Продвинуться в этом направлении помог анализ генных сетей, контролирующих уровень разный тревожности у лабораторных мышей и человека.

Целью нового исследования ученых Института цитологии и генетики СО РАН стал поиск наследственных факторов, которые влияют на состояние чрезмерно высокой или низкой тревожности. Для этого ими, с помощью разработанного в ИЦиГ СО РАН программного обеспечения, был обработан массив данных, опубликованных в мировой научной периодике за последние годы. В итоге, удалось показать, что как у людей, так и у лабораторных мышей, разный уровень тревожности ассоциирован с дифференциальной экспрессией в разных генах. Результаты исследования опубликованы в «Вавиловском журнале генетики и селекции».

«Мы занимаемся поиском генетических факторов, которые определяют склонность к аффективным расстройствам (нарушениям в регуляции эмоций). Примером таких нарушений являются тревожные расстройства, проявляющие в разных формах неадекватного поведения», — рассказал заведующий лабораторией психологической генетики, д.филос.н. Александр Савостьянов.

Еще одно понятие, которым оперируют психологи – личностная тревожность. Это свойство личности, которое может варьироваться от высокой до низкой степени выраженности, что во многом обусловлено наследственными факторами.

«Выявить гены-кандидаты, которые связаны с какими-то свойствами психики, является чрезвычайно сложной задачей. Тем не менее, выявлен ряд генов, касательно которых доказано, что их полиморфизм связан с проявлением конкретной черты личности. В частности, хорошо изученными маркерами тревожности являются гены, кодирующие белки-транспортеры серотонина или рецепторы к серотонину», — пояснил Александр Савостьянов.

Однако более детальные исследования этих генов показало, что каждый из них в отдельности оказывает достаточно слабое влияние на формирование у человека высокого или, наоборот, низкого уровня личностной тревожности. У животных эта связь просматривается лучше, но происходит это в силу того, что исследования на животных проводят в стандартизированных лабораторных условиях, а людей изучают в естественной среде обитания, где влияние окружающей среды играет намного большую роль.

Отделить средовые факторы от наследственных помогает анализ не отдельных генов, а генных сетей (совокупность генов и их продуктов, которые работают как некий комплекс факторов, определяющий ту или иную характеристику организма или черту личности). Это довольно сложный и затратный процесс, если проводить его в экспериментальных условиях. Альтернативой является биоинформатический поиск, анализирующий данные научных публикаций, который проводится с помощью системы Associative Network Discovery System (ANDSystem), созданной учеными ИЦиГ СО РАН.

С помощью этого метода, авторы работы проанализировали результаты ряда исследований проявления тревожности у мышей. «Собрав воедино эти данные, система выполнила реконструкцию генных сетей, связанных с разными уровнями тревожности. Результат получился очень интересный – мышей с высокой тревожностью и мышей с низкой тревожностью от нормального уровня отличают разные генные сети. То есть, речь идет не о разных мутациях в одних и тех же генах, задействуются разные генетические механизмы. Затем был проведен анализ данных о генах-ортологах уже у человека и построена такая же модель, были выявлены некоторые различия, но, как и у мышей, у людей низкий и высокий уровень тревожности связаны с разными генными сетями», — отметил Александр Савостьянов.

Получается, корректно говорить не про одно качество, интенсивность проявления которого меняется, а о трех разных свойствах психики, которые во многом определяются разными генными сетями.  И в зависимости от этого очень сильно отличается модель поведения в стрессовых условиях. В случае возникновения опасности, обладатель высокой личностной тревожности снижает активность и старается как-то избегать источника опасности. А те, у кого тревожность низкая – напротив, могут двигаться навстречу опасности, как-то приспосабливаясь к изменившимся условиям. И хотя, на первый взгляд, кажется, что первая стратегия более надежна с точки зрения выживаемости, это не совсем так.

«В ряде случаев выигрышной оказывается модель низкой тревожности. Например, когда популяции угрожает голод из-за сокращения ресурсов на определенной территории, те, у кого тревожность ниже нормы первым отправятся на поиски новых источников пищи и могут оказаться в более выигрышном положении», — объяснил ученый.

Применительно к людям, можно предположить, что низкий уровень тревожности свойственен, прежде всего, тем, кого принято называть «пассионариями». Таким образом, результаты исследования помогают лучше понять генетический фундамент этого интересного социо-психологического явления.

Но кроме того, отклонения уровня тревожности ассоциированы с разными патологическими состояниями психики (высокая тревожность влечет повышение риска депрессии на почве стрессовых истощений, низкая же – с неадекватной оценкой рисков как таковых и вытекающими из этого последствиями). Поэтому изучение наследственных факторов, влияющих на это свойство личности имеет важное значение и с точки зрения медицины.

Пресс-служба Института цитологии и генетики СО РАН

Наш цикл материалов, посвященных 10-летию образования ФИЦ ИЦиГ СО РАН продолжает рассказ о конференции, по праву считающейся ведущим российским форумом в области биоинформатики и вообще Big Data в науках о жизни.

Институт цитологии и генетики СО РАН по праву считается одной из «колыбелей» российской биоинформатики – первые шаги в этом направлении делали в своих работах Вадим Александрович Ратнер и его ученики, в числе которых был и основатель сибирской школы биоинформатики, научный руководитель ИЦиГ СО РАН, академик РАН Николай Александрович Колчанов.

Первые семинары по биоинформатике прошли в Академгородке еще в 1980-х, потом, в связи с распадом страны и кризисом академической научной системы в начале 1990-х последовал некоторый перерыв. Но, несмотря на все проблемы, Колчанов был убежден, что биоинформатику ждет большое будущее и на протяжении ряда лет вынашивал планы проведения в Академгородке большой научной конференции, посвященной этой молодой научной дисциплине.

Его планы воплотились в жизнь, когда в августе 1998 года, Институт цитологии и генетики СО РАН провел первую международную конференцию «Bioinformatics of Genome Regulation and Structure» («Биоинформатика геномной регуляции и структуры»).

«Конференция сразу вызвала большой интерес за пределами страны, почти половина из ста с небольшим зарегистрировавшихся участников была иностранцами. А за неделю до открытия случился известный августовский кризис. Курсы валют скакали и многие наши гости столкнулись с невозможностью обменять доллары на рубли по приезду, потому что «обменники» просто не работали. Вообще, когда этот кризис только начался, многие говорили, что конференцию провести не удастся. Но она прошла, причем, по оценкам участников получилась очень удачной, дала старт целому ряду совместных проектов. И мы поняли, что конференции быть, тем более Николай Александрович сразу хотел сделать ее регулярной, проводить раз в два года», - вспоминал один из участников оргкомитета первой BGRS, заместитель директора ФИЦ ИЦиГ СО РАН Сергей Лаврюшев.

