Существующая теория микромира Стандартная модель (СМ) удивительно хорошо описывает фундаментальные взаимодействия элементарных частиц, но некоторые астрофизические наблюдения указывают на то, что она не полностью объясняет физическую картину мира. Поэтому физики проверяют и уточняют СМ. Международные коллаборации Muon g-2 и Muon g-2 Theory Initiative, в которые входит Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), проверяют СМ уникальным способом – при помощи сравнения всего лишь одной измеренной в эксперименте величины с ее значением, рассчитанным в теории. Эта величина – аномальный магнитный момент мюона (АМММ). Магнитный момент отражает силу взаимодействия частицы, в данном случае мюона, с магнитным полем. Аномальный магнитный момент возникает в результате взаимодействия частицы с короткоживущими ненаблюдаемыми, или виртуальными, частицами, которыми заполнен вакуум. Задача физиков-экспериментаторов очень точно измерить АМММ, а теоретиков – рассчитать, что предсказывает СМ. Дальше все просто: измеренное и теоретическое значения нужно сравнить, если они согласуются, значит СМ верна, если между ними большая разница, значит существуют неизвестные силы и частицы, которые не описаны в СМ. До недавнего времени между актуальным экспериментальным значением АМММ, измеренным в 2023 г. коллаборацией Muon g-2, и теоретическим – рассчитанным в 2020 г. Muon g-2 Theory Initiative, было целых пять стандартных отклонений, то есть существовал серьезный намек на явления за рамками СМ.

27 мая 2025 г. Theory Initiative опубликовали обновленный расчет АМММ, который сильно приблизился к измеренному в эксперименте, и теперь разница между значениями составляет меньше одного стандартного отклонения, что говорит о том, что СМ пока выдержала эту проверку. Аналогичный результат был получен еще в 2023 г. физиками ИЯФ СО РАН на коллайдере ВЭПП-2000 в эксперименте КМД-3 (Криогенный магнитный детектор). Таким образом, новый расчет АМММ подтвердил полученные российскими физиками данные.

«У любой элементарной частицы есть магнитный момент, который, так уж устроена природа, хорошо известен, так как связан с ее зарядом, массой и спином, – прокомментировал заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе, заведующий кафедрой физики элементарных частиц НГУ доктор физико-математических наук Иван Логашенко. – Зная эти свойства, мы можем предсказать, какой у частицы будет магнитный момент, если она находится в пустом пространстве, вакууме. Квантовая теория предсказывает, что даже абсолютно пустой вакуум заполнен ненаблюдаемыми частицами, всеми, которые существуют в природе (даже теми, о которых мы еще не знаем). Из-за такой структуры вакуума магнитный момент частицы немного изменяется, возникает добавка, которая называется аномальный магнитный момент».

Несмотря на то, что аномальный магнитный момент есть у многих частиц, физики выбрали для проверки мюон, потому что он живет относительно долго (целых 2 микросекунды) и его АММ можно измерить в эксперименте с высокой точностью. Еще одно преимущество мюона в том, что он более чем в 200 раз тяжелее электрона, и его АММ гораздо чувствительней, примерно в 43000 раз, к вкладу тяжелых частиц.

«Это очень интересное направление в физике элементарных частиц, которое позволяет с помощью одного числа провести всеобъемлющую проверку Стандартной модели, – добавил Иван Логашенко. – Но для того, чтобы сравнение имело смысл, необходимо, чтобы обе величины, и измеренная, и рассчитанная, были получены с высокой точностью».

Экспериментальным измерением АМММ занимаются более 60 лет. На данный момент наиболее точное значение получено в эксперименте Muon g-2 (Фермилаб, США). Еще дольше физики занимаются теоретическими расчетами АМММ. Первое предсказание было получено нобелевским лауреатом Д. Швингером еще в 1948 г.  и с тех пор шла непрерывная работа по учету все более тонких эффектов. Чтобы объединить усилия в этом направлении около 10 лет назад была создана международная коллаборация Muon g-2 Theory Initiative, включившая в себя представителей экспериментов BaBar (США), KLOE (Италия), BESIII (Китай), Belle II (Япония), КМД-3 и СНД (Россия, ИЯФ СО РАН), а также научных групп, рассчитывающих АМММ при помощи компьютерного моделирования.  

 «Рассчитать с высокой точностью АМММ в рамках Стандартной модели – нетривиальная задача, – добавил Иван Логашенко. – В АМММ вносят свой вклад слабые, электромагнитные и сильные взаимодействия. Но если вклад первых двух видов взаимодействий с высокой точностью рассчитываются при помощи теории возмущений, то вклад сильных взаимодействий этим теоретическим методом уже не посчитать. Поэтому еще в 60-х гг. XX века физики придумали обходной путь. Базовые законы микромира позволяют связать вклад сильных взаимодействий в АМММ с вероятностью рождения адронов, частиц, участвующих в сильных взаимодействиях, при столкновении электронов и позитронов. На переднем крае этого направления находятся как раз эксперименты на коллайдере ВЭПП-2000 – оказалось, на нашей установке можно провести нужные измерения, и в значительной степени именно точность наших результатов определяет точность всего предсказания».

Область энергий, в которой работает ВЭПП-2000, от 0.36 до 2 ГэВ, как раз наиболее важна для определения вклада сильных взаимодействий в АМММ. Новосибирский коллайдер – самый производительный в мире в своей области энергий. С 2010 г., когда на нем начались эксперименты, был накоплен рекордный объем экспериментальных данных. Это позволило с помощью детектора КМД-3 провести очень точное измерение вероятности рождения адронов (пары пионов) при аннигиляции электронов и позитронов. Благодаря полученному КМД-3 в 2023 г. результату, теоретическое значение АМММ «сдвинулось» ближе к экспериментальному, которое в том же 2023 г. представил Фермилаб. Разница сократилась с пяти до одного стандартного отклонения.

27 мая 2025 г. коллаборация Theory initiative опубликовала результат нового расчета АМММ, основанного на другом методе теоретического расчета – решеточных вычислениях. Этот метод основан на компьютерном моделировании. В расчетные параметры закладываются базовые принципы физики сильных взаимодействий и проводится моделирование на суперкомпьютерах, в результате которого высчитывается вклад в АМММ. Полученный результат полностью согласуется с ранее опубликованным результатом КМД-3.

«Результаты, полученные в Новосибирске, существенно изменили точку зрения на проблему разногласий в АМММ, – прокомментировал координатор эксперимента КМД-3 по измерению вероятности рождения пары пионов Фёдор Игнатов. –  Если до измерения КМД-3 научное сообщество было практически готово объявить об обнаружении Новой физики, то теперь акцент смещен в сторону того, что Стандартная модель, как и прежде, остается верной, и необходимо дальше продолжать повышать точность экспериментов и расчетов. Эксперимент КМД-3 с этой точки зрения является хорошим примером продвижения вперед. Количество зарегистрированных событий пар пионов в детекторе КМД-3 на порядок больше, чем использовалось во всех других подобных измерениях. Такой объем данных обеспечил возможность наиболее тщательного анализа всех факторов, которые могли бы повлиять на полученный результат. Было проведено большое число внутренних проверок и дополнительных измерений сопутствующих физических величин. Все это выгодно отличает наше исследование от прежних, и позволяет с высокой степенью уверенности считать измерение, выполненное в Новосибирске, наиболее точным».

Результат КМД-3 заметно отличается от результатов всех предыдущих экспериментов, в которых в разные годы измерялась вероятность рождения адронов при столкновении электрона и позитрона, таких как BaBar, BESIII, KLOE и др.

«Надежного объяснения, почему результат КМД-3 отличается от результатов предшественников, нет, и это активно исследуется многими научными группами в мире, – пояснил Иван Логашенко. – Очень важно, что результат КМД-3 согласуется с решеточными вычислениями, на результатах которых основан актуальный теоретический расчет АМММ. В свежей статье Theory initiative наши расчеты сравниваются, и видно, что они прекрасно согласуются, причем не только по итоговому числу, но и на каждом этапе вычислений».

