы на базе цифровой платформы SmartDrones», — пояснил Алексей Мелешихин.  

Компания «Умные дроны», основанная выпускниками НГУ и разрабатывающая программно-аппаратный комплекс SmartDrones Fires для автоматического обнаружения пожаров и расчета необходимых сил и средств для их тушения при помощи роя дронов и технологий ИИ, является резидентом Академпарка и победителем весеннего, 30-го, юбилейного акселератора А:СТАРТ.

В настоящее время – в свете известных событий – климатическая тема немного отошла на второй план. В этой связи может возникнуть впечатление, будто она начинает утрачивать актуальность.   Это впечатление еще больше усиливается в свете позиции республиканской администрации США, демонстрирующей скептическое отношение в адрес Парижского соглашения по климату, даже предпринимающей некоторые шаги, как будто противоречащие глобальному курсу на снижение углеродного следа экономики стран, ратифицировавших это соглашение.

Кому-то из нас это дает повод считать, что с климатической политикой в скором времени могут распрощаться, и Америка готова сыграть здесь ключевую роль. Конечно, позиция американской администрации в состоянии скорректировать этот курс, однако пока еще рано говорить о практических результатах. Необходимо подождать и понаблюдать, прежде чем делать окончательные выводы.

Нас в большей степени должна волновать ситуация в нашей стране. Напомню, что Российская Федерация ратифицировала Парижское соглашение по климату. У нас официально принята Климатическая доктрина, принята стратегия низкоуглеродного развития. Кроме того, утверждена стратегия развития энергетической отрасли до 2050 года, где также прописаны пункты, связанные с сокращением углеродных выбросов. И пока эти планы никто не отменял.

Другое дело – пути реализации этих планов. Здесь как раз есть над чем задуматься. Если говорить о механизмах решения климатической проблемы в нашей стране, то по моему глубокому убеждению, простое копирование чужого опыта, особенно Европейских стран, нам не подходит.

  В частности, мне абсолютно непонятен механизм торговли так называемыми углеродными единицами. Казалось бы, всё просто. Вот недавно, например, прошла информация, что компания СИБУР продала 8400 углеродных единиц двум компаниям на Сахалине. Говорится так, что СИБУР реализовала некие технологические мероприятия, в результате которых углеродный след этой компании снизился на 8400 тонн СО₂. И вот это снижение СИБУР продала за некую сумму двум другим компаниям на Сахалине. Возникает естественный вопрос. Так, у компании СИБУР собственный углеродный след составляет миллионы тонн СО₂ в год. Казалось бы, всё хорошо - компания снизила свой углеродный след на небольшую величину - 8400 тонн - по сравнению с общим масштабом. До достижения нулевого углеродного следа компании СИБУР ещё работать и работать. И тут она, за какую–то сумму денег, передает свое достижение другим компаниям! Что изменилось в мире от передачи этой суммы денег? Ответ очевидный – ничего!

Было бы понятно, если бы СИБУР разработала какой-то проект (бизнес), дающий отрицательный углеродный след и пригласила бы другую компанию в качестве со-инвестора в реализацию этого проекта. Далее они бы делили этот отрицательный углеродный след пропорционально вложенным в этот бизнес средствам и отражали результат в своей отчётности по ежегодному углеродному следу. В случае простой продажи углеродных единиц СИБУР в своей отчётности покажет это снижение углеродного следа по факту, а те компании, которые купили отрицательный углеродный след, якобы, также снизят свои выбросы. Но по факту у них же ничего не изменилось, не так ли?

Наверное, изначально с введением понятия «углеродные единицы» и торговли ими предполагалось, что все предприятия, создающие углеродный след, отчисляют определённую сумму, пропорциональную объему выбросов парниковых газов, в некий государственный фонд. Затем этот фонд инвестирует собранные средства в некие проекты, которые создают отрицательный углеродный след. Но потом получилось, «как всегда».  Отрицательные углеродные единицы выпустили под будущие проекты, а проекты эти не состоялись. Куда ушли собранные средства, вопрос, конечно, интересный. Инвестиции в возобновляемые источники энергии дали некоторый эффект в виде снижения углеродного следа, но это привело к потере устойчивости энергосистемы и удорожанию энергии, поскольку необходимо содержать резервные мощности на ископаемом топливе.

На мой взгляд, введение понятия «углеродные единицы» (тонны сниженного углеродного следа в СО₂ эквиваленте) имеет смысл только для окупаемых бизнес проектов. Инвестировали в проект, получили от него доход и в качестве бонуса получили снижение углеродного следа. Без получения дохода (окупаемости затрат) сделка по покупке углеродных единиц равносильна дополнительному налогообложению. В общем, с этим пунктом предстоит серьезно разобраться.

Ещё хотелось бы обратить внимание на дискуссию о том, что благодаря большим лесным массивам России вообще не нужно заботиться о снижении углеродного следа своей экономики. Мол, объёмы поглощения СО₂ лесами и природными экосистемами на территории России настолько велики, что нужно совсем чуть-чуть снизить выбросы в экономике, и у нас получится углеродная нейтральность. Сколько экономика страны будет выбрасывать парниковых газов, столько наши природные объекты их и поглощают. Мы достигнем, таким образом, углеродной нейтральности страны.

Ошибочность таких рассуждений очевидна. Есть природные объекты: леса, болота, океаны. Эти природные поглотители СО₂ были в балансе с природными источниками СО₂ по всему миру, поэтому на протяжении многих столетий - до наступления технической революции, концентрация СО₂ в атмосфере была постоянной. И только последние два века стал наблюдаться заметный дисбаланс источников СО₂ и их поглотителей за счёт экономической деятельности человека. Примерно половину выбросов СО₂ от экономической деятельности океаны и растительность на суше поглощают, но остающийся дисбаланс ведёт к росту концентрации СО₂ в атмосфере и, как следствие, - к глобальному изменению климата. В этом суть проблемы. Наши леса обеспечивали глобальный (планетарный) баланс потоков СО₂, и теперь наша задача состоит в его восстановлении. Задача очень сложная, но решаемая. Поэтому нужно добиваться в нашей стране не углеродной нейтральности, а нулевого углеродного следа экономики. Именно такая цель и поставлена органами власти страны к 2060 году.

Для Сибири важнейшим технологическим приемом на первом этапе будет являться утилизация сбросного тепла предприятий. В таком случае будет замещено (исключено) сжигание топлива для производства тепловой энергии в системе централизованного теплоснабжения. 

В этой связи важно подчеркнуть такой момент. Климатическая тема не должна давать повода для политического популизма, для повышения рейтинга разного рода «гражданских активистов» - словом, всего того, что имеет место в Европе. Надо понимать, что глубина этой проблема понятна только специалистам. Поэтому разъяснять ее населению необходимо со строго научных позиций. И начинать это нужно со школы.

Расскажу, как я пришёл к выводу о том, что одной из причин климатических изменений является экономическая деятельность человека. Ещё в начале прошлого века Нобелевский лауреат Сванте Аррениус сделал простую оценку: если концентрация парникового газа СО₂ (двуокись углерода – углекислый газ) увеличится в атмосфере в 2 раза, это приведёт к повышению средней температуры на 2 градуса Цельсия. Газ называется парниковым из-за того, что он поглощает тепловое излучение Земли и частично возвращает излучаемую энергию назад, на земную поверхность. Другой учёный - Чарльз Килинг - с 1958 года начал проводить регулярные измерения концентрации углекислого газа в атмосфере и обнаружил, что рост концентрации СО₂ хорошо коррелирует с объёмами его выбросов в результате экономической деятельности. Сжигание больших объёмов органического топлива, содержащего углерод, для производства энергии, производства ряда материалов (чёрная металлургия, цемент и др.) даёт прирост концентрации углекислого газа в атмосфере, который наблюдается в прямых измерениях.