Тогда же возникли и первые традиции конференции, которые живы до сих пор – ее бессменными сопредседателями стали Н.А. Колчанов и профессор университета Билефельда Ральф Хофештадт. А программу всех конференций, начиная с первой, завершает совместная поездка участников на Алтай, где на свежем воздухе продолжается научное общение и переговоры о новых совместных проектах.

Биоинформатика стремительно развивалась, за считанные годы пройдя путь от исключительно фундаментальной дисциплины к экспериментальной и прикладной научной деятельности. Эти изменения нашли отражение и в программе конференции, которая с 2004 года стала включать и «экспериментальную часть» в виде раздела, посвященного системной биологии. А в 2010 году ее название приобрело современный вид – «Биоинформатика и системная биология» (BGRS/SB).

«Развитие конференции можно сравнить с эволюционным процессом, она менялась вместе с изменениями, которые происходили в биоинформатике и вокруг нее. Развитие научной составляющей конференции, включение в нее новых научных направлений отражают видение Николая Александровича Колчанова того, как развивается наука. И в этом плане, авторитет конференции среди научного сообщества - прежде всего, его заслуга», – подчеркнула руководитель сектора организационного сопровождения проектов Светлана Зубова, возглавляющая оргкомитет конференции с 2012 года.

В 2012 году BGRS\SB стала мультиконференцией, включавшей в себя, помимо обычных секций, стала включать и отдельные симпозиумы. И после этого ее программа только расширялась, Н.А. Колчанов постоянно инициировал включение новых направлений, где могли возникать какие-то интеграционные научные проекты (поскольку развитие научного междисциплинарного сотрудничества на протяжении всей истории остается одной из главных задач BGRS\SB).

С 2018 года интеграционные процессы, инициируемые Николаем Александровичем Колчановым, привели к включению в орбиту конференции нового постоянного партнера в лице Новосибирского государственного университета (НГУ). Компетенции НГУ являются необходимыми для активно развивающейся конференции BGRS/SB.

Показав свою устойчивость перед лицом внешних кризисов на самом старте, в 1998 году, мультиконференция сумела сохранить это качество и в дальнейшем, когда наступил 2020 год. Перед угрозой пандемии COVID-19 страны спешно закрывали границы и ограничивали въезд иностранным гражданам. Это неизбежно сказалось и на международном научном сотрудничестве – почти все конференции, симпозиумы и другие подобные мероприятия, запланированные на весну и лето, отменялись или переносились на неопределенный срок. Встал вопрос и о судьбе XII Международной мультиконференции «Биоинформатика и системная биология» (BGRS/SB-2020). Но конференцию решили не отменять, выход был найден – мероприятие провели в онлайн-режиме.

«Это стало первой большой конференцией в Академгородке, которая прошла полностью в таком формате. Многие сомневались, говорили, что у нас ничего не получится, не выйдет обеспечить полноценное общение между участниками конференции «на удаленке». Но оказалось, что это вполне решаемая задача и наш опыт затем использовали при проведении других мероприятий. А сегодня уже в порядке вещей, когда конференции проводят в гибридном формате, при котором часть мероприятий проходит онлайн», - отметила Светлана Зубова.

С технической стороны, самым сложным было – выбрать платформу и инструменты для проведения трансляций. При всем изобилии решений на рынке, опыта использования для такого масштабного мероприятия на таких платформах не было, и гарантировать результат было архисложно. В итоге, было протестировано (на собраниях групп, вебинарах и публичных лекциях) более 13 платформ ВКС различных производителей, пока не сформировался оптимальный с точки зрения оргкомитета набор инструментов.

Техническими вопросами круг задач, конечно, не исчерпывался. Как отмечали сами организаторы, сложно было сформулировать само понимание, как реализовать в новом формате стандартно высокий уровень проведения конференции, который совершенствовался много лет.

Председатель конференции BGRS/SB-2020, научный руководитель ИЦиГ СО РАН академик РАН Николай Колчанов позже вспоминал: «Было разработано два формата конференции. Некоторые очень важные и достойные лекции, которые читали самые крупные специалисты, мы давали слушать всем. На эти лекции собиралось по нескольку тысяч слушателей. Одновременно была реализована схема параллельного проведения тематических симпозиумов и секций. Были созданы виртуальные конференц-залы, каждый со своей научной программой.  В результате, мы одновременно – параллельно - проводили сразу несколько симпозиумов или секций. Одни завершались, начинались другие. И любой участник мог свободно перейти из одного виртуального зала в другой. В формате очной конференции это сделать сложнее, т.к. не удобно заходить в аудиторию во время доклада. А тут можно было параллельно следить за основным докладом и смотреть другие секции».

Следующим вызовом для BGRS/SB стала СВО на Украине и связанная с ней санкционная война против нашей страны, обрушившая многие научные связи между Россией и странами Запада. Но оказалось, что заработанный авторитет одного из ведущих мировых форумов в области биоинформатики и системной биологии сильнее политических мотивов: в 2022 году мультиконференция собрала более 900 ученых из 35 стран. Ничуть не уступала ей в масштабах и следующая, которая прошла в 2024 году.

При этом почивать на лаврах организаторы BGRS/SB не намерены, она продолжает меняться вместе с развитием мировой науки. «Какие изменения произойдут в программе конференции вы можете узнать на официальном сайте BGRS/SB-2026 - https://bgrssb.icgbio.ru/2026/», - поделилась планами на будущее председатель организационного комитета BGRS/SB-2026 Светлана Зубова.

Вероятнее всего, участников конференции ждет немало новинок, в том числе в организационно-техническом плане. Но о них станет известно ближе к лету 2026 года, когда очередная, 15-я Международная мультиконференция «Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология» откроется в новосибирском Академгородке.

Руководители и специалисты Сибирского отделения РАН приняли дипломатическую делегацию Китайской Народной Республики во главе с Генеральным консулом КНР в Екатеринбурге Ло Шисюном.

Направивший делегацию консульский округ включает в себя Челябинскую, Свердловскую, Омскую, Тюменскую, Новосибирскую области и Красноярский край. «Это моя первая поездка в Новосибирск, — сообщил при знакомстве Ло Шисюн. — Я очень рад, что она началась с Академгородка. Впечатлил ваш технопарк, интересно тесное соседство университета, научных институтов и высокотехнологичных компаний».

Заместитель председателя СО РАН академик Михаил Иванович Воевода рассказал китайским дипломатам о миссии и становлении Сибирского отделения. «Лаврентьев и его сподвижники, как никто другие, понимали потребность в децентрализации науки, как в связи с внешними угрозами, так и с внутренними задачами», — подчеркнул он. «Наша длительная история не привела к неизменности», — сказал М. Воевода, переходя к современному состоянию и проектам развития СО РАН. В числе последних он выделил наиболее масштабные: Национальный гелиогеофизический комплекс РАН в Прибайкалье, программу «Академгородок 2.0», источник синхротронного излучения СКИФ. 