По словам Ивана Логашенко, опубликованные Theory initiative результаты являются промежуточными. Для получения итогового расчета необходимо дождаться актуальных экспериментальных данных, которые обрабатываются BaBar, KLOE, BESIII, Belle II и появятся в ближайшие несколько лет. Также совсем скоро закончится обработка данных в эксперименте СНД на коллайдере ВЭПП-2000. Это позволит разобраться с наличием разногласий в экспериментах на электрон-позитронных коллайдерах.

«Учитывая все это, через несколько лет мы ожидаем финальный результат от Theory initiative, который будет объединять все данные, включая данные КМД-3. Это позволит увеличить точность расчета АМММ в 1.5 – 2 раза, и она станет сопоставимой с экспериментальным значением. Добавлю, что через несколько лет, которые понадобятся для модернизации детекторов КМД-3 и СНД на ВЭПП-2000, мы планируем провести еще одно измерение вклада сильных взаимодействий в АМММ, которое само по себе по точности будет сопоставимо с точностью эксперимента Фермилаб», – подчеркнул он.

3 июня 2025 года международная коллаборация Muon g-2 планирует обнародовать результаты нового, самого точного измерения величины АМММ.  

Пресс-служба Института ядерной физики СО РАН

Фото Т. Морозовой.

Ранее в феврале этого года Президент России Владимир Путин на заседании Совета по науке и образованию поручил проработать вопрос об установлении предельного количества мест для обучения по договорам об образовании.

В соответствии с принятым Государственной Думой законом с 1 сентября 2025 года Правительство РФ наделяется полномочиями по утверждению перечня направлений подготовки и специальностей высшего образования, научных специальностей, по которым определяется предельное количество мест для приема на обучение на платной основе. Также Правительство наделяется полномочиями утверждать порядок и сроки определения предельного количества платных мест.

Кроме того, Правительство будет определять перечень профессий, специальностей, направлений подготовки и научных специальностей, соответствующих задачам обеспечения технологической независимости и технологического лидерства России, для обучения по которым будет предоставляться государственная поддержка образовательного кредитования по ставке 3% годовых.

Отметим, что с 2025 года такой кредит будут выдавать только по приоритетным для российской экономики направлениям, среди которых инженерно-технические, медицинские и педагогические специальности.

Соответствующие нормативные правовые акты должны будут вступить в силу не позднее 1 декабря 2025 года.

Председатель Госдумы Вячеслав Володин поздравил депутатов с принятием закона, отдельно отметив включенность главы Минобрнауки.

«Именно ваша инициатива и первоначальный разговор о том, что необходимо повышать качество образования, задал траекторию обсуждения вопросов в Государственной Думе», - сказал он.

В свою очередь глава Минобрнауки Валерий Фальков поблагодарил Вячеслава Володина и всех депутатов за последовательную совместную системную работу.

В свое время мы уже обращали внимание на рискованный эксперимент в сельском хозяйстве, затеянный властями Шри-Ланки в 2021 году. Действуя в духе модной экологической тематики, на острове решили полностью запретить минеральные удобрения и пестициды, перейдя на так называемые органические методы земледелия. В правительстве почему-то решили создать первый в мире прецедент сельского хозяйства, производящего исключительно «экологически чистые» продукты.

Возможно, в расчет принимались и другие соображения, например, экономия на закупке импортных удобрений и химикатов. Дело в том, что государство долгое время оказывало поддержку фермерам, выделяя субсидии на закупку, в том числе, минеральных удобрений. Модные экологические тренды, пропагандируемые в западных странах, давали хороший повод объявить полный переход на «органическое земледелие», отказавшись от импортной химии. Западные страны, естественно, с «пониманием» отнеслись к этому эксперименту, учитывая, что там также начинали склонять фермеров к производству «органических» продуктов. Правда, делая это осторожно. Руководство Шри-Ланки со своими фермерами особо церемониться не стало, надеясь решить вопрос одним росчерком пера.

Последствия не заставили себя ждать. Не прошло и года, как цены на продукты подскочили на 80 процентов. Резко скакнула инфляция, и страна погрузилась в кризис, самый сильный за годы ее независимости. Начались массовые выступления фермеров. В общем, эксперимент вышел боком. В итоге в 2022 году запрет на «химию» был отменен, и власти одобрили закупки 150 тысяч тонн мочевины, 45 тысяч тонн хлорида калия и 36 тысяч тонн фосфатных удобрений. То есть всё вернулось на круги своя.

Этот пример убедительно показывает нам опасность использования крайних мер. В то же время следует понимать, что мировое сельское хозяйство находится сейчас в поисках выхода из другой крайности – многолетней политики целенаправленной и поступательной химизации сельского хозяйства. Повальное использование минеральных удобрений, как показывают наши дни, оказалось далеко не идеальным решением. И теперь встает вопрос: двигаться ли по этому пути дальше или повернуть назад? Или есть какой-то третий путь? Как видим, проще всего повернуть назад, что и попыталось сделать правительство Шри-Ланки. Но и здесь, как выясняется, нам не избежать тяжелых последствий. Где же тогда искать золотую середину и существует ли она вообще?

Поразительно то, что об этой золотой середине размышляли советские ученые еще полвека назад. И уже тогда они пытались наметить третий путь, исключавший упомянутые крайности. Здесь большое значение имели дискуссии о роли почвенных микроорганизмов. Именно тщательное выявление их функций, а равно и функций их основного питательного субстрата (то есть органического вещества) позволяло определить искомую золотую середину для подлинно революционных изменений в сельском хозяйстве.

Как мы знаем, до наступления «химической» эры основным удобрением для земледельцев был навоз. Однако эффективность его применения намного ниже, чем в случае с минеральными удобрениями. По выражению микробиологов, навоз для растений является полуфабрикатом, а не готовым продуктом. Находясь в почве, он доводится там до полной готовности благодаря работе многочисленных микроорганизмов. В естественных условиях последние играют ключевую роль в корневом питании растений. Именно благодаря им осуществляется круговорот питательных веществ. Когда в природе погибают животные и растения, микроорганизмы разлагают это органическое вещество, высвобождая минеральные элементы, после чего те опять поступают в корни живых растений. Правда, небольшая часть органики «консервируется» в почве в виде гумуса, выступающего своего рода резервом плодородия на будущее.

Есть еще одна важная функция микроорганизмов. Некоторые из них способны усваивать из атмосферы молекулярный азот.  Тем самым они обогащают азотом почву, а через нее – растения. Таким образом, в почве происходит постоянный обмен: растения отдают микроорганизмам органический углерод, а те делятся с ними растворенными минеральными элементами. В естественных условиях этот процесс сбалансирован. Что касается сельхозугодий, то здесь громадное количество питательных веществ выносится, что приводит к постепенному снижению плодородия. Внесение в почву навоза в той или иной мере компенсирует эту потерю, и до середины прошлого столетия именно скотные дворы были основными «фабриками удобрений». Однако в целом, полагали ученые, навоз даже в огромных количествах никак не мог полностью покрыть все потери, особенно по части калия и фосфора. Хотя и в этом случае почвенные процессы подчинялись естественным связям, где микроорганизмы продолжали играть ключевую роль.

Применение минеральных удобрений привело к качественному сдвигу, нарушившему эти естественные связи. Функцию «кормления» взял на себя сам человек. И получилось так, что в Советском Союзе, например, уже к середине 1970-х годов минерализованного азота производилось в четыре раза больше, чем его фиксировалось микроорганизмами в возделываемых почвах. Возможности производить минеральное питание в таких объемах подталкивали некоторых специалистов к мысли о полном уходе от «органических» методов, где микроорганизмы никакой роли играть уже не будут. В самом деле, если свести функцию микроорганизмов исключительно к корневому питанию, то в таком случае человек был вправе целиком переключить эту функцию на себя. Возможности химической промышленности были огромны, что вселяло оптимизм.