Я повторил эту простую оценку. Из кривой Килинга (наблюдаемая зависимость концентрации СО₂ от времени) следует, что относительная его концентрация растёт на 2,5 частиц на миллион (2,5∙10^-6) в год. Далее нужно умножить это значение на массу атмосферы 5,1∙10 ¹⁵ тонн - с поправкой на то, что средний молекулярный вес атмосферы 29 а.е., а у СО₂ 44 а.е. В итоге получаем прирост массы СО₂ за год: 2,5∙10^-6 ∙5,1∙ 10¹⁵ ∙44/29 = 19 млрд тонн в год.  Это значение удивительно близко к тем объёмам СО₂, которые выбрасываются за год экономиками стран мира (на уровне 37 млрд тонн в год). Очевидно, что если бы не было этих выбросов, концентрация СО₂ не росла бы так с каждым годом. На климат влияет много факторов, в первую очередь - Солнце, но антропогенный фактор в виде роста концентрации СО₂ уже оказывает заметное влияние на рост температуры в атмосфере, что подтверждается как простыми оценками, сделанными ещё в начале прошлого века, так и расчётами на основе современных математических моделей.

Итак, даже такая простая оценка делает понятным, что мировая экономика должна переходить в режим устойчивого развития, основу которого составляет снижение выбросов парникового газа, другими словами - снижение углеродного следа экономики.

Однако такая цель не дает оснований для эпатажа и для нагнетания страхов. Эпатаж в отношении подачи климатической проблемы совершенно неуместен. Здесь требуется планомерная работа, и в нашей стране она проводится. Так, напомню, что в 2021 году Правительством РФ была принята Стратегия социально-экономического развития России с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года (СНУР-2050 РФ). В 2023 году Указом Президента РФ утверждена Климатическая доктрина, которая предписывает органам власти и всем субъектам экономической деятельности принимать практические действия к снижению эмиссии парниковых газов, чтобы достичь к 2060 году нулевого углеродного следа экономики России. Большую роль в решении климатической проблемы должно сыграть международное сотрудничество за счёт соответствующего разделения производства товаров на мировом рынке.

Разумеется, наука принимает во внимание определенные риски, связанные с климатическими изменениями. Одной из задач науки является предсказание возможности негативного сценария развития экономики. В своё время происходил бум в развитии ядерной энергетики и ядерных технологий. Например, при геологических изысканиях широко использовались подземные ядерные взрывы. В нашей стране их было проведено более сотни. Было обнаружено, что облучение семян растений в малых дозах повышало их всхожесть, из чего возникло даже предложение распылить радиоактивные материалы на посевных площадях! И только мощная информационная волна, а также борьба, проведённая ответственными учёными всего мира, указывавшими на необратимые негативные последствия такого распространения радиационного воздействия на биологические объекты, воспрепятствовали такому ходу развития и внедрения в экономическую практику ядерных технологий. Остались только применения ядерных технологий в энергетике, медицине и технике.

Информация о возможных катастрофических последствиях из-за роста концентрации парниковых газов в атмосфере, на мой взгляд, не является нагнетанием страхов, а только является призывом к переводу экономики мира на устойчивый путь развития. От неограниченного потребления - к разумному и ответственному стилю жизни. Простой пример. Можно ездить на автомобиле с расходом топлива 20 л на 100 км, и соответствующими этому расходу выбросами СО₂, а можно использовать для проезда автомобиль с расходом 5 л на 100 км или электромобиль с рекуперацией энергии при торможении.  Должно быть воспитано массовое сознание ответственного потребления. И наука должна сыграть в этом деле важную роль, но только не через нагнетание страхов (как это обычно делают политические популисты), а путем разумного просвещения людей.

Валентин Данилов

Ученый секретарь Экспертного совета президиума СО РАН по проблематике Парижского соглашения по климату

Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) совместно с коллегами из Федерального исследовательского центра Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН (ИПФ РАН) разрабатывают концепцию создания яркого стабильного источника экстремального вакуумного ультрафиолетового излучения (ВУФ излучения). Такой источник необходим в современных отечественных литографах для создания микросхем нового поколения. В отличие от используемой сейчас технологии, когда для создания ВУФ излучения используется лазерная импульсная плазма из капель олова, российские специалисты работают с лазерной плазмой из газа атмосферного давления – ксенона. Эксперименты ведутся на Новосибирском лазере на свободных электронах (НЛСЭ) – уникальной исследовательской установке ИЯФ СО РАН, единственной в мире, на которой можно создавать стабильный и непрерывный терагерцевый лазерный разряд. На данный момент физики получили квазистационарную сферическую плазму диаметром 1 мм, температурой 5 эВ и плотностью 3,5 × 10¹⁷ см^-3, что отвечает начальным требованиям. Запланированы работы по увеличению температуры плазмы. Если концепция будет успешно продемонстрирована с помощью НЛСЭ, то отработанную технологию можно будет реализовать в более компактных установках, на основе разрабатываемых сейчас терагерцевых гиротронов ИПФ РАН. Результаты опубликованы в журнале Plasma Sources Science and Technology.

Сегодня в производстве микроэлектроники широко используется метод фотолитографии, позволяющий формировать на кремниевой поверхности микрочипов структуры, размеры которых достигли нескольких нанометров. Тренд на уменьшение микросхем требует соответствующих технологий. Например, для развития микроэлектроники актуальной является задача создания источников экстремального ВУФ излучения, так как только они работают на необходимой длине волны, порядка 10–30 нанометров. Именно источник излучения является основным элементом ВУФ литографа, от его характеристик (яркости, стабильности и мощности) зависит производительность всей установки.

«Источники ВУФ излучения, которые используются в действующих в настоящее время литографах, построены на вполне естественном принципе – любым способом получить требуемый экстремальный ультрафиолет, – прокомментировал ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Виталий Кубарев. – Обычно для этого используют сложные системы на основе мощных импульсных CO₂-лазеров, которые стреляют по летящим вниз каплям расплавленного олова. Таким методом получают плазму, излучающую ВУФ свет. С оловом работают все, в том числе и монополисты литографического производства, компания ASML. Но это не значит, что это единственный верный и удобный способ получить экстремальный ультрафиолет. Так как оловянная плазма образуется в результате процессов, неустойчивых по своей природе, то назвать такой источник излучения стабильным нельзя. К тому же, разлетающееся олово быстро загрязняет дорогие зеркала оптической системы и их приходится очень часто менять, то есть долговременной стабильности в такой системе тоже нет. Поэтому любая альтернатива в направлении создания стабильного источника – актуальна. Нет сомнений в практической полезности такого источника для развития отечественной микроэлектроники».

Специалисты ИЯФ СО РАН и ИПФ РАН решили объединить свои научные компетенции и исследовательскую инфраструктуру для разработки и демонстрации концепции новой литографической технологии – создания яркого стабильного источника экстремального ВУФ излучения на основе лазерного разряда атмосферного давления в ксеноне. Физики работают на пользовательской станции НЛСЭ, где на данный момент им удалось получить такие параметры излучения, которые говорят о жизнеспособности концепции. Но впереди еще много работы.