Михаил Воевода акцентировал усилия Сибирского отделения по комплексному исследованию и освоению Российской Арктики: «Основными особенностями исследований в Арктической зоне являются междисциплинарность и взаимодействие с крупными промышленными компаниями». 

В качестве примеров академик назвал Большую Норильскую экспедицию 2020—2022 годов и продолжившую ее в 2022—2024 гг. Большую научную экспедицию по изучению биоразнообразия Арктической зоны. Рассказывая о связях СО РАН с реальным сектором экономики, М. Воевода передал китайским дипломатам подборку номеров научно-практического журнала «Наука и технологии Сибири», который, по его словам, «наиболее ярко демонстрирует компетенции и возможности сибирских научных коллективов».

«Сибирское отделение имеет много оснований для гордости, — поделился Ло Шисюн. — Вы ведете масштабные и интересные работы, высоко оцененные президентом России Владимиром Путиным». Особый интерес у Генерального консула КНР вызвали создаваемые в Сибири установки класса мегасайнс и система подготовки научных кадров. «Не торговля, а наука составляет фундамент для дальнейшего сближения наших стран, — считает китайский дипломат. — В последнее время объемы научного сотрудничества Китая и России существенно возрастают. Вопрос ставится об углублении этого сотрудничества и его связанности со спросом на новые знания и разработки».

«Будем стараться, чтобы наше консульство было максимально полезно в поддержке взаимодействий российских и китайских ученых, и далеко не только в оформлении виз», — заключил Ло Шисюн.

Как мы уже неоднократно показывали, о глобальном потеплении ученые писали еще до войны. После войны, ближе к 1970-м годам, этот феномен обсуждался в научных кругах уже достаточно широко, причем, на международном уровне. Самое примечательное, что уже тогда вовсю фигурировала тема парникового эффекта, связанного с антропогенными выбросами углекислого газа. То есть мировая наука исследует данное явление более полувека и примерно столько же некоторые ученые бьют тревогу по поводу увеличения концентрации CO₂.  Причем, не обошлось без шокирующих прогнозов. Так, некоторые западные исследователи задолго до наших дней делали смелые экстраполяции, прогнозируя африканскую жару в Европе где-то к 1970-м годам. Согласно этим прогнозам, потепление будет происходить настолько стремительно, что территорию европейских стран начнут заселять представители африканской фауны.

Мы специально напоминаем об этом, поскольку нынешние спекуляции по теме глобального потепления преподносятся массовой аудитории в виде сенсационных и непременно «новейших» открытий, предвещающих миру что-то ужасное. На самом же деле, как показывает история таких прогнозов, апокалиптические картины не имели ничего общего с реальностью. Это была либо игра на публику, либо попытка переключить на себя внимание политиков. И сейчас в этом плане мало что поменялась. Скорее, игры на публику стало больше, учитывая то обстоятельство, что данную тему подхватили публицисты, журналисты, гражданские активисты и те же политики, использующие панические настроения в своей агитации в целях обоснования каких-либо экономических программ. Полвека назад всего этого было намного меньше, но при этом было намного больше научной объективности.

По части научной объективности достойный образец давали советские ученые. Подчеркиваем, тема антропогенных выбросов углекислого газа и его влияния на климат вовсю дискутировалась более полувека назад. В свое время мы подробно разбирали идеи знаменитого советского геофизика и климатолога Михаила Будыко, который сформулировал собственную концепцию климатических процессов. На его взгляд, современный климат Земли находится в нестабильном состоянии, подобно игральной кости, упавшей на ребро. Вариантов устойчивого климата всего два – либо глобальное оледенение, либо теплые условия третичного периода, когда широколиственная флора покрывала арктические острова. Теоретически, процесс может пойти в любом направлении. Всё зависит от некоторых факторов, способных толкнуть «игральную кость» в ту или иную сторону. При этом, считал Михаил Будыко, процесс глобального оледенения (если климат начнет меняться в эту сторону) растянется на многие столетия, в то время как процесс глобального потепления будет протекать в сто тысяч раз быстрее, чем в случае с похолоданием.

Для начала глобального потепления, по мнению ученого, нужен совершенно незначительный толчок. Если поступление тепла увеличится хотя бы на один процент, средняя температура воздуха у земной поверхности поднимется на 1 – 2 градуса, и этого будет достаточно, чтобы произошло исчезновение многолетних льдов в Северном Ледовитом Океане. В случае увеличения глобальной температуры на 3 – 4 градуса таяние арктических льдов будет происходить прямо на наших глазах. По расчетам Михаила Будыко, с исчезновением арктических льдов температура воздуха на Северном полюсе в теплое полугодие повысится на 8 градусов, а в холодное – на 22 градуса. В летнее время средняя температура должна составить + 5 градусов и – 5 градусов зимой.

Но откуда могла взяться дополнительная тепловая энергия? Как разъясняют ученые, Земля не только поглощает солнечное тепло, но и излучает собственное тепло, как это происходит с любым нагретым телом. Причем, планета может излучать тепла даже намного больше, чем она его получает от Солнца – просто часть его приходит из земных недр. В этой связи уменьшение излучаемого тепла имеет для климата примерно такое же значение, как и в случае увеличения поглощаемого тепла. Здесь-то как раз и сможет сыграть свою роль парниковый эффект. Таким свойством обладают молекулы трехатомного водяного пара, углекислого газа, а также кремнезема, из которого делают стекло.

Согласно исследованиям советских геофизиков, благодаря парниковому эффекту в атмосфере задерживается примерно 78% земного излучения. При этом как минимум 60% тепла задерживает водяной пар, а остальные 18% тепла задерживает углекислый газ. Если бы углекислый газ совсем исчез из атмосферы, средняя годовая температура понизилась бы на 21 градус. А если бы его содержание удвоилось, то средняя годовая температура повысилась бы на 4 градуса. Такие цифры озвучивались где-то в начале 1970-х годов. Поэтому, исследуя проблему климатических изменений, наши ученые обращали внимание на пути поступления и ухода углекислого газа из атмосферы.

Сегодня эта проблема активно раздувается. Внимание, как правило, приковывается к путям поступления CO₂ в атмосферу. Здесь в качестве основного источника называется сжигание ископаемого топлива, с которым начали вести активную борьбу. Что касается путей ухода, то эта тема раскрывается не в полной мере. Обычно в таких случаях обращают внимание на поглотительную способность растений, в первую очередь – лесных массивов. Сегодня это учитывается при расчете так называемого углеродного баланса. В то же время, не особо доверяя самой природе, на передний план начинают выдвигать всевозможные технологии искусственного улавливания и хранения углекислого газа (о чем мы также писали).