Под таким углом зрения была сделана попытка переосмыслить традиционные агротехнические приемы, такие, например, как регулярная вспашка. В природе растения прекрасно обходятся без всякой вспашки. Вспашка рассматривалась как один из способов аэрации почвы, что способствовало усилению минерализующей деятельности аэробных микроорганизмов, включая те из них, которые усваивали атмосферный азот. Считалось, что при внесении повышенных доз минеральных удобрений нужда в интенсивном рыхлении почвы отпадет. По крайней мере, сведет рыхление к минимуму, а это, в свою очередь, послужит борьбе с почвенной эрозией.

Однако дальнейшие исследования микробиологов показали, что этот путь в сторону полной химизации чреват иными негативными последствиями. Как выяснилось к началу 1970-х годов, численность микроорганизмов в почве в тысячи раз больше того, чем считалась ранее. Их совокупная масса приближается к массе корней на пшеничном поле. И они так же, как и растения, нуждаются в азоте, фосфоре и калии. Самое интересное, что микроорганизмы, способные поглощать атмосферный азот, легко переходят на «готовенькое», отнимая часть азотных удобрений, внесенных в почву. И самое важное, выяснилось, что растения усваивают минеральные удобрения не полностью. Азот – примерно на 60 процентов, фосфор – на 20-30 процентов. При этом исследования показали, что часть минерального азота, поглощенного микроорганизмами, постепенно ими высвобождалась и становилась доступной для растений. Другая часть закреплялась и переходила в гумус (то есть откладывалась на будущее).

Таким образом, вопрос о том, надо ли вносить в почву органические вещества, оставался открытым. В начале 1970-х годов советским микробиологом становилось понятно, что даже в условиях интенсивной химизации земледелия без почвенных микроорганизмов обойтись всё равно невозможно. Как выяснилось, внесение органики необходимо для борьбы с корневыми инфекциями. Одной из таких напастей является корневая гниль злаковых. Из года в год инфекция накапливается в почве, приводя к необходимости севооборота, что экономически считается невыгодным, поскольку на месте злаковых приходится культивировать менее ценные растения. Однако внесение в почву органического вещества стимулирует размножение полезных микроорганизмов, подавляющих развитие в почве и на корнях болезнетворных грибков.

Кроме того, микроорганизмы способны разлагать и обезвреживать органические ядохимикаты (например, атразин и диурон), которые в противном случае могут накапливаться в почве и смываться в водоемы. Органические удобрения, являющиеся пищей для микробов, значительно убыстряют процесс обезвреживания.

Наконец, органика значительно улучшает структуру почвы, выступая как наилучшее средство борьбы с ветровой и водной эрозией. В этом качестве она оказалась незаменимой. И как отмечали советские микробиологи, по мере интенсивной химизации земледелия функция органического удобрения как источника питательных элементов будет снижаться, в то время как функция образователя почвенной структуры будет, наоборот, увеличиваться. Отсюда следовала рекомендация, что в случае внесения большой дозы минеральных удобрений надо в обязательном порядке добавлять органические вещества.

Как видим, наши микробиологи действительно предлагали некую золотую середину. Они не отвечали на вопрос: нужна ли химия в земледелии или не нужна? Они предлагали формулировать его по-другому: как проводить химизацию, сохраняя всё лучшее, что в ней есть, и не допуская отрицательных последствий? Решение этой задачи они видели в совмещении усилий разных специалистов – агрохимиков и агрофизиков, механизаторов и фитопатологов, и не в последнюю очередь – микробиологов. В таком контексте происходило переосмысление роли микроорганизмов и совмещение ее с химическими методами.

В чем важность для нас означенного подхода, сформулированного еще полвека назад? Как видим, здесь не признается антагонизма между «химией» и органикой, как это происходит в наши дни. Дилемма: «или то, или это» здесь отсутствует напрочь. Смеем полагать, что именно на пути такого устранения антагонизмов, гармоничного сочетания того и другого как раз и открывается возможность подлинно революционных перемен в сельском хозяйстве. И не только в сельском хозяйстве. Очевидно, что реальный прогресс в любой отрасли начинается как раз с отказа от подобных дилемм. И наоборот, в тупик загоняет нас упорное навязывание какой-то одной линии. Примеров таких много. Один из них мы привели в самом начале.

Николай Нестеров

22-23 мая 2025 года в Технопарке Новосибирского Академгородка проходила конференция «Современные геоинформационные технологии 2025», собравшая более 200 участников из России, Беларуси и Казахстана. Мероприятие стало ключевой площадкой для обсуждения актуальных трендов в области геоинформационных систем (ГИС), цифровой трансформации и пространственного анализа.

Организатором конференции выступила компания «Дата Ист» при поддержке Министерства цифрового развития и связи Новосибирской области, Фонда развития геоинформационных технологий, ГАУ НСО «Новосибирский областной инновационный фонд» и Ассоциации содействия развитию информационных технологий «СибАкадемСофт».

Открывая конференцию, генеральный директор компании «Дата Ист» и руководитель Новосибирского регионального отделения Русского географического общества Вячеслав Ананьев отметил: «Взаимодействие с разработчиками в компаниях и профильных министерствах для нас крайне важно. Они используют наши инструменты, дополняют их своими разработками, и получается технически насыщенный продукт, направленный на решение серьезной отраслевой задачи. Такая синергия позволяет идти в ногу с трендами, развивать технологии и получать новые вызовы».

В течение двух дней участники конференции смогли ознакомиться с последними достижениями в сфере ГИС, включая презентации от представителей международных компаний, профильных министерств и департаментов, научных институтов и государственных корпораций. Особое внимание было уделено практическим кейсам использования геоинформационных технологий в различных отраслях, таких как нефтегазовая промышленность, городское планирование, экология и сельское хозяйство.

Одним из ключевых событий конференции стала презентация новой версии отечественной платформы CoGIS 11.0 от компании «Дата Ист». CoGIS — это цифровая инфраструктурная платформа для создания картографических веб-приложений и геоинформационных порталов. Как рассказал в своем докладе директор компании «Дата Ист» по техническому развитию Евгений Моисеев, новая версия включает в себя множество улучшений, таких как:

– интеграция с LDAP для упрощения управления пользователями и правами доступа;

– возможность создания инструментов геообработки на языке Python, что расширяет возможности анализа пространственных данных;

– подсветка узлов геометрии объектов на карте, что облегчает редактирование и анализ данных;

– улучшенные настройки видимости вкладок и блоков в карточке объекта, повышая гибкость интерфейса и другие.

Эти нововведения направлены на повышение эффективности работы с пространственными данными и расширение возможностей платформы для различных пользователей. Более подробно о задачах, которые пользователи могут решать с помощью CoGIS, представил в своем докладе начальник отдела прикладных разработок «Дата Ист» Борис Моисеев.

«Это система-конструктор. Она рассчитана на то, чтобы пользователь, не имеющий навыков программирования, через веб-интерфейс, мог загрузить различную информацию, опубликовать разнообразные проекты, создать дот-карту и сделать многое другое, необходимое для решения его конкретной задачи», - подчеркнул он.

Речь идет как накоплении и отображении разных картографических данных, так и об аналитике с помощью геоданных, а также – автоматизации различных производственных процессов.

Причем все это не первый год реализуется на практике - в рамках конференции были представлены успешные кейсы использования геоинформационных технологий в различных регионах. Представители Правительства Ямало-Ненецкого автономного округа и мэрии Новосибирска поделились опытом внедрения ГИС в управление территориями и городским планированием. Руководители предприятий «Лукойл-Инжиниринг», «Газпромнефть», «СканЭнергоКонтроль» и других рассказали о применении геоинформационных систем в нефтегазовой отрасли и энергетике.