«НЛСЭ – единственный в мире лазер, который способен создать непрерывный квазистационарный терагерцевый лазерный разряд, – добавил Виталий Кубарев. –  Другого такого лазера в мире нет. А для работы с газовыми средами атмосферного давления оптимальным является именно терагерцевый диапазон. Поэтому вполне естественно, что мы занимаемся подобными исследованиями. Под эту работу был получен грант РНФ. В этом направлении мы работаем на протяжении семи лет и на данный момент получили промежуточные очень хорошие результаты. Благодаря применению ряда новшеств по ограничению объема плазмы и ее стабилизации вблизи фокуса излучения НЛСЭ, нам удалось получить квазистационарную плазму диаметром 1 мм, температурой 5 эВ и плотностью 3,5 × 10¹⁷ см^-3. В этом состоянии ее поддерживает импульсно-периодическое излучение НЛСЭ со средней мощностью всего 200 Вт. Параметры плотности плазмы и ее размер достаточны, а вот температур мы бы хотели достичь больших, около 10–12 эВ. При этом уже пройден путь от 1 эВ до 5 эВ. Чем больше температура, тем выше кратность ионов ксенона в плазме, которые и излучают экстремальный ультрафиолет. Дальнейшее увеличение температуры планируется достичь за счет увеличения средней мощности излучения НЛСЭ. Средняя мощность НЛСЭ 200 Вт при импульсной мощности около 1 МВт получена в обычном режиме НЛСЭ с одним внутрирезонаторным световым импульсом, обращающемся на частоте 5,6 МГц. Но в НЛСЭ есть возможность работы с двумя и четырьмя внутрирезонаторными импульсами с соответствующим повышением средней мощности в 2 и 4 раза. Для реализации таких режимов на мощностях близких к максимальным требуется тщательная отладка и настройка всех систем НЛСЭ, которая проводится в настоящее время».

Помимо использования субмиллиметрового электромагнитного излучения как инструмента по созданию лазерного разряда новшество концепции новосибирских и нижегородских физиков состоит в том, что в качестве химического элемента, который будет хорошо излучать на данной длине волны, они использует не олово, а ксенон.

«Когда возникла идея использовать экстремальный ультрафиолет в литографии, то сразу встал вопрос, а какой химический элемент лучше всего подходит для излучения на длине волны 13,5 нанометров, для которой тогда умели делать многослойные зеркала. Остановились на олове, – прокомментировал старший научный сотрудник ИПФ РАН кандидат физико-математических наук Александр Сидоров. – А когда научились делать хорошие многослойные зеркала на длину волны 11,2 нанометров, то для этого диапазона самым идеальным источником излучения подошел именно ксенон. Сначала мы в ИПФ РАН попробовали получить плазму при помощи мощного микроволнового излучения, генерируемого в установках, на разработке и производстве которых мы специализируемся – гиротронах. Наши электровакуумные СВЧ-генераторы работают в миллиметровом диапазоне, а самые современные  – в том числе и в терагерцевом диапазоне, но длина волны излучения этих приборов не настолько короткая, как длина волны НЛСЭ. Поэтому мы объединили наши усилия с ИЯФ СО РАН и теперь вместе работаем на уникальном источнике тергерцевого излучения. Параллельно с поисковыми работами на НЛСЭ, призванными продемонстрировать работоспособность концепции новой технологии, мы в ИПФ РАН модернизируем свои флагманские приборы – гиротроны, чтобы в будущем они могли работать в  как можно более коротковолновом терагерцевом диапазоне с как можно большей средней мощностью. И если все сложится успешно, то показав при помощи НЛСЭ, как организовать разряд для яркого стабильного источника экстремального ВУФ излучения, и используя излучение гиротрона (более компактной и масштабируемой, чем НЛСЭ, установки), мы получим готовую технологически тиражируемую установку».

Работы ведутся при поддержке гранта РНФ

Как мы знаем, в последние годы в моду во многих странах вошли разного рода мероприятия, призванные «спасти» планету от глобального потепления. В ряду таких мер – организация масштабной высадки деревьев, якобы способных снизить концентрацию углекислого газа в атмосфере. С одной стороны, дело как будто правильное и нужное. Но с другой, во многих случаях оно осуществляется бессистемно, иногда приобретая формы обыкновенной кампанейщины.

О фактах такой кампанейщины мы уже в свое время писали. В некоторых странах планы по высадке «миллиарда» деревьев вообще остаются на бумаге. Где-то работу выполняют на «отвяжись», исключительно ради отчетности. И как мы можем судить, сегодня эта тема по озеленению планеты вообще отошла на задний план. Похоже, что политики успели вволю «наиграться» с деревьями и теперь сосредоточились на других проблемах.  

Тем временем, проблемы в природе только нарастают. Растет сила и продолжительность засух, и самое печальное – происходит дальнейшее опустынивание территорий вследствие хищнического (или просто безграмотного) ведения сельского хозяйства. Теперь подобные проблемы пытаются объяснять климатическими изменениями, связывая их решение исключительно с глобальной политикой. То есть борьба с той же засухой теперь тесно спрягается с теми усилиями, которые координируются на уровне ООН. Тем самым подчеркивается, что национальные программы - если они не согласованы с глобальной климатической стратегией - особой ценности в рамках «спасения» планеты не имеют. 

Мало того, нас пытаются убедить в том, будто человечество столкнулось с беспрецедентной проблемой, а значит, в недавнем прошлом каких-либо значимых примеров относительно преобразования природы не имеется. Возможно, именно так полагают многие из нас, уповая исключительно на глобальный уровень реализации таких мероприятий. И вот здесь мы как раз заблуждаемся, поскольку важные прецеденты были, и они дали весьма неплохие практические результаты. 

В данном случае мы говорим о советском послевоенном плане преобразования природы. Несмотря на пафосное обозначение этого плана, он решал весьма конкретные, во многом – прозаические задачи. Например, борьба с засухой и эрозией почвы в степной зоне юга нашей страны. Важность этих подходов именно в том и заключается, что под решение таких задач подбирались вполне адекватные средства, дающие положительный результат.

Так, в одном из постановлений Совета Министров СССР и ЦК ВКП (б) программа «активного изменения природы» формулировалась предельно просто и конкретно: «О плане полезащитных насаждений, внедрения травопольных севооборотов, строительства прудов и водоемов для обеспечения высоких и устойчивых урожаев в степных и лесостепных районах европейской части СССР». Согласимся, что в такой формулировке плана нет ни малейшего повода для кампанейщины, для «пиара». Это действительно государственный план, последовательно реализуемый по конкретной схеме для получения вполне конкретных результатов (чего не скажешь о нынешних мерах по «спасению» планеты от глобального потепления).

В рамках данного плана для защиты Поволжья, Северного Кавказа и центрально-черноземной области от губительных суховеев было создано восемь огромных государственных лесных полос. Также предусматривалось создание лесных защитных полос на полях колхозов и совхозов, закрепление и облесение песков (!), введение полевых и кормовых травопольных севооборотов, развитие местного орошения и т.д. Считалось, что осуществление всех этих мероприятий очень сильно повлияет на природу наших степей. Их климат должен был измениться в лучшую сторону, свойства почв – улучшиться. Соответственно, это обещало хорошие и устойчивые урожаи.

Дело в том, что засухи в южнорусских степях были очень серьезной проблемой еще до революции, что нередко становилось причиной массового голода. Многие русские ученые – почвоведы, агрономы, лесоводы - уже тогда пытались выяснить причины периодических засух и неурожаев, чтобы на основе этих знаний разработать мероприятия по борьбе с указанной проблемой. В ряду этих ученых особое место занимает Василий Докучаев – знаменитый геолог и создатель научного почвоведения.