Но почему-то при этом мало уделяется внимания еще одному естественному пути удаления CO₂ - Мировому океану. Да, на это обращают внимание, но досконально эту тему не разбирают (как, например, в случае с технологиями искусственного улавливания и хранения). Мы обращаемся к этому вопросу как раз потому, что роль океана в регулировании концентрации атмосферного углекислого газа была подробно разобрана советскими учеными полвека назад. И цифры здесь просто впечатляющие.

Так, океан содержит углекислого газа почти в 100 раз больше, чем атмосфера. Как утверждали ученые, существует динамическое равновесие между поступлением газа из воздуха в раствор и из раствора – обратно в воздух. При этому концентрация растворенного газа прямо пропорциональна его концентрации в воздухе. Данное правило растворимости называется законом Генри. Что из этого следует? Если концентрация углекислого газа окажется выше величины, определяемой законом Генри, то океан поглотит большую часть этого избытка. Если, наоборот, концентрация газа в атмосфере понизится, то океан «выделит» туда недостающую порцию.

Еще один очень важный момент. Часть молекул углекислого газа вступает в химическую реакцию с водой, образуя угольную кислоту. Угольная кислота, в свою очередь, также начнет претерпевать дальнейшие химические трансформации. Всю цепочку химических реакций приводить не будем, ибо она понятна только тем, кто хорошо разбирается в предмете. Для нашей темы важно то, что таким путем часть ионов, содержащих углерод, связывается с ионами кальция, в результате чего образуются нерастворимое вещество, оседающее на дне океана и образующее там известковые породы. Благодаря этому процессу на протяжении миллионов лет, подчеркивали наши ученые, происходит «перекачивание» углекислого газа из атмосферы в океан, а из океана – в донные отложения известняка. За историю Земли его отложилось в десять тысяч раз больше, чем его присутствует сейчас в атмосфере!

Такое же направление потока и биологического канала транспортировки CO₂. В океане углекислоту потребляют фотосинтезирующие организмы, создавая органическое вещество, которое через пищевые блоки включается в общую биомассу всех организмов океана. Отмершие организмы (по-научному – «детрит») выпадают на дно океана, образуя со временем ископаемый уголь и нефть. Количество углекислого газа, погребенного вместе с этими ископаемыми, в тысячу раз больше, чем его содержится в атмосфере (откуда он и пришел). По словам ученых, интенсивность одного только биологического потока, выводящего углекислый газ из атмосферы, настолько велика, что за 300 – 400 лет организмы способны поглотить его из атмосферы полностью!

Здесь необходимо подчеркнуть, что оба потока, регулирующие концентрацию CO₂, представляют равновесную систему, состоящую из последовательных звеньев. То есть нельзя изменить концентрацию углерода ни в одном звене без того, чтобы она не вызвала изменений во всех остальных звеньях. Так, если концентрация углекислого газа в атмосфере повысится, значительная его часть автоматически поглотится морской водой по закону Генри. Соответственно, в морской воде возрастет его потребление организмами. Эта волна интенсификации дойдет до самого конца цепочки – до увеличения количества отмерших организмов. Иными словами, равновесная система реагирует на внешнее изменение так, чтобы ослабить это изменение.

Как видим, советские ученые полагались на силы природы куда больше, чем на возможности «зеленых» технологий в деле борьбы с парниковым эффектом. На этот счет приводились такие цифры: за год в океане растворяется около ста миллиардов тонн атмосферного углекислого газа. Это в десять раз больше, чем его образуется при сгорании всех видов топлива! Разумеется, способность океана регулировать концентрацию CO₂ не беспредельна, но следует ли из этого делать выводы о приближающейся климатической катастрофе? Наши ученые обращали внимание на то, что делать скоропалительные прогнозы на основе переоценки отельных факторов неосмотрительно. Таким скоропалительным оказался прогноз о переселении африканских животных в Европу. Дело в том, что деятельность человека оказывает многостороннее влияние на природные процессы. То же сжигание ископаемого топлива сопровождается не только выбросами парниковых газов, но также запылением атмосферы, что способствует охлаждению. Подавляющая часть углерода, отмечали наши ученые, уже захоронена в кладовых природы. И возможно, биосфере угрожал бы углеродный голод, если бы благодаря промышленной деятельности человека часть этого законсервированного углерода не возвращалась бы обратно в атмосферу.

Согласимся, что такие заявления звучат вполне конструктивно. Во всяком случае, они способствуют снижению панических настроений, целенаправленно разгоняемых сегодня на Западе. Поэтому обращение к истории вопроса, изучение научных публикаций прошлых лет по глобальному потеплению способно дать нам подлинно объективное представление о том, что может ожидать нас в реальности.

Николай Нестеров

Какие области нашего мозга отвечают за самоидентификацию, разделение мира на «я и не я», как мы отличаем то, что относится к нам и не к нам – ответы на эти вопросы ученые ищут достаточно давно. Как далеко им удалось продвинуться на этом пути и какие исследования ведутся в новосибирском Академгородке рассказал заведующий лабораторией психологической генетики, ведущий научный сотрудник НИИ нейронаук и медицины, д.филос.н. Александр Савостьянов.

Лекция ученого прошла в рамках «Точка.Логии» - нового проекта «Точки кипения – Новосибирск», который предполагает проведение ежемесячных открытых лекций-встреч с ведущими учеными и популяризаторами науки (ранее мы уже рассказывали о некоторых из них).

В психологии есть такой термин – референция, под которым понимается отнесение какого-то сообщения к тому или иному субъекту или объекту. Соответственно, самореференция – это отнесение информации к самому себе. И возникает вопрос – а существует ли какой-то нейрофизиологический механизм самореференции, структура в мозге, которая обеспечивает ее нормальную реализацию.

Сети покоя – что это такое

В 2007 году свой вариант ответа предложил немецко-канадский ученый Георг Нортофф, он высказал гипотезу, что такими структурами являются сети покоя мозга. Чтобы разобраться, что это такое – не обойтись без небольшого исторического экскурса.

Еще лет сто назад научное сообщество считало, что наш мозг становится активным только во время выполнения задач или целенаправленной деятельности. Так было пока Ханс Бергер с помощью электроэнцефалограммы (ЭЭГ) не зафиксировал поверхностную биоэлектрическую активность мозга, как в состоянии покоя, так и при решении какой-либо задачи. Стало ясно, что человеческий мозг активен постоянно, с поправкой на то, что в состоянии покоя у человека проявляются определенные ритмы мозга – альфа-волны.