Представители предприятий из Казахстана и Беларуси также поделились опытом использования геоинформационных технологий, разработанных в Новосибирске, в своих производственных процессах. Это подтверждает высокий уровень компетенций и инновационный потенциал новосибирских разработчиков в области ГИС.

Конференция также привлекла внимание студентов, преподавателей географии, краеведов и профессиональных гидов, членов Русского географического общества. Для них были организованы мастер-классы и презентации, демонстрирующие применение геоинформационных технологий в образовательной и исследовательской деятельности.

Особый интерес вызвало мобильное приложение «Карта РУ», разработанное для туристов и путешественников. Приложение позволяет вести цифровой дневник похода, сохранять точки маршрута и впечатления, что делает его полезным инструментом для любителей природы и активного отдыха.

«Мы рассчитываем, что сможем заинтересовать не только разработчиков и узких специалистов, а всех, кто применяет цифровые карты в повседневной жизни. Это туристы, бердвотчеры, краеведы, географы, школьники и студенты. Для них мы создаем продукты, не требующие специального образования и обучения. Своими технологиями мы даем возможность людям превратить свои впечатления в цифру, чтобы сохранить в памяти уникальные места, достопримечательности для современников и новых поколений», – отметил Вячеслав Ананьев.

Конференция «Современные геоинформационные технологии 2025» стала важным событием для профессионального сообщества, способствуя обмену опытом, развитию новых проектов и укреплению сотрудничества между различными организациями и регионами. Планируется, что конференция станет ежегодным мероприятием, продолжая традицию обсуждения актуальных вопросов и демонстрации передовых решений в области геоинформационных технологий.

Сергей Исаев

Нейросети становятся все более востребованным инструментом в различных областях. Ученик 11-4 класса СУНЦ НГУ Сергей Матвеев вместе с научным руководителем, лаборантом Межкафедральной лаборатории инженерного конструирования СУНЦ НГУ Яной Дементьевой обратили внимание на использование искусственного интеллекта в медицине и начали работу над проектом «Создание и обучение нейросети для бинарной классификации ретинопатии у недоношенных детей по изображениям глазного дна».

Ретинопатия — это поражение сетчатой оболочки глазного яблока. Болезнь влечет за собой атрофию зрительного нерва и необратимую слепоту. На данный момент для диагностирования ретинопатии проводится длительное офтальмологическое обследование (осмотр сетчатки глаза) с помощью лампы и увеличительного стекла. Также пациенты проходят через лабораторные исследования, например, лазерное сканирование сетчатки, тонометрию и т.д.. Иногда применяется магнитно-резонансная томография орбит.

— Когда Сергей пришел ко мне, у него уже была идея проекта и, более того, были заготовки данных, с которыми планировалась работа, — рассказывает научный руководитель Яна Дементьева. — Чтобы получить рабочую модель, был проведен обзор существующих обработанных и структурированных наборов данных (датасетов) по ретинопатии, расширение и обработка имеющихся данных, проведены тесты обучения модели при разных условиях. Если говорить проще – это большая исследовательская работа по анализу данных, перебору методов и эмпирическому подбору параметров. Сергей с самого начала работы над проектом показал способность к серьезному самостоятельному исследованию. Я только показывала какие-то примеры, предлагала источники, где можно найти необходимую информацию, и какие-то возможные решения.

В процессе разработки Сергей создал 5 разных моделей, каждая из которых тестировалась на 20000 снимках глазного дна с разными степенями ретинопатии. В итоге юному разработчику удалось достигнуть того, что созданная модель корректно распознает заболевание на 98 снимках из 100.

— Цель моего проекта заключалась в создании ИИ-инструмента для организаций здравоохранения, который помогает определять патологии сетчатки у новорожденных. В будущем я вижу себя ML-разработчиком (прим. программист, который работает с машинным обучением) в медицинской диагностике, поэтому хотел сделать проект, связанный с этой сферой деятельности. Заметив, что уже существует достаточно много таких разработок, я зашел на сайты, на которых медицинские организации оставляют заявки на создание для них проекта. Там я нашел тему и необходимые данные для своего исследования. За время разработки проекта я приобрел начальные навыки для обработки медицинских изображений и обучения нейросетей. Также во время разработки врач-офтальмолог помог мне с классификацией снимков. Именно благодаря этому я научился формулировать технические вопросы «на медицинском языке» и получил опыт работы со специалистом, — делится Сергей.

Сергей Матвеев получил диплом 1 степени на Международной студенческой конференции в секции «Интеллектуальные системы (Технологии будущего)». Юный разработчик планирует продолжать работу над своим проектом, а именно улучшить модель и создать графический интерфейс для медицинских работников.

Пресс-служба Новосибирского государственного университета

Международный коллектив, в состав которого вошли исследователи из Сибири, изучил 68 лошадей позднего плейстоцена с помощью методов генетического и изотопного анализа (а также используя знания коренных народов Америки). Ученые обнаружили, что 50—19 тысяч лет назад лошади неоднократно перемещались между исконной Северной Америкой и Азией через Берингию. Однако из-за изменения климата в позднем плейстоцене этот путь был утрачен, что привело к вымиранию лошадей на их родном континенте. Современные североамериканские лошади произошли от евразийских линий, позже завезенных европейцами. Статья об исследовании опубликована в Science.

Лошади появились в Северной Америке около четырех миллионов лет назад. К позднему плейстоцену там одновременно существовало несколько линий лошадей. Одна обитала к югу от ледниковых щитов, другая — по всей Аляске и Юкону, третья — на самой западной окраине Аляски. Именно эта западная группа оказалась генетически связанной с европейскими лошадьми.

Благодаря изменению уровня моря между Чукоткой и Аляской появился Берингийский сухопутный мост, по которому лошади попали в Евразию и после неоднократно мигрировали туда-обратно. Эти перемещения через Берингию продолжались вплоть до последнего ледникового периода. Установлено как минимум пять значительных волн таких миграций. Генетические следы североамериканских лошадей обнаружены в образцах лошадей с Дальнего Востока России, из Северо-Восточного Китая, Анатолии (территория современной Турции), с Пиренейского полуострова. В Северной Америке, в свою очередь, найдены останки лошадей, чья популяция зародилась на Урале.

В период постледникового потепления, около 13 тысяч лет назад, тающие ледяные щиты постепенно затопили Берингийский сухопутный мост, кроме того ландшафт из сухих лугов преобразился в бореальные леса и болота, непригодные для выпаса лошадей и сложные для их передвижения. Американские популяции животных оказались изолированными от евразийских сородичей. В Северной Америке лошади исчезли десять тысяч лет назад (те, что живут там сегодня, — это потомки лошадей, завезенных испанцами в XVI веке).

«Благодаря изотопному анализу было показано, что вымирание североамериканских лошадей в конце позднего плейстоцена, скорее всего, было связано с изменяющимися климатическими условиями: тундростепь исчезала, ее заменили заболоченная тундра, кустарниковые заросли, водно-болотные территории и бореальные леса. Из-за уменьшения территорий, к которым были приспособлены позднеплейстоценовые лошади, и их источников питания многие древние виды лошадей вымерли», — объясняет одна из соавторов статьи научный сотрудник лаборатории цитогенетики животных Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН кандидат биологических наук Мария Александровна Куслий.

Исследование объединило передовые методы анализа древней ДНК и изотопов с традиционными системами научных знаний коренных народов Америки (в нем приняли участие 18 ученых из племен лакота, сиилкс, черноногих, дене и инупиатов).

Анализ митохондриальной ДНК и Y-хромосомы подтвердил, что западные североамериканские лошади ближе к евразийским, чем к южно-американским. Исследование изотопов показало сходство рациона между лошадьми Аляски и Сибири, что указывает на общую среду обитания. О дальних миграциях говорят и археологические находки: обнаруженные в Сибири и Европе останки лошадей с генетическими маркерами, характерными для американской западной линии.