По мнению Докучаева, сельское хозяйство в российских степях имело характер азартной биржевой игры, а стремление получить как можно больший урожай вело к истощению плодородных черноземных почв. В своих трудах он тщательно проанализировал успешный опыт мелких хозяйств по борьбе с засухой. Также он принял к сведению сообщения известных агрономов о влиянии грунтовых вод на влажность почв и о влиянии на уровень этих грунтовых вод снега, накапливающегося зимой у опушек березовых рощ. В то время некоторые российские агрономы уже писали о благотворном влиянии близко расположенных лесных посадок на урожай хлебов и трав. Обобщив эти разрозненные данные, изучив природные условия и историю развития почв и растительности степей, Докучаев разработал стройную систему мероприятий, которые могли бы предохранить сельское хозяйство степной полосы южной России от неурожаев.

Конкретно в систему Докучаева вошли: регулирование стока больших и малых рек и устройство местных водных бассейнов для орошения местных земель; закрепление оврагов при помощи лесных посадок, плетней и изгородей; устройство прудов для задержания снеговых и дождевых вод – с целью орошения нижележащих склонов и дна балок; запрет распашки крутых склонов и дна балок; накопление снега и задержание весенних и дождевых вод с помощью живых изгородей; облесение всех песков, бугров и вообще неудобных для пашни участков.

В 1892 году Докучаев организовал особую экспедицию Лесного департамента для «испытания и учета различных способов и приемов лесного и водного хозяйства в степях России». Эта экспедиция должна была на практике проверить систему, предложенную ученым. Для указанной цели были созданы три опытных участка: Хреновский (на водоразделе Волги и Дона), Деркульский (на водоразделе Дона и Донца) и Велико-Анадольский (на водоразделе Дона и Днепра). На всех трех участках были созданы полосные лесные насаждения, заложены разнообразные опыты и начаты тщательные наблюдения над тем, как влияют различные агрономические мероприятия на КЛИМАТ местности, урожайность полей и т.д. Впоследствии на месте Хреновского участка (уже в советские годы) был организован Научно-исследовательский институт земледелия центрально-черноземной полосы имени профессора В. В. Докучаева.

Таким образом, именно Докучаев, разработав программу борьбы с засухой и организовав три опытных участка, создал основу для грандиозного плана «культурного» преобразования природы степей, масштабная реализация которого началась в советское время (в рамках сталинского плана преобразования природы). В советские годы принято было считать, что такая грандиозная задача, требующая прямого государственного участия, может быть решена только в условиях плановой экономики. Поэтому научное наследие Докучаева последовательно воплощали еще и по идеологическим причинам – в целях наглядной демонстрации социалистического хозяйствования, основанного на передовых научных знаниях (в противовес буржуазной экономике, якобы покоящейся исключительно на корыстном расчете, что как раз и приводит к проблемам).

Огромный вклад в развитие научного наследия Докучаева принадлежит академику Василию Вильямсу, который внес важные уточнения и дополнения в разработанную Докучаевым систему. Так, именно он разработал научные основы травопольных севооборотов и объединил весь комплекс лесоводческих, водных и агрономических мероприятий в единую стройную, научно обоснованную систему травопольного земледелия. В эту систему входят: посадка защитных лесных полос, облесение и закрепление песков, правильная организация территории с введением травопольных севооборотов, культурная обработка почв и правильный уход за посевами с применением органических и минеральных удобрений. Именно эта система была официально принята как система «передового социалистического земледелия», что нашло отражение в соответствующих положениях советского правительства.

Как отмечали ученые первых послевоенных лет, влияние защитных лесных полос на прилегающие к ним поля многообразно и весьма плодотворно. Например, это предотвращает сдувание снега во время зимы, которое обычно становилось главной причиной непроизводительной потери влаги.  Без таких полос большая часть снега сносилась в овраги и балки, и весной талые воды из этих мест стекали безо всякой пользы для земледелия. К тому же верхний плодородный слой смывался, а овраги только увеличивались. Кроме того, земля, лишенная снегового покрова, промерзала на достаточно большую глубину, из-за чего весной в нее плохо впитывалась вся остаточная влага. Вода начинала стекать с поверхности почвы, усиливая смыв верхнего плодородного слоя и создавая новые овраги.

Благодаря защитным лесным полосам скорость ветра вблизи поверхности земли значительно снижалась, что препятствовало сдуванию снега. Почва промерзала меньше, поэтому повышалась ее водопроницаемость в весенний период. Массы снега задерживались уже не в оврагах и балках, а возле ближайшей лесной полосы. Весной вся эта снежная масса, превращаясь в воду, орошала сами лесные посадки, способствуя нормальному росту и развитию деревьев. Помимо этого, часть влаги, просочившись через почву, достигает уровня грунтовых вод, улучшая питание колодцев, родников и рек.

Почему мы обратились сейчас к этому опыту? Всё очень просто: перед нами – наглядный пример разумной и научно обоснованной программы, связанной с созданием искусственных посадок деревьев. Здесь также речь шла об улучшении климата, но без нынешнего всепланетарного пафоса. И положительный результат – налицо. Чего нельзя сказать о современной «зеленой» кампанейщине по высадке «миллиарда» деревьев во имя борьбы с углеродными выбросами.

Николай Нестеров

Международный коллектив исследователей оптимизировал технологию микрокапсулирования экстракта зеленого чая для разработки функциональных напитков. За счет повышенного содержания катехинов созданная добавка позволит более чем в пять раз увеличить антиоксидантную активность соков и морсов, в которые предлагается ее добавлять. Статья об этой работе опубликована в Applied Food Research.

Катехины — это группа полифенольных соединений, относящихся к флавоноидам и обладающих выраженными антиоксидантными свойствами. Они играют важную роль в защите клеток от повреждений, вызванных свободными радикалами. Катехины содержатся во многих фруктах и ягодах, какао, красном вине, особенно много их в зеленом чае. Идея добавлять эти вещества и в другие пищевые продукты выглядит привлекательной, однако с этим возникает ряд трудностей. Во-первых, большинство катехинов термически нестабильны и во время кулинарных процессов подвергаются деградации. Во-вторых, часто они ухудшают вкусовые качества конечного продукта, придавая ему заметную горечь и терпкость.

Международный коллектив исследователей, в который вошли ученые из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, Института химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, Новосибирского государственного технического университета, Национального исследовательского университета ИТМО, Асуанского университета (Египет) и некоторых других организаций (полный список можно посмотреть по ссылке), решили определить оптимальные параметры для создания микрокапсулированной добавки с катехинами, которая подходила бы для производства напитков.

«Для начала с помощью ультразвуковой экстракции мы приготовили экстракт зеленого чая с содержанием катехинов около 40 % (не самый лучший по качеству, но очень похожий на коммерческие аналоги). Задача химиков была замаскировать терпкий вкус этого экстракта путем покрытия его шубой из полисахаридов, что мы и сделали путем инкапсуляции. Инкапсуляты были приготовлены двумя способами: в виде сдутых шариков методом распылительной сушки растворов смеси экстракт — полисахарид и в виде губки путем лиофильной сушки. Мы показали, что эти системы, скорее всего, являются твердым раствором катехинов в полисахариде», — рассказывает заведующий лабораторией физикохимии полимерных композитных материалов ИХТТМ СО РАН кандидат химических наук Игорь Олегович Ломовский.

Добавка, полученная с помощью лиофилизации, показала заметно более высокое содержание катехинов (53,3 ± 2,9 мг/г против 26,3 ± 1,1 мг/г при распылительной сушке) и лучшую их сохранность. К тому же этот способ характеризовался меньшей трудоемкостью.

Непосредственно в ИХТТМ СО РАН осуществлялись получение экстрактов, инкапсулятов и их первичная характеризация. Затем с помощью методов математического моделирования ученые ИХКиГ СО РАН определили оптимальное соотношение в добавке полисахаридов и катехинов. После исследовалась термостабильность катехинов. Было показано, что технология микрокапсулирования повышает этот показатель на 10 %. 