К ЭЭГ мы еще вернемся, но следующий шаг к открытию сетей покоя был сделан с помощью других методов - позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ), которые с 1980-х годов стала очень распространенным методом нейровизуализации. Именно с их помощью ученые обнаружили «существование организованного, базового режима работы мозга по умолчанию, который приостанавливается во время определенных целенаправленных форм поведения». Структуры, вовлеченные в этот режим работы мозга, когда человек не занят какими-либо действиями и назвали сети покоя.

В настоящее время выделяют десять таких сетей, которые делят на две большие группы: TPN-сети (активация усиливается после начала действия) и DMN-сети (активация снижается после начала действия). К первым относится Silence network, которая занимается сканированием информации на пример обнаружения в ней чего-то важного, например, у пассажира в зале ожидания на вокзале, когда он слышит объявления о прибытии какого-то поезда. И как только появляется важная информация, сеть резко активизируется.

Сеть второго типа - Default mode network, как уже было сказано, наиболее активна в состоянии, когда человек не занят выполнением какой-либо задачи, связанной с внешним миром, а, напротив, бездействует, отдыхает, грезит наяву или погружён в себя. «Казалось бы, это какая-то лишняя система. Но выяснилось, что, если она не работает – это один из первых признаков наступления деменции. А если она наоборот, гиперактивная – это симптом депрессии. Так что нашему мозгу очень важно, чтобы эта система работала в нормальном режиме», - рассказал Александр Савостьянов.

Как с этим разбираться

Очевидно, что изучение работы человеческого мозга – задача очень сложная: ведь для этого надо буквально залезть испытуемому в голову, да так, чтобы это не нарушало его мозговую активность.

Но ученые постоянно совершенствуют свой инструментарий познания мира. Мы уже вспоминали про различные виды томографии. Активность сетей покоя хорошо фиксирует МРТ, но этот метод имеет ряд ограничений – он достаточно дорогой и обладает плохим временным ограничением.

И вот тут самое время вспомнить про ЭЭГ, с которой и началось изучение мозга в режиме покоя. Заведующий лабораторией дифференциальной психофизиологии НИИ нейронаук и медицины, д.б.н. Геннадий Князев с коллегами разработали алгоритмы, позволяющие оценивать активность сетей покоя с помощью ЭЭГ, что позволило компенсировать минусы томографического метода.

«В своей лекции я кратко описываю результаты наших исследований, направленных на понимание роли сетей покоя в процессах референции информации к себе и другим людям», - пояснил Александр Савостьянов.

Мы такие разные

В результате экспериментов, длившихся несколько лет, новосибирские ученые обследовали несколько групп, состоящих преимущественно из студентов – из Новосибирска, Тывы, Якутии, а также китайских студентов, обучающихся в российских вузах.

Более подробно с результатами этой работы можно ознакомиться, прослушав видеозапись его выступления, здесь же коснемся лишь некоторых результатов исследования.

Прежде всего, они скорее подтверждают теорию Нортоффа о роли сетей покоя. Так, в рамках одного из экспериментов испытуемым сначала одевали датчики, и просили несколько минут сидеть с открытыми глазами, а потом столько же – с закрытыми, во время обоих интервалов приборы снимали электроэнцефалограмму их мозговой активности.

«Потом мы спрашивали людей, о чем они думали, закрыв глаза. Одни говорили, что думали о происходящем с ними, вспоминали, как им надевали шлем для ЭЭГ. А другие думали в этот момент о каких-то личных делах, о своих проблемах или знакомых им людях, которых не было рядом. И у таких людей была очень хорошо заметна активность дефолт-систем», - отметил Александр Савостьянов.

На следующем этапе эксперимента испытуемым показывали видеозаписи самих себя, посторонних людей или неодушевленных объектов, потом просили закрыть глаза и делали ЭЭГ именно в этот момент, когда они уже не смотрели на изображение.

Приборы опять четко фиксировали активизацию упомянутых структур, более того, они активизировались очень быстро, буквально через десятки или сотни миллисекунд. Это позволяет сделать вывод, что первичная обработка информации, а она очевидно включает ту самую референцию увиденного, скорее всего происходила именно в этих структурах.

Причем, у разных групп испытуемых они активизировались с заметными отличиями. Так, у китайцев сначала активировался передний узел дефолт-системы, а потом все остальные, а у русских – сначала задний, а потом уже все остальные. При этом, в обеих группах был небольшой процент, чья активность соответствовала типичной для другой группы.

«Мы сделали предположение, что есть нечто связанное с культурными традициями, что делает сам процесс самореференции у русских и китайцев немного разным. Эта разница между европейцами и представителями Восточной Азии всплывала и в других исследованиях. Сегодня можно считать доказанным, что в культурной традиции ряда азиатских народов уровень коллективизма намного выше. И вероятно, это очень глубоко укоренилось в их мышлении, что и нашло отражение в упомянутых различиях», - рассказал докладчик.

Но самое интересное, что эти различия были контрастны у мужчин, а вот китайские и русские женщины различались не так сильно, поскольку представительницы обеих национальностей гораздо сильнее проявляют внимание к себе, чем мужчины.

Вообще, изучение активности сетей покоя позволяет узнать о человеке гораздо больше, чем он, может быть, хотел рассказать о себе окружающим. В ходе другого эксперимента испытуемым предлагалось прочитать ряд предложений, некоторые из которых были написаны с ошибками и выбрать вариант «правильно – неправильно». Предложения были написаны на русском, английском и, в случае с тувинцами и якутами, на их родных языках. И снова первыми активизировались сети покоя, причем, по скорости их реакции совершенно четко прослеживалась разница, родной это язык для испытуемого или нет. Реакция эта фиксировалась менее, чем через секунду, после появления текста, когда человек очевидно не успел еще прочитать предложение и может считаться именно проявлением механизма референции текста, отнесения его к категории – «родной язык или нет».

Другие эксперименты показывали, как различаются у разных групп оценки поведения, как собственного, так и окружающих (например, проявлений агрессии). И снова, сначала шел отклик от сетей покоя, который отличался у разных этносоциальных групп. Таким образом, эти структуры мозга могут выступать в ряде случаев своего рода «полиграфами» естественных для нас сценариев референции, помогая понять, как на самом деле работает наш мозг, и какое влияние на него оказывают генетика и «культурная прошивка» родной цивилизации.

Сергей Исаев

Ученые Института физики полупроводников им А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) вместе с коллегами из других организаций сделали детектор спина электронов, используя своеобразный фильтр, в качестве которого выступает ферромагнитная пленка нанометровой толщины — наномембрана. Это первое в мире устройство, где детектирование спина электронов происходит с помощью их фильтрации через наномембрану с передачей изображения в поляризованных электронах.