Ученые Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН внесли вклад в изучение миграций уральской линии лошадей позднего плейстоцена.

«Мы исследовали популяцию позднеплейстоценовых лошадей местонахождения Красный Яр Новосибирской области (их обнаружил старший научный сотрудник Института археологии и этнографии СО РАН кандидат биологических наук Сергей Константинович Васильев). В Центре антропобиологии и геномики Тулузы (Франция) мы получили геномные библиотеки, которые затем были высокопроизводительно секвенированы, благодаря чему мы определили ядерные геномные последовательности. Филогенетический анализ, анализ компонентов предковости выявил принадлежность лошадей из Красного Яра к уральской линии позднеплейстоценовых лошадей, что расширило территорию распространения этой линии до Южной Сибири. Было показано, что уральские лошади позднего плейстоцена внесли значительный вклад в формирование генофонда разных популяций лошадей по всей территории Евразии (в Анатолии, Центральной Азии и Европе), и они участвовали в процессе генетического смешения лошадей между Евразийской и Американской Арктикой», — рассказывает Мария Куслий.

В преданиях коренных народов говорится о Тропе Знахаря — жизненно важном коридоре, который соединял Американский и Евразийский континенты на протяжении многих тысяч лет. Эта тропа тянется от Аляски через Сибирь в Монголию, а также через Канаду, через территории племен лакота и майя, ответвляясь повсюду. По ней лошади, как и всё живое, свободно перемещались, смешиваясь и внося вклад в окружающее пространство. Так, конский помет часто содержит семена, из которых вырастают растения, и привлекает насекомых, которые, в свою очередь, привлекают животных. Когда лошадь исчезает с территории, этот процесс останавливается.

«Многие научные системы коренных народов основаны на знании того, что вся жизнь находится в постоянном движении, перемещаясь и адаптируясь по мере изменения климата. Мегафауна (животные более 45 кг) играет ключевую роль в экосистемах, формируя биоразнообразие и сохраняя запасы углерода в почвах и растительности. Сокращение мегафауны может вызвать каскадное воздействие на функционирование экосистем. Наука коренных народов накопила бесценные знания об изменении среды обитания и его влиянии на перемещение людей, мегафауны и других форм жизни», — пишут авторы статьи.

Они отмечают, что современные виды крупных млекопитающих тоже сильно зависят от миграционных коридоров. Исчезновение таких коридоров в условиях изменяющегося климата может привести к необратимой потере генетического разнообразия даже для тех видов, которые когда-то были широко распространены и успешно адаптировались. Исследователи подчеркивают, что необходимо предпринимать отдельные меры по сохранению миграционных коридоров, и это даже важнее, чем защита отдельных изолированных популяций.

Диана Хомякова

В Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) создали фотокатоды на основе соединения цезий-йод — ключевые элементы для «глаз» нового космического телескопа «Спектр-УФ», планируемого к запуску в 2031 году.

Во время проверки эффективности фотокатоды показали квантовый выход на уровне 40%, что в два раза выше базовых проектных параметров, и является рекордным значением для такого типа фотокатодов. Устройства предназначены для улавливания одной из составляющих космического излучения — вакуумного ультрафиолета, что позволит телескопу получать ранее недоступные данные о Вселенной. В частности, проводить поиск биологических маркеров (признака внеземной жизни) в атмосфере экзопланет.

Разработка имеет большое значение не только для реализации национального отечественного космического проекта «Спектр-УФ», но и для мировой науки в целом. С момента запуска «Спектр-УФ» будет выступать преемником телескопа имени Хаббла, во-первых, закрывая его ультрафиолетовую рабочую нишу. Во-вторых, получая совершенно новую информацию, благодаря современному оборудованию и расположению над поверхностью Земли — в 70 раз выше, чем «Хаббл», на 35 000 км. Как минимум до 2041 года, «Спектр-УФ» будет единственным в мире космическим телескопом, собирающим данные в ультрафиолетовом диапазоне.

Головной организацией проекта «Спектр-УФ» является НПО им. С.А. Лавочкина, за оптические элементы и зеркала телескопа отвечает АО «Лыткаринский завод оптического стекла», за разработку электронных блоков Институт космических исследований РАН, Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики берёт на себя ответственность за комплектацию блока спектрографов и элементов блока камер поля.

Головной научной организацией по проекту «Спектр-УФ» выступает Институт астрономии РАН (ИНАСАН), Институт физики полупроводников изготавливает электронно-оптические преобразователи для блока камер поля — «глаз» телескопа.

Калибровка фотокатодов — ключевой части электронно-оптических преобразователей — была проведена недавно в Институте ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН).  

Фотокатод — материал, способный при попадании на него света (фотонов) испускать электроны, а значит, получаемый электрический ток можно измерить, и, таким образом, оценить интенсивность излучения. Объединяя фотокатод, умножитель электронов (микроканальную пластину) и люминофорный экран в вакуумном корпусе, можно не просто измерять ток, а регистрировать изображения в соответствующем диапазоне длин волн.

«Исследование и создание фотокатодов — традиционное направление для нашей лаборатории, но с соединением цезий-йод мы раньше не имели дела. Поэтому, когда возник интерес со стороны коллег из ИНАСАН, мы осваивали технологию на ходу — разработали процесс изготовления фотокатодов, дополнительное оборудование и выяснили, какая конструкция позволит добиться максимальной квантовой эффективности. Такой, чтобы на фоточувствительной поверхности фотокатода выделялось как можно больше электронов в ответ на поглощенные фотоны. Результаты недавней калибровки, проведенной в ИЯФ СО РАН, показали, что квантовая эффективность первых тестовых устройств составляет 40% (упрощенно говоря, 100 фотонов “производят” 40 электронов), что существенно превышает пороговые значения, обязательные для “Спектр-УФ”», — поясняет заведующий лабораторией ИФП СО РАН доктор физико-математических наук, профессор РАН Олег Евгеньевич Терещенко.

«Необходимое и достаточное значение квантовой эффективности для нас — 20%. Звезды — слабый источник излучения, и мы боремся за каждый процент, поэтому эффективность в 40% — это идеально. Таких параметров достигали ранее только в Японии, в компании “Hamamatsu Photonics”», — подчеркивает директор ИНАСАН доктор физико-математических наук, профессор РАН Михаил Евгеньевич Сачков.

После космической миссии «Хаббл», которая работает на орбите уже 35 лет, «Спектр-УФ» станет единственным орбитальным телескопом, получающим данные о Вселенной в ультрафиолетовом диапазоне. Такая информация нужна для исследования атмосферы экзопланет, в том числе для поиска биологических маркеров (признака внеземной жизни), установления физических процессов звездообразования (молодые звёзды излучают в основном в ультрафиолете). А также для понимания тепловой и химической эволюции Вселенной, поиска темного барионного вещества.

В кооперацию по проекту «Спектр-УФ» входит множество ведущих научных и производственных организаций России, ранее одним из партнеров была испанская компания, которая разрабатывала фотокатоды для «глаз» телескопа. Но сотрудничество прекратилось, и потребовалось отечественное решение, которое предложили специалисты ИФП СО РАН.

«На одной из конференций мы увидели подробную презентацию о работах в лаборатории Олега Евгеньевича Терещенко и были приятно удивлены, что в Институте физики полупроводников есть, по сути, полный цикл производства электронно-оптических преобразователей.  Это именно то, что нам надо, поскольку готового продукта, с требуемыми характеристиками не существует, его нужно разрабатывать, адаптировать для проекта. Кроме того, важно, что происходит взаимодействие двух академических институтов, развитие идет в обе стороны», — добавляет Михаил Сачков.