Доклинические испытания на лабораторных животных, проведенные в Сибирском федеральном научном центре агробиотехнологий РАН, продемонстрировали, что разработанная биологически активная добавка не оказывает отрицательного влияния на обменные процессы.

Далее образцы передавались в кооперацию ИТМО с НГТУ и иностранными партнерами, где ученые вводили инкапсуляты в различные напитки и оценивали вкусовые свойства этих напитков. В качестве оптимальной основы были выбраны терпкие ягодные соки (брусничный, смородиновый, вишневый): их выраженный вкус эффективно маскирует горький и вяжущий вкус катехинов, что позволяет использовать более высокие концентрации добавки без ущерба для сенсорных свойств. Исследования показали, что такая добавка увеличила антиоксидантную активность более чем в пять раз во всех испытанных образцах. Употребление одной порции этих улучшенных напитков удовлетворяет 13,5—15,8 % суточной потребности в флаван-3-олах.

«Для нас это исследование было демонстрацией наших возможностей контролировать органолептические показатели конечного продукта через контроль физикохимии компонентов сока. Сейчас подобной работой, но на другом экстракте, нуждающемся в коррекции вкуса, заинтересовался один из крупных российских производителей напитков, уже заключен предварительный договор, но пока мы связаны соглашением о неразглашении и не можем рассказать подробности», — говорит Игорь Ломовский.

Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.

Диана Хомякова

Мы продолжаем наш цикл публикаций, посвященных десятилетию образования ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН рассказом о большой исследовательской работе, проделанной сотрудниками института по изучению генома кошачьей двуустки Opisthorchis felineus.

То, что плоские черви из рода Opisthorchis (их еще называют печеночными сосальщиками) способны проникать в организм человека вместе с рыбой и находиться там многие годы, поражая внутрипечёночные жёлчные протоки и жёлчный пузырь – было известно достаточно давно. Однако проблему холангиокарциномы, или рака желчных протоков при описторхозе многие годы связывали преимущественно с территорией Юго-Восточной Азии, а в нашей стране она оставалась в тени. Ситуацию изменило комплексное исследование генетики Opisthorchis felineus, инициированное сотрудниками ИЦиГ под руководством д.б.н. Вячеслава Мордвинова в начале этого века и эта работа продолжается до сих пор.

«Одним из главных результатов нашей работы стало то, что мы актуализировали проблему заражения описторхами населения, прежде всего, сельского, в бассейне реки Обь, где уровень заражения может достигать 60 % и более. А также показали, что это гораздо более опасная болезнь, чем было принято считать до этого», - считает руководитель лаборатории молекулярных механизмов патологических процессов, д.б.н. Мария Пахарукова.

Ключевым этапом исследовательской работы стало секвенирование генома кошачьей двуустки. Российские ученые к тому времени уже имели опыт полной расшифровки геномов вирусов и бактерий. Но что касается более крупных организмов, этот проект стал одним из первых, где ведущая роль принадлежит нашим соотечественникам.

Данные о геноме кошачьей двуустки дали широкие возможности в исследовании эволюции этого и близкородственных видов паразитов. Но они имели не только фундаментальное, но и значительное прикладное значение для медицины, в частности, помогли ученым ИЦиГ СО РАН лучше прогнозировать последствия заражения паразитами.

Одним из важных результатов стала установленная связь между описторхозом и увеличением вероятности заболевания раком желчных протоков. В частности, ученые посвятили несколько лет установлению взаимосвязи и выяснению причин возникновения рака при описторхозе, который, по данным статистики в Таиланде стоит на первом месте среди всех причин появления рака, а в России на 18-м. Связано ли это с разными секреторными молекулами близких видов трематод или обусловлено причинами, к которыми генетические особенности трематод не имеют отношение, остается не до конца изученным. Например, показано, что осложнения описторхоза могут быть обусловлены коинфекцией с патогенными бактериями, такими как бактерии рода Хеликобактер, которые сами по себе являются биологическими канцерогенами, что может усиливать осложнения протекания описторхоза и сопутствующих заболеваний. В рамках сравнения кошачьей двуустки с возбудителями описторхоза и клонорхоза в Юго-Восточной Азии и Китае было показано, что сибирский вид описторха – кошачья двуустка по своим генетическим характеристикам и по канцерогенным свойствам ближе к китайскому клонорху, чем к виверровой двуустке. Так, кошачья двуустка и клонорх вызывает в большей степени фиброз желчных протоков печени, чем неопластические изменения эпителия, как вызывает виверровая двуустка (наиболее канцерогенный вид), и эти различия обусловлены генетикой трематод и их секреторными продуктами. С другой стороны, кошачья двуустка вызывала больше системные эффекты в организме, чем виверровая двуустка, что вероятно и приводит к сопутствующих осложнениям в других органах и системах.

Изучение взаимосвязи между описторхозом и холангиокарциномой продолжается, в частности, ученые начинают работать с клиническим материалом в сотрудничестве с больницами эндемичных регионов, что открывает новые перспективы для разработки и апробации диагностических подходов и валидации найденных маркеров. Так, благодаря сотрудничеству с ОКБ г. Ханты-Мансийск (это наиболее эндемичный регион по описторхозу) удалось обнаружить еще одно неприятное осложнение, возникающее у людей, зараженных паразитом. «Мы впервые показали, что помимо поражения печени, у всех пациентов также наблюдается повреждение почек, нефропатия, отложение иммунных комплексов, признаки системной инфекции. Это очень важные данные, поскольку, когда не удаётся, например, вылечить инфекцию полностью, то необходимо отслеживать другие заболевания, которые могут сопровождать описторхоз, для проведения полноценной комплексной терапии», - подчеркнула Мария Пахарукова.

Одно из фундаментальных направлений работы, проводимой в лаборатории, посвящено исследованию внеклеточных везикул трематод, как компонента коммуникации между паразитом и клетками хозяина млекопитающего. Внеклеточные везикулы трематод в своем составе имеют целый комплекс белков и некодирующих РНК, идентификация молекул стала возможной благодаря проекту секвенирования генома. Внеклеточные везикулы попадают в кровь и могут быть обнаружены вдали от очага инфекции, что открывает перспективы разработки малоинвазивных методов диагностики инфекции человека.

Информация о геноме паразита открыла возможности для самых разных исследовательских проектов. Одни направлены на поиск новых более эффективных и щадящих для организма человека средств борьбы с поселившимся внутри паразитом. А другие – на то, чтобы использовать определенные свойства Opisthorchis felineus в благих целях.

«Поскольку описторх может годами находиться внутри человека, это говорит о наличии каких-то механизмов, позволяющих ему адаптироваться к этому, - отметила Мария Пахарукова. – Повреждая эпителий желчных протоков, описторх выделяет продукты усиливающие рост и деление этих клеток».

Желчные протоки и пузырь выстлан эпителием, основные клетки эпидермиса кожи человека - кератиноциты, которые также являются клетками эпителиального происхождения. Ученым пришла в голову идея, почему бы не протестировать это заживляющее свойство паразита на других видах ран? В результате исследований было показано, что препараты, полученные из внеклеточных везикул описторха ускоряют заживление поверхностных ран при сахарном диабете первого и второго типа, ускоряют рост новых капилляров. Такие молекулы паразитов интересны для применения в области биомедицины. В настоящее время исследователями ИЦиГ выделено около 200 белков, потенциально обладающих подобной активностью, среди которых и надо искать молекулу-кандидата на роль действующего вещества для нового ранозаживляющего препарата.