Принцип действия похож на оптический поляризатор, которым многие пользуются, надевая поляризационные солнечные очки.  По аналогии, если через ферромагнитную наномембрану пропустить неполяризованные электроны, то на выходе получим поляризованные. Исследователи добились мирового рекорда эффективности в детектировании спиновой поляризации электронов, с учетом пространственного разрешения. Для проверки эффективности спин-детектора был сделан — и тоже впервые в мире — спиновый триод или спинтрон.

Спин-детектор будет использоваться на установке фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ФЭСУР/ARPES) станции «Электронная структура» Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). Купить спин-детектор за рубежом для СКИФ сейчас невозможно, да и устройств, сочетающих столь полный функционал (детектирование спина с пространственным разрешением), высокую эффективность, низкую стоимость и удобство использования, попросту не существует.

Кроме ФЭСУР (ARPES), спиновый анализатор сравнительно легко интегрировать, например, в электронные микроскопы, что позволит получать подробную информацию о магнитных свойствах твердых тел. А технология, созданная при разработке спинтрона, может дать толчок к развитию нового направления – вакуумной спинтронике.

Детали совместной работы ученых ИФП СО РАН, Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов», Новосибирского государственного университета, ЗАО «Экран-ФЭП» опубликованы в журнале Physical Review Letters. Исследование велось при поддержке Российского научного фонда и Правительства Новосибирской области (проект № 22-12-20024, p-9).

Статье присвоен почетный статус «выбор редакции» из-за особой значимости, новаторского подхода и широкой востребованности. Редакция Physical Review Letters отмечает почетным статусом только одну из шести публикуемых статей, при этом лишь одна пятая всех поданных работ принимается к публикации.

«Это первый в мире спин-детектор с пространственным разрешением, в котором в качестве основного функционального элемента используется спин-фильтр — ферромагнитная наномембрана. Эффективность нового устройства значительно выше, чем у существующих детекторов спина электронов. При этом не нужно разгонять исследуемые частицы до больших энергий, как это делается в самом известном спин-детекторе Мотта. Более того, наш прибор проводит измерения с пространственным разрешением, а значит способен собрать на несколько порядков больше данных в единицу времени. Его срок службы исчисляется годами (коммерческие устройства со схожим функционалом требуют замены через 1-2 недели), а оценочная стоимость на порядки ниже доступных на рынке спин-детекторов, даже не имеющих пространственного разрешения», — поясняет первый автор статьи, руководитель научной группы, заведующий лабораторией физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН, ведущий научный сотрудник ЦКП «СКИФ» профессор РАН Олег Евгеньевич Терещенко.

Мировой рекорд определения спиновой поляризации электронов

Спин – одна их характеристик электрона, как масса или заряд. Он может находиться в одном из двух состояний − либо «спин-вверх», либо «спин-вниз». Если в пучке у всех электронов спины направлены в одну сторону, то пучок считается 100% спин-поляризованным. Отдельная задача — создать пучок поляризованных электронов, этому была посвящена более ранняя работа ученых. Столь же трудно эффективно определять поляризацию частиц — упрощенно говоря «посчитать», сколько электронов в пучке со спином вверх, сколько со спином вниз.

«Мы впервые провели эксперименты по измерению характеристик двумерного спин-фильтра (ферромагнитной наномембраны) в режиме прямого изображения. Получен мировой рекорд эффективности детектирования спиновой поляризации электронов с учетом пространственного разрешения. Разработанный спин-детектор позволяет увеличить эффективность измерения спиновой поляризации в десять тысяч — миллион раз относительно одноканального спин-детектора Мотта. Это важный результат с точки зрения контроля и использования спин-поляризованных электронов и электронных пучков в разных спектроскопических и микроскопических методиках. Появляется возможность узнать больше об исследуемом материале, его магнитных свойствах, обнаруживая мельчайшие изменения в структуре или составе. В том, что касается микроскопии, спин-поляризация может использоваться для получения изображений с высоким разрешением и для изучения свойств отдельных атомов или молекул», — продолжает Олег Терещенко.

Назад в будущее

Для проверки работы спин-детектора, а именно его ферромагнитной наномембраны, исследователи изготовили вакуумный спин-триод (спинтрон), аналог вакуумной лампы — триода.

«В вакуумной лампе есть управляющая сетка, которая “отпирает” и “запирает” электроны (разрешает или нет протекание тока). А в нашем приборе тоже своеобразная сетка — ферромагнитная нано-мембрана, но только с помощью неё мы управляем селекцией по спину. Пропускаем электроны с определенным спином не по запирающему напряжению, а по магнитному моменту. На переключение по спину можно тратить меньше энергии, увеличить частоту работы электронных устройств, — а значит, и объемы передаваемой, хранимой, обрабатываемой информации. Спинтрон состоит из источника спин-поляризованных электронов на основе мультищелочного фотокатода, управляющего электрода — магнитной наномембраны, покрывающей каналы микроканальной пластины, и люминесцентного экрана в качестве детектируемого электрода», — добавляет ученый.

Направление «вакуумная микроэлектроника» возникло в 1980-х, в связи с появлением полупроводниковых устройств с вакуумным зазором. Это привело к выражению «Back to the Future» (назад в будущее). Почему «назад»? Предшественником современных транзисторов были вакуумные лампы. Хорошо известны их недостатки по сравнению с полупроводниковыми транзисторами — громоздкость и высокое энергопотребление. Но были и преимущества — простота конструкции, легкая замена отдельных элементов, радиационная стойкость. И что очень важно: вакуум — идеальный диэлектрик. А диэлектрик — один из ключевых элементов при изготовлении современного транзистора.

В 21 веке развитие нанотехнологий трансформирует вакуумную микроэлектронику в вакуумную наноэлектронику. Следующим логичным шагом будет развитие в сторону создания вакуумной спинтроники. Вакуумная спинтронная наноэлектроника может обеспечивать гораздо более высокие скорости переключения электронных устройств, меньшие потери энергии, устойчивость к радиации, широкий диапазон температур.

«В ходе исследования мы сделали первый шаг к созданию элементной базы вакуумной спинтроники, а уже созданный спиновый триод (спинтрон) можно отнести к классу приборов в этой сфере. По сути, вакуумная спинтроника — новое направление, которое наша группа начала развивать в мировом научном сообществе. Спинтрон — аналог вакуумной лампы с тем отличием, что в лампах прошлого века управление осуществлялось через заряд электрона, а созданный прибор управляется через воздействие на спин электрона», — комментирует О.Е. Терещенко

Вперед — на СКИФ

Ученые считают, что новый спин-детектор с пространственным разрешением должен стать самым эффективным и удобным (среди спин-детекторов) для исследователей и пользователей метода ФЭСУР (ARPES), особенно с использованием синхротронного излучения.