Вакуумный ультрафиолет (ВУФ) полностью поглощается земной атмосферой, поэтому для работы в этой области приходится создавать специализированные высоковакуумные установки. Единственный в России синхротронный источник, на котором можно проводить работы в ВУФ диапазоне, находится в ИЯФ СО РАН — станция синхротронного излучения «Космос», которая использует излучение из накопителя ВЭПП-4. Большую часть времени, около 75%, ВЭПП-4 работает как коллайдер, а оставшиеся 25% — как источник синхротронного излучения.  На станции «Космос» можно добиться требуемой мощности излучения и провести калибровку устройств, работа которых связана с излучением в ВУФ и мягком рентгеновском диапазонах.

«В процессе калибровки мы соотносим показания прибора с показаниями эталонного детектора. Излучение в вакуумном ультрафиолете очень капризное: оно полностью поглощается в атмосфере, оптика и детекторы в этом диапазоне сильно меняют свои свойства при наличии даже незначительных загрязнений на поверхности. Поэтому приходится соблюдать особые меры предосторожности и все измерения проводить в высоком вакууме.

В данном случае мы измеряли эффективность фотокатодов при их облучении фотонами с определенной длиной волны. Эти фотоны мы выделяем из «белого» пучка синхротронного излучения с помощью монохроматора, в состав которого входят зеркала, дифракционная решетка и фильтры из фторида магния.  Создателей “Спектр-УФ” особенно интересует узкий диапазон вокруг спектральной линии Лайман-альфа (~121,6 нанометров), так как она служит важным диагностическим инструментом для исследования атмосферы планет, активности звёзд. Но и для других длин волн мы оцениваем эффективность фотокатодов. Методика выполнения измерений отлажена, это довольно стандартная процедура. Так сложилось, что большую часть времени наша станция работает в мягком рентгеновском диапазоне, однако перенастроить установку для вакуумного ультрафиолета не слишком сложно», — отмечает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Антон Дмитриевич Николенко.

Сегодня проект «Спектр-УФ» позиционируется, как российский национальный и находится в степени готовности более 50%.

«После запуска мы планируем работать по базовой программе, закрывающей основные исследовательские направления, первое и самое важное из них — получение информации об атмосфере экзопланет. Кроме того, “Спектр-УФ” будет действовать в режиме обсерватории, когда астрономы (в том числе иностранные) подают заявки, и мы их реализуем. Проект востребован, — если судить по запросам в наблюдениях к телескопу имени Хаббла, — их больше, чем 10 к одному. То есть из десяти заявок реализуется только одна. “Спектр-УФ” полностью импортонезависим, у нас есть всё необходимое», — резюмирует Михаил Сачков.

Пресс-служба ИФП СО РАН

В Центре коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ») запущен бустерный синхротрон и начались эксперименты с электронным пучком. Частицы сделали два полных оборота, а синхротронное излучение, которое они испустили, проходя через поворотные магниты, позволило измерить параметры пучка — его форму, размер, интенсивность.

«Мы успешно прошли очередной этап запуска ускорительно-накопительного комплекса. Бустерный синхротрон — большая установка (периметр почти 159 метров), сотни систем которой должны работать согласованно. Тот факт, что пучок пролетел несколько оборотов, как раз это и означает: все соединения, настройки, калибровки сделаны правильно, мы готовы приступить к получению проектной энергии 3 ГэВ», — сказал директор ЦКП «СКИФ» чл.-корр. РАН Евгений Левичев.

Единственным исполнителем комплекса работ по изготовлению, сборке, поставке и пусконаладке технологически сложного оборудования ускорительного комплекса выступает Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН.

Инжекционный комплекс, состоящий из линейного ускорителя и бустерного синхротрона, является основой СКИФ, поскольку формирует пучок с необходимыми параметрами. В линейном ускорителе электроны рождаются, группируются в пучок, получают первоначальное ускорение и энергию 200 миллионов электронвольт (МэВ). Затем этот пучок поступает в кольцевой бустерный синхротрон, где разгоняется до рабочей энергии — 3 миллиарда электронвольт (ГэВ), и отправляется в основной накопитель. В накопителе электронный пучок, проходя через магнитное поле поворотных магнитов (магнитных диполей) или специализированных многополюсных устройств (вигглеров или ондуляторов), генерирует синхротронное излучение. Синхротронное излучение выводится из накопителя через фронтенды и по каналам транспортировки рентгеновского пучка доставляется на экспериментальные станции, где ученые будут использовать его для проведения исследований.

Обороты пучка в бустерном синхротроне зарегистрированы в том числе с помощью синхротронного излучения, которое испускают электроны, поворачивая в магнитах бустера. И, хотя это излучение не используется для экспериментов (его интенсивность слишком мала), с его помощью можно измерить параметры пучка электронов. «Таким образом можно сказать, что синхротронное излучение впервые наблюдается в ЦКП «СКИФ»», — добавил Евгений Левичев.

Следующий этап работы — ускорение пучка электронов до энергии 3 ГэВ. Достигнуть рабочей энергии специалисты рассчитывают в течение июня.

Параллельно с запуском бустерного синхротрона активно ведутся работы и на других площадках ЦКП «СКИФ». В корпусе стендов и испытаний идет сборка оборудования накопительного кольца и прецизионная юстировка выставки элементов на высокоточных подставках-гирдерах.

В здании накопителя завершился настил крыши. В тоннеле накопительного кольца залит пол, смонтирована специализированная геодезическая сеть, которая позволит организовать пространственную связь всех частей ускорительно-накопительного комплекса, идут работы по созданию инженерных коммуникаций.

Еще несколько лет назад идея заглянуть внутрь клеточного ядра и изучить пространственную архитектуру ДНК без микроскопа казалась научной фантастикой. Однако сегодня, благодаря усилиям ученых, это стало реальностью. Используя передовые методы, исследователи из ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» шаг за шагом изучают, как трехмерная организация генома влияет на здоровье человека, и создают на этом фундаменте новые методы диагностики генетических заболеваний.

Долгое время основным инструментом генетиков было секвенирование – чтение линейной последовательности ДНК. Но вскоре стало понятно, что одного знания букв недостаточно. Геном – это не просто цепочка символов, а сложная трехмерная структура, в которой пространственные контакты между участками ДНК тоже очень важны для регуляции активности генов.

Поворотным моментом стало появление технологии Hi-C. Этот метод позволяет «сфотографировать» взаимодействия внутри ядра клетки, зафиксировав, какие участки ДНК находятся в контакте друг с другом. Комбинируя его с массовым секвенированием, исследователи получают карту, по которой можно судить о топологии генома.

В числе первых в России, кто освоил Hi-C, была группа под руководством ведущего научного сотрудника сектора геномных механизмов онтогенеза ИЦиГ СО РАН, д.б.н. Вениамина Фишмана.

На первом этапе они сосредоточились на изучении нормального трехмерного строения генома. В 2015 году ученые показали, что «петли» в упаковке ДНК — не случайные и не статичные структуры. Они образуют своего рода инфраструктуру, позволяющую регуляторным элементам, например, энхансерам, контактировать с нужными генами.

Сравнивая разные клетки и организмы – от сперматозоидов и яйцеклеток мышей, птиц и даже насекомых – ученые искали общие закономерности. Так, в коллаборации с группой Игоря Шарахова (США) они расшифровали геномы пяти видов комаров рода Anopheles — переносчиков малярии.

«Метод Hi-C, который мы использовали, позволил нам расшифровать последовательности генома пяти видов комаров Anopheles. Это крайне важная информация для тех, кто работает над способами борьбы с переносчиками. Например, теперь можно понять, как в ходе эволюции комары приспосабливаются к использованию человека или крупного рогатого скота в качестве кормовой базы, или как происходит адаптация к существующим инсектицидам или переносу малярийного плазмодия. Это открывает новые методы борьбы с этими насекомыми – в том числе методами редактирования генома, например, при помощи цепной мутагенной реакции. Ведь для того, чтобы воздействовать на какой-то ген комара, надо знать, как геном устроен. Именно на этот вопрос отвечает наше исследование», - рассказал Вениамин Фишман.

Сравнение данных о хромосомных перестройках у разных животных навело ученых на мысль: а что, если схожие подходы можно использовать для поиска скрытых генетических дефектов у человека?