Еще одно направление, которое хотелось бы развивать в дальнейшем – это разработка неинвазивного метода анализа ДНК окружающей среды, или экологической ДНК. Этот метод обещает стать чувствительным и мощным инструментом для обнаружения трематод в любом природном водоеме, позволит ответить, есть ли там личинки трематод опасные для человека и животных.

Так работа с геномом печеночного сосальщика стала не только одним из первых опытов российских ученых по полногеномному секвенированию крупных организмов, но и ярким примером того, насколько широкий спектр результатов приносят подобные исследования. Коллектив опубликовал с момента начала исследований более 50 статей в рейтинговых журналах, наработано большое количество научных связей, коллабораций с коллективами по всему миру с коллегами из университетов Таиланда, Китая, США, Индии, Кореи, Португалии. В данном случае – при продолжении финансирования исследовательской работы, наша медицина может получить целый ряд новых инструментов как для диагностики и терапии опасной паразитарной инфекции, так и для борьбы с другими патологиями.

В свое время выдающийся русский ученый Климент Тимирязев утверждал о том, что получение двух урожаев в год является самым «жгучим» политическим вопросом, который предстоит нашей стране решать в самом ближайшем будущем. Такие мысли высказывались им еще до революции. Упомянутая задача обозначалась как «задача о двух колосьях». После революции эту идею попытались реально воплотить в жизнь, о чем свидетельствуют восторженные публикации в советской научной периодике. Особенно этого касается первого послевоенного десятилетия.

Чисто теоретически советские ученые-аграрии исходили из следующих данных. У многих скороспелых сортов однолетних культур вегетационный период от посева до сбора урожая не превышает 90 – 120 дней. При этом период, в который они могут развиваться, во многих регионах страны с развитым сельским хозяйством превышает указанный срок. Даже в условиях Средней полосы СССР (например, в Подмосковье) этот период составляет 150 – 175 дней. В более южных регионах страны он доходил до 200 дней и более. Получалось, что после 120 дней растения уже не использовали свет, воду, углекислоту и минеральные компоненты.

Исходя из сказанного, советские ученые совместно с сельхозпроизводителями стали разрабатывать приемы получения двух (и даже трех) урожаев одной или нескольких культур на одном и том же участке. Осуществлялось это различными способами, в зависимости от видов выращиваемых культур, продолжительности их вегетационного периода и требований к теплу и освещенности.

Такие культуры, как картофель и капуста, спокойно могли давать два урожая через один посев. К моменту уборки их листья, стебли и корни в полной мере или частично сохраняют свою жизнеспособность. Это дает возможность использовать листья, стебли и корни для получения второго урожая. В некоторых передовых хозяйствах провели соответствующие испытания, после чего научились получать по два полноценных урожая, высаживая в начале весны клубни картофеля или рассаду ранних сортов капусты (даже в условиях Средней полосы). Первый урожай получали в начале августа, второй – в конце сентября или в начале октября.

Так, в подмосковном подсобном хозяйстве «Суханово» первый сбор картофеля давал урожай 180 центнеров с га, второй урожай – 240 центнеров с га. То есть каждый сезон давал в среднем по 420 центнеров с га превосходного крупного картофеля. В некоторых совхозах Московской области за счет двух урожаев получали до 976 центнеров с гектара ежегодно.

Суть метода заключалась в том, что для получения второго урожая использовалась мощная ботва. С выкопанных кустов собирались все крупные клубни. Потом кусты высаживались на прежнее место, но на 5 см глубже. Туда вносилось немного перегноя и осуществлялся полив. Никакого дополнительного ухода после этого уже не требовалось. Оставленные на корнях мелкие клубеньки начинали очень быстро развиваться, благодаря чему второй урожай практически не уступал первому.

Схожим образом обстояли дела с капустой. Для посадок использовались ранние сорта. Первый урожай давал продовольственную капусту с нормальными кочанами. Второй урожай шел, в основном, на корм скоту (хотя по объему зеленой массы иногда не уступал первому). Такие опыты также проводили в Московской области.

Те же опыты с двумя урожаями ранней капусты проводились в Казахстане с 1949 года на Алма-Атинской картофельно-овощной станции. Первый сбор давал почти 450 центнеров с гектара, второй сбор – почти 150 центнеров. В некоторых случая оба урожая давали продовольственную капусту.

Параллельно проводились опыты и по получению двух урожаев зерновых культур с одного посева. Наблюдения над ростом и развитием злаков показали, что у большинства из них после созревания зерна и уборки урожая корневая система погибает не сразу. Она еще долго живет, сохраняя способность выполнять свои физиологические функции. Как показали опыты академика Д. Н. Прянишникова, меняя условия питания растений незадолго до уборки, можно заставить их образовывать новые побеги и получать, таким образом, второй (и даже третий) урожай. В этих опытах было получено два урожая овса, три урожая ячменя, два урожая пшеницы, два урожая проса и два урожая льна.

В данном случае использовалась способность азотных удобрений вызывать усиленное побегообразование. С этой целью посевы подкармливали азотными удобрениями незадолго до полного созревания растений, когда образование новых побегов не могло отрицательно сказаться на величине первого урожая. Поскольку вновь отрастающие побеги стадийно являются более старыми, весь период от появления новых побегов до созревания семян сильно сокращается. Так, у ячменя при посеве 20 мая первый урожай был собран в самом начале августа, второй – в конце августа и третий – в начале сентября.

Особо хорошим объектом для получения двух урожаев, по мнению советских ученых, было просо. При благоприятных условиях оно очень быстро отрастает и дает новые стебли с хорошо развитыми метелками. В одном колхозе Тульской области таким путем за сезон получали до 52 центнеров проса с гектара. В начале 1950-х годов подобные приемы получения двух урожаев зерна с одного посева находились еще в стадии разработки. Но уже тогда у наших специалистов была уверенность в том, что они создают агротехнику «эпохи коммунизма», что являлось для них важным моральным стимулом.

Другой подход предполагал применение двух посевов, в том числе – с использованием разных культур (на одной и той же площади). Например, в совхозе имени А. М. Горького Московской области ежегодно ранней весной высевали редис, салат, шпинат и укроп. Во второй половине мая на том же участке производилась посадка капусты. В результате, применяя этот метод, с одной и той же площади удавалось получать по 32 тысячи пучков редиса и 903 центнера капусты с гектара. Схожим путем с другого участка собирали по 210 центнеров зеленого лука и по 300 центнеров свеклы с гектара.

В послевоенном СССР было достаточно много примеров таких смешанных посевов различных культур. Например, во многих колхозах и совхозах Московской области использовали совместное выращивание огурцов и капусты. При чистом выращивании урожайность огурцов с одного гектара составляла 252 центнера. При уплотненном выращивание с капустой урожайность огурцов составляла 233 центнера, но к этому урожаю прибавлялось около ста центнеров капусты. Лук без уплотнения давал здесь 164 центнера с га, а при уплотненном посеве к этому прибавлялось более 90 центнеров с га томатов. В других опытах совместно выращивали морковь и томаты. При чистом посеве морковь давала 835 центнеров с гектара, а при уплотненном – 873 центнера и дополнительно – 20 центнеров томатов с гектара.

В начале 1950-х годов такие уплотненные смешанные посадки стали получать распространение в колхозах и совхозах Украины, Грузии, Молдавии и других республик СССР. Часто здесь практиковали посевы кукурузы совместно с фасолью и конскими бобами. Так, в 1950 году в одном колхозе Черновицкой области с одного га было собрано по 65 центнеров кукурузы и два центнера фасоли.

В свою очередь, в Прибалтийских республиках и в Белоруссии под озимые и яровые хлеба высевались сераделла (однолетнее бобовое растение) и другие аналогичные культуры. После уборки основной культуры подсеянные растения начинали быстро расти и к осени давали прекрасный зеленый корм.