«Мы уже ведем работы по интегрированию наномембранного спин-детектора в нашу лабораторную установку фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением, что позволит измерять распределение электронов по импульсу, энергии и трем компонентам спина. То есть получать полную информацию о законе дисперсии носителей заряда в кристаллах, что, в свою очередь, важно для поиска и исследования свойств новых полупроводников, сверхпроводников, 2D материалов, перспективных для электроники и спинтроники будущего. Мы продолжаем совершенствовать наш спин-детектор и уверены, что в полной мере он себя проявит на станции “Электронная структура” Сибирского кольцевого источника фотонов», — резюмирует Олег Терещенко.

Пресс-служба ИФП СО РАН

Фото: Надежда Дмитриева

 Ученые Новосибирского государственного университета разработали новую модель беспилотного летающего аппарата, который будет использоваться для доставки товаров в труднодоступные районы. На прошлой неделе прошел тестовый полет в Новосибирской области: дрон успешно преодолел расстояние в 4,5 км через реку Обь и доставил товар в пункт назначения.

Достижение ученых прокомментировала глава Нижнекаменского сельсовета Ордынского района Новосибирской области Наталья Юрьевна Гусева:

—Считаю, что новейшая разработка «дрон-доставщик» — это экономия времени и отличная возможность для жителей правобережья доставки, например, лекарственных препаратов, которых нет в наличии в нашем аптечном пункте, либо небольшой посылки с маркетплейса! Тестовый полёт прошёл успешно, поэтому учёным Новосибирского государственного университета хочется пожелать удачи и дальнейшего развития!»

Новая разработка — это следующий этап в развитии линейки беспилотных летающих аппаратов, которой занимаются в НГУ уже третий год. В команду разработчиков входят сотрудники Исследовательского центра в сфере искусственного интеллекта НГУ, студенты Института интеллектуальной робототехники и Высшего колледжа информатики НГУ, а также сотрудники Сибирской пожарно-спасательной академии ГПС МЧС России и разработчики малого инновационного предприятия при НГУ.

— Сейчас мы понимаем, что вышли на следующий уровень: мы можем сделать дрон, который в автоматическом режиме пролетит по маршруту, выполнит определенное действие и вернётся в стартовую точку, то есть это полностью автономные машины. Создание таких аппаратов — актуальная задача, которая решается не только в России. И у нас есть шанс сделать такую машину одними из первых, — рассказал Алексей Окунев, директор Института интеллектуальной робототехники НГУ.

Дрон-доставщик сконструирован в НГУ: разработчики самостоятельно проектируют и распечатывают детали аппарата на 3D-принтере. В БПЛА есть импортная электроника, однако заметная часть программного обеспечения, которое отвечает за логику действий аппарата, управление полетом, обрабатывает видеосигнал, данные с датчиков, — это собственная разработка НГУ. В дроне используется одометрия по подстилающей поверхности (метод измерения координат с помощью технического зрения) — решение, также разработанное в НГУ. В скором времени оно будет усовершенствовано за счет внедрения нейронных сетей, которые позволят дрону с еще большей точностью определять местоположение, чтобы он в меньшей степени зависел от сигнала GPS.

Новая разработка имеет социальное значение и найдет применение в сфере доставки товаров прежде всего в труднодоступные районы. Например, в населенные пункты на территории Нижнекаменского сельсовета Ордынского района Новосибирской области, где проводился тестовый полет. В весенний период, когда ледовую переправу через реку Обь закрывают, а паром еще не начинает ходить, село лишается наземного, сухопутного сообщения практически на две недели. Если же осуществлять доставку дроном из рабочего поселка Ордынское, то можно это сделать напрямую через реку: расстояние составляет всего 4,5 км, которое БПЛА преодолевает за 5 минут. Таких районов, транспортная доступность которых ограничена по разным причинам, в России немало.

— Мы планируем работать в абсолютно неподготовленных местах: в них нет необходимости создавать специальную инфраструктуру, строить и оборудовать аэродромы, дронопорты и так далее. Наша техника должна быть максимально неприхотлива и исключительно умна, потому что ей нужно самой сообразить, найти и выбрать место, куда приземлиться. Сейчас идет первый этап отработки технологии — мы проверяем, что эта конструкция действительно способна делать то, что нужно. Главный элемент — то, что она сможет перелететь реку, оставить груз и вернуться назад. Либо просто привезти груз в один конец и приземлиться. На прошлой неделе мы успешно провели первые испытания, — пояснил Алексей Окунев.

Сейчас вес товара, который способен перевезти дрон, ограничен 500 граммами. В ходе тестового полета дрон доставлял набор лекарственных препаратов. БПЛА может эксплуатироваться в любых погодных условиях, за исключением ливневых дождей и сильного ветра.

Разработчики планируют к лету произвести пилотную партию до 5 штук и запустить сервис по доставке в тестовую эксплуатацию: на территории Нижнекаменского сельсовета летом находится большое количество отдыхающих, которым доставка дроном позволит сэкономить время на приобретение товаров, а не переправляться на пароме на другой берег каждый раз, когда необходимо что-либо срочно купить.

Как мы уже успели показать ранее, так называемые «зеленые» технологии возникли не от хорошей жизни. Они либо становятся ответом на угрозу ресурсного дефицита, либо способом предотвращения пагубных последствий индустриального развития. Так, использование альтернативных источников энергии изначально было связано с вынужденной экономией традиционного топлива. То же самое касается различных мер по повышению энергетической эффективности. Аналогичным образом переработка отходов и организация замкнутых циклов также возникает в условиях ресурсного дефицита. Например, дефицита воды или дефицита свободных территорий, куда можно сваливать отходы нашей жизнедеятельности.

Именно по этой причине актуальность «зеленых» технологий сильнее всего осознается как раз там, где уже сталкиваются с таким дефицитом. В России – с ее ресурсным изобилием и обширными пространствами – данная проблема еще не осознается так остро, как это происходит в европейских странах, где по поводу нехватки топливных ресурсов начали переживать более ста лет назад.  Ничего подобного не наблюдалось в нашей стране. Именно по этой причине у нас еще невысоко оценивают научные и технические разработки, так или иначе связанные с развитием «зеленого» направления.

В самом деле, зачем россиянину думать об энергоэффективности, если плата за отопление не сильно бьет по кошельку?  Зачем цеплять на балкон фотоэлектрические панели, если киловатт стоит копейки? Зачем думать об экономии воды на дачном участке, если она почти ничего не стоит? С таким настроем в свое время столкнулись наши новосибирские ученые, инициировавшие проект «Экодом». Как объяснял руководитель проекта – сотрудник Института теплофизики СО РАН Игорь Огородников, - большинство наших соотечественников не принимают принципы экологического домостроения в силу того, что ментально еще живут в логике старого индустриального уклада. В то время как в основе Экодома заложены принципы нового – Шестого технологического уклада. Эта новизна осознается пока еще далеко не всеми.