Как вспоминал позже Вениамин Фишман, решающим моментом стала поездка в Томск в 2018 году с целью найти в базе коллег из Томского НИМЦ интересные случаи наследственных заболеваний человека, которые можно дальше исследовать. Открыв базу данных, ученый обратил внимание, что большое число пациентов остаются без молекулярного диагноза – не смотря на использование самых передовых методов молекулярно-генетической диагностики.

«На мой вопрос, почему так получилось – мне ответили, что это общая проблема, достаточно часто, несмотря на все наши возможности, секвенирование генома, другие анализы, ничего не находится. Сразу возникла мысль, что необходимы новые способы диагностики, которые будут решать эту проблему», - продолжил он.

Так родилась идея: использовать Hi-C в медицинской генетике. Ведь классические методы зачастую не выявляют крупные сбалансированные хромосомные перестройки, когда целые блоки ДНК меняются местами, не затрагивая сами гены, но нарушая их работу.

К 2020 году ученые из ИЦиГ разработали диагностическую технологию, позволяющую выявлять как крупные перестройки, так и точечные мутации, при этом сохраняя пространственную информацию о геноме. Принцип метода следующий: сначала ДНК готовится таким образом, чтобы зафиксировать ее трехмерную структуру, а затем проводится глубокое секвенирование. Из образца крови или биопсии эмбриона можно получить максимум информации, заменив этим одним тестом сразу пять разных анализов.

Метод оказался особенно полезен для диагностики причин бесплодия и прерывания беременности. Дело в том, что сбалансированные хромосомные перестройки – одна из самых частых причин этих состояний, но их сложно обнаружить. Новый подход не только находит такие перестройки, но и позволяет отличить здоровый эмбрион от носителя во время процедуры ЭКО.

Исследование, охватившее десятки пациентов при участии медико-генетических центров в Москве и Томске, показало: новый метод не уступает (а иногда и превосходит) существующие по чувствительности и специфичности. При этом он дешевле и проще в применении.

Следующим шагом стало стало сочетание Hi-C с экзомным обогащением – методом, фокусирующим секвенирование на белок-кодирующих участках генома. Такой подход позволяет одновременно определить, какие мутации влияют на структуру белков, и как изменена пространственная архитектура участков, в которых они расположены.

В этом проекте исследователи ИЦиГ сотрудничали почти с десятком медико-генетических центров России, в первую очередь с московским (МГНЦ) и томским (Томский НИМЦ). Благодаря такому масштабному сотрудничеству удалось протестировать разработанный метод на большой когорте пациентов. Были обнаружены новые, ранее не описанные мутации.

Уже сегодня этот подход позволил завершить «диагностическую одиссею» для нескольких пациентов, годами не получавших точного диагноза. Были выявлены ранее неизвестные перестройки, указывающие на причины тяжелых заболеваний. Это не только открывает путь к лечению, но и позволяет точно прогнозировать риски для будущих поколений в семье.

В настоящее время близятся к завершению еще два исследовательских проекта. Первый направлен на адаптацию данной технологии для преимплантационного тестирования при ЭКО. Это позволит точнее подбирать эмбрионы без генетических аномалий и повысит шансы на успешную беременность.

Параллельно ведется работа над применением метода для подбора таргетной терапии в онкологии. Исследователями выявлен список из порядка 50 типов хромосомных перестроек, которые можно обнаружить и учитывать при назначении препаратов. Некоторые из этих мутаций уже «таргетируются» одобренными лекарствами.

Разработка новосибирских ученых – яркий пример того, как фундаментальные знания о строении генома со временем переходят в практическую плоскость, расширяя возможности в диагностике и терапии. То, что вчера казалось невозможным, сегодня становится частью клинической практики, и дает надежду тем, для кого раньше врачи не находили ответов.

Технологическое лидерство лозунгами не завоюешь: хорошая технология, как капризный цветок, требует долгого и тщательного выращивания. И некоторым академическим институтам удалось создать для этого настоящую экосистему. За последние десять лет ученые Института теплофизики Сибирского отделения РАН стали лауреатами трех правительственных премий в области науки и технологий, включая молодежную.

– Премия Правительства РФ 2024 года была присуждена за развитие научных основ тепло­гидравлики реакторных установок нового поколения, - рассказывает директор ИТ СО РАН академик Дмитрий МАРКОВИЧ. - В состав авторского коллектива вошли также представители организаций Росатома и университетов. Эта награда - итог почти 20-летней работы, которой мы гордимся. Есть и другие стратегические партнеры, с которыми нас связывает многолетнее плодотворное сотрудничество. С «Объединенной двигателестроительной корпорацией» достигнуты серьезные результаты по оптимизации процессов в камерах сгорания газотурбинных двигателей, по разработке систем машинного зрения для двигателестроения.

Преодолеть «долину смерти»

Давнее взаимодействие ИТ СО РАН с крупными корпорациями сегодня выходит на новый уровень.
– С удовольствием поделюсь с «Поиском» новостью: вышли поручения Правительства РФ о создании в нашем институте научно-инжинирингового центра, якорные индустриальные партнеры - Рос­атом и ОДК, - продолжает академик Маркович. - Предусмотрено строительство нового корпуса. Мы этот центр рассматриваем в качестве первой очереди большого комплекса аэродинамики и энергетики, давно уже запланированного как часть программы «Академгородок 2.0». В новом здании будет компактная «начинка» - комплекс экспериментальных стендов, направленный на преодоление печально известного интервала в разработках - «долины смерти» (проходит через уровни готов­ности технологий от 4-го до 7-го).

Планируем расширить и мощность нашего вычислительного кластера с 300 терафлопс до петафлопного масштаба. Задачи инжинирингового центра как раз требуют массового суперкомпьютерного моделирования - сегодня это неотъемлемая часть развития новых технологий.

Чтобы начать вложения в инфраструктуру центра уже сейчас, подали заявки на ряд конкурсов Минобрнауки РФ.

С корпорацией «ТВЭЛ» из сис­темы Росатома начинаем проект по анодным материалам для аккумуляторов на основе плазмохимических технологий. Обсуждаем совместные проекты с компанией Huawei, планируются новые работы с АО «Информационные спутниковые системы имени академика М.Ф.Решетнева», другими организациями Росатома, Ростеха, Роскосмоса. Исторически сложилось, что наш институт отличается широтой тематик, это и позволяет браться за задачи мультидисцип­линарного характера. С другой стороны, уже понимаем, что не хватает сил и людей. Поэтому в планах - расширение кадрового состава института.

– Но без фундаментальных основ не вырастить ни одну технологию. Какие задачи ставите в этой области?

– Конечно, фундаментальные исследования - это тот базис, который позволяет поддерживать институту и его сотрудникам высокий мировой уровень. Помимо государственного задания нам удается завоевывать довольно большое количество грантов. Традиционно Институт теплофизики активно участвует в программе мегагрантов. В рамках такого проекта под руководством нашего бывшего соотечественника профессора Сергея Сажина мы выполняем комплекс фундаментальных исследований по изучению структуры многофазных систем, повышению интенсивности процессов переноса, управления потоками. В области горения и детонации координируем работу консорциума ведущих академических и образовательных организаций в рамках крупного научного проекта, при поддержке Российского научного фонда выполняем несколько десятков проектов, в том числе по программе поддержки лабораторий мирового уровня, одна из которых создана совместно с Новосибирским государственным университетом.

Финансовое состояние стабильное - уже более пяти лет оборот института превышает миллиард рублей. Ожидаем, что в 2025 году он существенно возрастет.

– Проект научно-инжинирингового центра предусматривает увеличение персонала на 100 человек. Как планируете привлекать молодежь?