Советские ученые того времени были убеждены, что в недалеком будущем такие методы станут повсеместными. К сожалению, они не учли, что здесь они вступали в противоречие с логикой индустриального монокультурного хозяйствования. И все же, по сути, наши ученые не ошиблись. Дело в том, что подходы к решению задачи о двух колосьях в наибольшей степени отвечают духу так называемого «органического» земледелия, интерес к которому возрастает в современном мире. И если за органическим земледелием – будущее, то советский опыт получения двух урожаев не прошел даром и однажды окажется востребованным.

Николай Нестеров

В основе нового подхода лежит разработанный сотрудниками института метод комплексной диагностики генетических нарушений.

Учёные Института цитологии и генетики СО РАН (ИЦиГ СО РАН) разработали метод, позволяющий одновременно выявлять точечные мутации и хромосомные перестройки — два ключевых типа генетических нарушений, участвующих в развитии многих наследственных заболеваний и рака. Статья о новом подходе, получившем название Exo-C, опубликована в престижном международном журнале Genome Medicine.

Метод создан исследователями из Института цитологии и генетики СО РАН (ИЦиГ СО РАН) в сотрудничестве с учёными Института химической биологии и фундаментальной медицины, Новосибирского государственного университета, Образовательного центра «Сириус», Института искусственного интеллекта (AIRI) и др. Он сочетает в себе два современных подхода: Hi-C — метод пространственного анализа хромосом, и экзомное обогащение, применяемое для поиска мутаций в кодирующих участках ДНК.

В отличие от стандартных методов генетической диагностики, которые обнаруживают либо точечные мутации (SNV), либо крупные перестройки, Exo-C позволяет получить всю эту информацию в рамках одного анализа. Это может значительно повысить точность диагностики наследственных заболеваний и упростить работу врачей-генетиков.

«Хромосомные перестройки могут нарушать работу генов даже в том случае, если сами они остаются неповреждёнными. Ранняя и точная диагностика таких изменений критически важна для подбора лечения, прогноза и генетического консультирования», — отметил руководитель проекта, ведущий научный сотрудник ИЦиГ СО РАН, д.б.н. Вениамин Фишман.

Метод Hi-C, лежащий в основе Exo-C, был разработан для изучения 3D-структуры ДНК в ядре клетки. Он фиксирует, какие участки генома физически взаимодействуют друг с другом, что позволяет выявлять разрывы и перестройки, нарушающие нормальную архитектуру хромосом. Однако классический Hi-C требует анализа всего генома, что дорого и неэффективно для медицинских задач.

В Exo-C учёные применили экзомное обогащение к библиотекам Hi-C, сосредоточив внимание только на генах. Это позволяет резко сократить стоимость секвенирования, повысить точность и одновременно выявлять как пространственные аномалии, так и «точечные» мутации в последовательности ДНК, кодирующих гены.

Проверка метода на моделях и образцах пациентов показала его высокую чувствительность и воспроизводимость. В частности, Exo-C обнаружил хромосомные транслокации, которые были подтверждены другими методами, и при этом не уступал традиционным подходам в детекции SNV.

«Самое главное, нескольким пациентам наше исследование, наконец-то, позволило найти причину заболевания и завершить, как принято говорить у медиков, «диагностическую одиссею». Эти люди годами ждали своего диагноза, поскольку другие методы не могли выявить повреждения ДНК, ставшие причиной болезни», – подчеркнул Вениамин Фишман.

Среди потенциальных применений метода: диагностика редких генетических синдромов, онкогенетика, пренатальные (дородовые) исследования, а также анализ случаев с неясной этиологией, когда другие тесты не дали результата.

Работа поддержана грантами Российского научного фонда, грантом ФТ Сириус и другими фондами. Исследователи рассчитывают, что в перспективе Exo-C может быть внедрён в клиническую практику и станет одним из инструментов персонализированной медицины.

Пресс-служба Института цитологии и генетики СО РАН

Сотрудники Новосибирского института органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН исследуют синтетические эфиры борнеола на наличие противовирусной активности против респираторно-синцитиального вируса (РСВ), который может вызывать осложнения при болезнях дыхательных путей у людей с ослабленным иммунитетом. На основе полученных данных ученые планируют создавать противовирусные препараты с широким спектром действия, направленные на борьбу с этим и другими вирусами. Статья об этом опубликована в European Journal of Pharmacology.

Респираторно-синцитиальный вирус поражает дыхательные пути человека. В случае инфицирования он проявляется симптомами, характерными для обычной простуды, однако существуют уязвимые группы, в числе которых дети до 5—6 лет и пожилые люди — у них вирус может вызвать бронхит, пневмонию и привести к госпитализации, а в редких случаях — и к летальному исходу. РСВ передается воздушно-капельным путем, он может периодически поражать человека в течение всей жизни. Для людей с нормальным иммунитетом вирус не представляет серьезной опасности и проходит в виде легкого насморка и небольшого повышения температуры. Как и для большинства известных респираторных вирусов, для РСВ не существует противовирусных препаратов с доказанной эффективностью — сегодня его лечат с помощью поддерживающей терапии. При развитии осложнений иногда применяют рибовирин, но, по словам ученых, он также не показывает высокую противовирусную активность и имеет побочное токсическое воздействие, поэтому нельзя однозначно определить баланс пользы и вреда для организма от воздействия этого препарата.

Новосибирские химики изучают борнеол — это природное соединение, которое можно извлечь из коры хвойных деревьев. Сотрудники НИОХ СО РАН модифицируют борнеол и получают уже синтетически производные сложные эфиры борнеола, не встречающиеся в природе и содержащие только часть природной молекулы, — они и используются для создания противовирусного препарата.

«В нашем распоряжении имеется библиотека сложных эфиров борнеола из более чем пятидесяти веществ. Если стоит задача разработать препарат против какого-либо вируса, то чаще всего в библиотеке можно найти несколько соединений, показывающих эффективность против определенного вируса. Противовирусные вещества на основе эфиров борнеола, которые мы получили синтетическим путем, были отправлены на тестирование коллегам-биологам в Научно-исследовательский институт гриппа им. А. А. Смородинцева Министерства здравоохранения РФ (Санкт-Петербург). Они изучали наши соединения на культурах клеток и мышах. Эксперименты проходили на нескольких группах мышей: группа плацебо, группа рибовирина и две группы препаратов на основе эфиров борнеола. По итогам испытаний, у мышей, которые подвергались терапии нашим соединением ST-2, зафиксировали более низкий титр вируса в сравнении с группой плацебо и примерно на одном уровне — с группой рибовирина», — рассказала старший научный сотрудник лаборатории фармакологически активных веществ НИОХ СО РАН кандидат химических наук Анастасия Сергеевна Соколова.

По словам ученых, в перспективе разработанный сотрудниками НИОХ СО РАН препарат может работать успешнее рибовирина и иметь гораздо меньше побочного воздействия. Сегодня проходит только начальная стадия исследования на клетках и животных. Мышам препарат дается перорально и интраназально. Лучшую эффективность показывает именно интраназальное введение, так как лекарство, минуя промежуточные стадии, мгновенно попадает в легкие и, соответственно, количество действующего вещества увеличивается.

«На данный момент не существует эффективного лечения вирусных заболеваний, а подавляющая часть лекарств не имеет доказательной базы. Синтетические сложные эфиры обладают широким спектром действия,: они могут работать не только против РСВ, но и показывать высокую противовирусную активность в отношении других вирусов, в числе которых вирусы гриппа, Эбола и Марбурга. Мы, в свою очередь, пытаемся разработать универсальный препарат, который был бы способен бороться с рядом вирусов, вызывающих респираторные заболевания», — отметила исследовательница.
Исследование проводится при поддержке РНФ (проект № 24-13-00134).

Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.

Кирилл Сергеевич

Первая часть здесь

Мы продолжаем рассказывать про доклад младшего научного сотрудника Института цитологии и генетики СО РАН Татьяна Шнайдер в рамках проекта «Точка.Логия», посвященный ксенотрансплантации (пересадке органов от животных человеку).

В первой части выступления она рассказала о том, как человечество проделало путь от мифов про слоноголового Ганешу до пересадки сердца бабуина   новорождённой девочке, страдавшей от тяжёлой патологии сердца. К сожалению, девочка прожила лишь 21 день. Этот случай вызвал бурные дискуссии, но, к счастью, не поставил крест на проведении новых исследований.

Тем не менее ксенотрансплантация долгое время оставалась научной фантастикой и этической дилеммой. Однако сегодня, когда нехватка донорских органов стоит особенно остро, исследователи всё активнее возвращаются к идее использовать животных, в первую очередь свиней, в качестве доноров.

Один из главных барьеров на этом пути – иммунная несовместимость. Даже если орган животного идеально подходит по размеру и функциональным характеристикам, человеческая иммунная система распознаёт его как чужеродный и атакует. Решением этой проблемы становится генная инженерия, позволяющая «обучить» органы животных не вызывать иммунного отторжения.

«Главная цель генетических модификаций – сделать так, чтобы органы животных были менее «заметны» для иммунной системы человека. В первую очередь это означает удаление генов, ответственных за синтез молекул, которых нет у человека, но есть у других животных и которые воспринимаются иммунной системой как мишени», – объяснила Татьяна Шнайдер.

У свиней это гены, отвечающие за появление сахаров αGal, Neu5Gc и SDa. Присутствие этих углеводов на поверхности клеток запускает мощную реакцию гуморального иммунитета: у большинства людей есть предсуществующие антитела к αGal, и при контакте с клетками, его содержащими, возникает мгновенная реакция отторжения. Поэтому удаление этих трёх генов стало стандартом при создании свиней-доноров.

Однако этого недостаточно. После удаления чужеродных сахаров необходимо позаботиться о защите от других компонентов иммунной системы человека, в первую очередь системы комплемента. Эта система работает как каскад: белки плазмы крови активируются и уничтожают чужеродные клетки. Чтобы блокировать этот механизм, в геном свиней вводят человеческие гены CD46, CD55 и CD59 – белки, ингибирующие разные этапы активации комплемента. Такие модификации позволяют замедлить или даже предотвратить разрушение трансплантата.

Следующий вызов – взаимодействие трансплантата с клетками иммунной системы, прежде всего с Т-клетками, макрофагами и натуральными киллерами. Эти клетки распознают чужеродные ткани и запускают клеточный иммунный ответ. Для противодействия этому в геном свиней внедряют гены, кодирующие белки PDL1, HLA-E, HLA-G и CD47. PDL1, например, подавляет активацию Т-клеток через взаимодействие с рецептором PD1, а HLA-E и HLA-G действуют на NK-клетки. CD47, в свою очередь, взаимодействует с рецептором SIRPα на макрофагах и подавляет их активность. Все эти механизмы в совокупности помогают сделать органы свиней менее «чужими» для человеческого организма.

Ещё одна проблема – свёртывание крови. При контакте свиного эндотелия с человеческой кровью часто возникает каскад тромбообразования, который может привести к закупорке сосудов трансплантата и его гибели. Чтобы этого избежать, учёные внедряют в геном свиней гены, кодирующие человеческие антикоагулянты, такие как тромбомодулин (THBD) и протеин С (PROCR). Также удаляются гены, провоцирующие активацию тромбоцитов. Такая комбинация модификаций позволяет существенно снизить риск тромбозов в трансплантате.

Помимо иммунной несовместимости, существует риск передачи свиных эндогенных ретровирусов. Эти вирусы встроены в геном свиней и могут активироваться после трансплантации, представляя потенциальную опасность для человека. В 2017 году с помощью системы редактирования генома CRISPR/Cas9 учёным удалось удалить все копии PERV  из генома свиней, сделав трансплантаты более безопасными. Это достижение стало важным шагом к клиническому применению ксенотрансплантации.

В результате современных разработок уже созданы линии свиней, геном которых содержит до 10–12 модификаций. Некоторые гены полностью удалены, другие – добавлены. Такие животные считаются максимально приближёнными к требованиям для клинического использования.

"Например, компания eGenesis разработала свиней с 69 модификациями генома, включая удаление PERV, инактивацию шести генов и внедрение 13 человеческих генов. Такие достижения показывают, насколько далеко продвинулась генная инженерия в попытке преодолеть барьеры между видами", - рассказала ученая.

Хотя ксенотрансплантация пока не стала массовой медицинской практикой, первые клинические опыты – например, пересадка почки свиньи человеку с диагнозом смерть мозга, или пересадка сердца пациенту с терминальной сердечной недостаточностью – уже проведены. Эти эксперименты позволяют оценить, насколько хорошо работают генетически модифицированные органы в условиях, близких к реальным. Каждый такой случай приносит новые данные, позволяющие совершенствовать как технологии модификации доноров, так и протоколы иммуносупрессии.

Кроме того, существуют и другие направления медицинских и биотехнологий, тесно связанные с ксенотрансплантацией, где человечество также достигло определенных успехов.

Прежде всего, это опухолевые ксенотрансплантаты. Огромное количество фармацевтических компаний разрабатывает противоопухолевые препараты, которые затем необходимо тестировать. Сначала – на клеточных культурах, выращенных из линий, полученных от пациентов с разными опухолями. Используя такие клеточные линии, можно оценивать, работает этот препарат или нет.

Следующий этап требует проведения испытаний на лабораторных животных, обычно мышах. Вот тут в дело и вступает ксенотрансплантация. «Это специально созданные мыши, у которых иммунитет не работает, поэтому, если им вколоть человеческие клетки, то эти клетки спокойно будут приживаться, в том числе и опухолевые. Таким образом делают опухолевые ксенотрансплантаты, на которых потом можно тестировать кандидаты в лекарства, как они будут работать в организме, а не в чашке Петри», - пояснила Татьяна Шнайдер.

Еще один вид ксенотрансплантации является довольно экзотичным – это ксенобеременность, вынашивание одного вида животного другим видом животных. Понятно, что в естественных условиях такого произойти не может, другое дело – в научной лаборатории.

«Зачем это делать? Чаще всего такой метод рассматривают как способ воскресить вымерших животных. Или тех, кто находится под угрозой вымирания. Такие работы ведут, например, китайские ученые. Таким путем они пытаются увеличить поголовье панд – одного из символов Китая, который, к сожалению, очень плохо размножается в неволе. И хотя пока они не довели эти исследования до работающей технологии, уже есть результаты, которые показали, что в принципе, это возможно», - отметила Татьяна Шнайдер.

Подведем итоги – ксенотрансплантация остаётся вызовом для медицины, биотехнологий и этики. Но благодаря достижениям в области редактирования генома и всё более точной настройке иммунного взаимодействия между человеком и животным трансплантатом, идея использовать органы свиней для спасения человеческих жизней становится не столь фантастической, как ещё пару десятилетий назад. И, возможно, уже в обозримом будущем генно-модифицированные органы от животных станут реальной альтернативой человеческим донорским органам. И это далеко не единственный фронт работ для будущих поколений ксенотрансплантологов.

Сергей Исаев