– Увеличение не мгновенное, а в перспективе - до 2030 года. Держим связь с нашими базовыми кафедрами. Так, кафедра Института теплофизики в НГУ лидирует по популярности среди студентов, но ежегодный набор - всего13 человек. Поэтому мы активно работаем и с другими университетами: НГТУ, СФУ, ТПУ. Стараемся стимулировать молодых ученых. Есть льготные условия «внутриинститутского налогообложения»: все накладные расходы по молодежным грантам возвращаем Совету молодых ученых для обеспечения участия в научных конференциях, субсидий на аренду жилья.

Молодежь должна видеть карьерную траекторию, поэтому в 70 лет у нас завлабы покидают свой пост, и сейчас больше половины руководителей подразделений моложе 45 лет. В рамках нацпроекта созданы 5 молодежных лабораторий. Конечно, вопрос удержания молодых ученых, особенно в условиях Сибири, не решить силами одного института. Нужны программы по организации преимуществ для тех, кто хочет себя реализовать в наших суровых условиях. Как это было при создании Сибирского отделения Академии наук в 1950-1960-е годы.

С ориентацией на практику

Реально способствуют достижению технологического лидерства крупные научные проекты. Они охватывают широкий спектр междисциплинарных проблем - от методов управления реагирующими многофазными потоками в малоэмиссионных и детонационных камерах сгорания газотурбинных установок и двигателей до создания новых эффективных и безопасных технологий с использованием низкоуглеродных видов топлива и горючих отходов. ИТ СО РАН выступает головной организацией для 13 академических институтов и университетов, а координирует работу 20 научных групп заместитель директора института доктор физико-математических наук Олег ШАРЫПОВ:

– По результатам реализации проекта издана монография «Процессы горения и детонации в перспективных энерготехнологиях» под нашей с Д.Марковичем редакцией. Ориентация сформированного научного задела на решение практических задач предприятий, участвующих в реализации нацпроектов «Промышленное обес­печение транспортной мобильности», «Новые атомные и энергетические технологии» (ОДК, ЦИАМ, РФЯЦ - ВНИИТФ, ВНИИПО МЧС России и др.), позволила получить грант Миннауки на развитие этих работ в 2024-2026 годах.

Наша лаборатория изучает управление сжиганием жидких углеводородов, включая отходы, с помощью сверхзвукового потока перегретого водяного пара для интенсификации смесеобразования и паровой газификации топлива. Применение струи пара для распыления горючего исключает коксование форсунок. На горелочных устройствах, обеспечивающих максимальное сгорание, достигнуты экологические показатели, превосходящие лучшие зарубежные образцы. Получены патенты. Наши разработки могут использоваться для сжигания обводненной нефти на скважинах или для переработки собранных с поверхности воды нефтепродуктов прямо на борту судна.

Среди исследователей - мои ученики, недавние дипломники и аспиранты, получившие ученые степени и в 2021 году удостоенные молодежной премии Правительства РФ. В фокусе внимания - исследования на огневых стендах до 5 МВт в условиях, приближенных к реальным, и разработка методов управления энергетическим оборудованием на основе искусственного интеллекта.

Энергия кипения

Вклад в теплофизику всемирно известной научной школы Самсона Кутателадзе, имя которого носит институт, - гидродинамическая теория кризисов кипения. Заведующий лабораторией низкотемпературной теплофизики член-корреспондент РАН Александр ПАВЛЕНКО приумножил достижения своего учителя. За разработку высокоэффективных методов интенсификации тепломассообмена при испарении, кипении и дистилляции для энергетики и химического машиностроения авторский коллектив под его руководством был удостоен международной премии им. академика А.В.Лыкова.

– В наши дни наблюдается своеобразный «ренессанс» в исследованиях теплообмена, переходных процессов и кризисных явлений при кипении и испарении, - считает А.Павленко. - Миниатюризация электронных устройств требует нестандартных способов охлаждения. Чтобы устройство работало быстро, на плате нужно расположить как можно больше элементов и как можно ближе друг к другу, при этом тепловые нагрузки сильно возрастают. Но температура чипов не должна превышать 85⁰С.

Мы проводим целый комплекс исследований по интенсификации теплообмена в режимах высокоэффективного кипения и сверхинтенсивного испарения с использованием новейших методов микро/наномодифицирования теплоотдающих поверхностей в сочетании с активными способами управления потоками диэлектрической жидкости - при спрейном/струйном орошениях, при пленочных течениях и в тонких слоях жидкостей - для чего разработали новый экспериментальный стенд. В итоге научились отводить от поверхности рекордные потоки тепла. Ведем ряд проектов с российскими и зарубежными партнерами по созданию высокоэффективных и энергетически выгодных систем охлаждения и термостабилизации оборудования различного назначения.

Другая задача - поиск способов интенсификации теплообмена при фазовых переходах с испарением охлаждающей жидкости для создания крайне востребованной в мире технологии ожижения природного газа в спиральных теплообменниках. В подобных установках - километры труб, внутри которых течет природный газ. Учитывая масштаб установок, любая интенсификация теплообмена позволит значительно снизить затраты.

Участвуем мы и в создании современной космической техники - в рамках гранта Минобрнауки РФ «Исследование процессов испарения жидкостей в топливных баках ракет-носителей для повышения экологической безопасности и экономической эффективности ракет-носителей с жидкостными ракетными двигателями» (с ­ОмГТУ). При реализации крупного научного проекта «Разработка фундаментальных основ расчета и принципов построения энергетических систем, основанных на эффекте сверхпроводимости» (с МАИ) необходимо было разработать системы охлаждения для оборудования с использованием высокотемпературных сверхпроводников. И мы с этим также успешно справились.

Нюансы пламени

Камеры сгорания двигателей и энергетических установок - наиболее сложные для численного моделирования узлы, поскольку в них протекают различные физические и химические процессы, включающие распыл, испарение и горение топлива. Причем все это, как правило, происходит в закрученных турбулентных потоках под влиянием крупномасштабных вихревых структур.

– Наша лаборатория специализируется на физическом и математическом моделировании потоков жидкости и газа в энергетическом оборудовании. Сюда входят и оптическая диагностика процессов, и трехмерное численное моделирование с акцентом на управлении потоками, - поясняет заведующий лабораторией физических основ энергетических технологий профессор РАН Владимир ДУЛИН. - Всегда возникает вопрос: насколько полученные в лабораторном масштабе результаты соотносятся с процессами, имеющими место в реальных энергетических устройствах? Новизна наших работ заключается в применении современных активных методов диагностики, в том числе панорамных. Мы разрабатываем такие методы диагностики, верифицируем их в лабораторных условиях, а затем применяем на установках, где моделируются основные процессы в условиях, приближенных к реальным.

Оптические методы исследования многофазных реагирующих потоков стали визитной карточкой ИТ СО РАН. Достаточно упомянуть метод цифровой трассерной визуализации (Particle Image Velocimetry, PIV) для бесконтактного измерения скорости в потоках, за который получена премия Правительства РФ 2014 года.

Среди приоритетных прикладных направлений лаборатории в настоящее время - научное сопровождение опытно-конструкторских работ по авиадвигателям семейства ПД и другим перспективным изделиям, энергетическим аппаратам.

Сейчас для гражданской авиации крайне актуальной является задача снижения эмиссионных характеристик двигателей по выбросам оксидов азота и сажи. Один из путей решения - реализация камеры сгорания т. н. бедного типа с избытком воздуха в основной зоне, но при этом, как правило, горение пламени подвержено влиянию термоакустической неустойчивости, могут возникать режимы вибрационного горения. С применением оптической панорамной диагностики мы детально разобрались в том, как можно управлять данными процессами в модельных горелочных устройствах. На основе измерений поля температуры с временным разрешением в сотни наносекунд обнаружили немало нюансов и выработали конкретные предложения для прототипов фронтовых устройств разрабатываемых авиационных двигателей. Надо сказать, что весьма активно в исследованиях принимают участие студенты и аспиранты, которым такие подходы очень интересны. А это крайне важно.

Ольга Колесова