Тем не менее, негативные последствия для экологии придут к общему знаменателю во всех странах, поэтому рано или поздно технологический уклад придется менять. Исправление последствий индустриализма станет самой актуальной задачей, и здесь свое слово должны сказать ученые. В этом смысле проект «Экодом» является некой «разминкой» перед грядущими переменами. Инициаторы проекта рассматривают его не просто как «обкатку» определенной суммы технологий, а наглядную демонстрацию таких возможностей. И надо сказать, что эта демонстрация уже дает результаты. В тему экологического домостроения постепенно начинают вникать даже представители строительного бизнеса. Причем здесь, как и следовало ожидать, свою ключевую роль играют весьма стесненные начальные условия для реализации девелоперских проектов.

Напомним, что технологии, испытываемые в рамках проекта «Экодом», оказались как нельзя кстати при реализации Президентской программы по защите Байкала от органических стоков. На острове Ольхон, ставшем весьма популярным для туристов, владельцам туристических баз срочно пришлось решать проблему с отходами – в условиях полного отсутствия канализации. Здесь-то и пригодились принципы экологического домостроения, где предусмотрена эффективная утилизация органики в рамках замкнутого цикла. Параллельно решался вопрос использования возобновляемых источников энергии (солнца) для отопления помещений и нагрева воды. В общем, ученые из Новосибирска показали, как можно организовать жизнь по-новому, получая пользу от органических отходов и экономя топливо благодаря грамотному применению несложного «солнечного» оборудования.

Этот локальный пример показал, что при новом подходе к органическим отходам они - вместо вреда Бакалу - начнут приносить пользу самому острову, благоприятствуя повышению плодородия местных почв. Наглядная демонстрация таких возможностей произвела впечатление на некоторых жителей Иркутской области. В итоге в Иркутске по частному заказу был построен небольшой гостевой домик, где нашли комплексное воплощение основные принципы «Экодома» (о чем мы писали).

Дальше началась, что называется, «цепная реакция»: упомянутый гостевой домик также произвел впечатление на некоторых жителей Иркутской области. В их числе оказался руководитель одной строительной компании, который пожелал встретиться с новосибирским разработчиком как раз в этом домике. Встреча оказалась результативной – в том плане, что руководитель компании вникнул в основную суть идеи экологического домостроения и трезво ее оценил. На то были свои причины, поскольку в этих краях строители и застройщики также начали сталкиваться со стесненными условиями, работая в природоохранной зоне, где очень высокие требования по экологии. Так, у застройщика возникают серьезные проблемы с подключением к канализационным сетям. Причина понятна: вблизи Байкала стараются минимизировать стоки. В таком случае, нельзя ли использовать альтернативный вариант, соответствующий уровню Шестого технологического уклада? Да, задача в чем-то усложняется, зато на выходе вы можете получить полезный продукт. Например, биогаз, органическое удобрение, биогумус, плодородную почву, а также продукты питания. По словам Игоря Огородникова, в современном эко-поселении, где утилизация органики осуществляется указанным путем, можно формировать целые биокомплексы, которые будут перерабатывать любую органику (подчеркиваем – любую, включая фекалии) в полезные продукты. В состав такого биокомплекса могут ходить: биогазовый модуль, модуль вермикультуры, модуль подготовки сырья из ТБО, тепличный модуль. Звучит немного непривычно, но в указанном оборудовании нет ничего фантастического: всё это давно испытано и опробовано как у нас, так и за рубежом (к примеру, технология получения биогаза детально отработана на площадке Сибирского научно-исследовательского института кормов). Мало того, такое оборудование могут спокойно производить и в нашей стране.

Также интересны решения по энергетике. О солнечных воздушных коллекторах и солнечных концентраторах для нагрева воды, испытанных в условиях острова Ольхон, мы уже писали достаточно подробно. В случае развития этой темы не исключается вариант «гибридного» электроснабжения, когда потребности в электричестве частично удовлетворяются за счет солнечных панелей. Это связано с тем, что владельцы домов, расположенных на примыкающих к Байкалу территориях, уже столкнулись с высокими ценами на электричество. Вот вам и повод для экономии. Здесь объективные обстоятельства вынуждают обратиться к теме Off Grid. И застройщикам также приходится с этим считаться.

У нас в стране такие варианты еще не получили развития, зато в европейских странах (о чем мы также писали) из-за высоких цен на электрическую энергию уже начинает развиваться «балконная генерация». Не исключено, что схожие причины приведут к такому же результату и у нас. Пока что речь идет о некоторых районах Иркутской области. Возможно, в силу указанных причин она станет тем регионом, где возникнут первые пилотные проекты в области экологического домостроения. Причем, речь уже идет не только о строительстве отдельных объектов, но даже отдельных эко-поселений.

Сегодня на такую роль «просится» участок, примыкающий к селу Малая Еланка, у которого есть шанс стать элементом агломерации, выстроенной на принципах экологического домостроения. Загадывать наперед не будем, но объективные условия для этого уже созданы. С одной стороны, нашими учеными уже проработаны целые блоки соответствующих технологий, под которые имеется оборудование. С другой стороны, имеющие место экологические ограничения вынуждают представителей строительного бизнеса искать какие-то инновационные варианты. И эти варианты уже продемонстрированы им наглядно.

Отметим, что тема экологического домостроения интернациональна. Так, в Европе давно уже существуют соответствующие центры, где демонстрируется организация жизни с применениям «зеленых» технологий (например, Центр альтернативных технологий в Уэльсе или Северный фолькцентр в Дании). Там есть чему поучиться, хотя в целом российские специалисты предпочитают идти другим, более прагматичным путем. Дело в том, что в упомянутых западных центрах ключевую роль играет «зеленая» идеология, требующая, например, полного отказа от ископаемого топлива. Идеологических моментов там достаточно много, и далеко не все они имеют отношение к технологиям.

В нашем случае, пояснил Игорь Огородников, подходы к проблеме более прозаические. Российские участники проекта «Экодом» сосредоточены, в первую очередь, на «физике», а не на «лирике». То есть российские спецы в первую очередь изучают технологии, после чего осмысливают возможности их применения в наших реалиях. Допустим, в британском Центре альтернативных технологий активно используются ветряки. Причем, зачастую – самодельные. Есть смысл изучить этот опыт, но отнюдь не для того, чтобы была возможность противопоставить ВИЭ ископаемому топливу. На этих чисто идеологических аспектах наши ученые стараются не зацикливаться. В России (а тем более в Сибири), считают они, безрассудно полностью отказываться от ископаемого топлива. Но ветряк, если есть в том необходимость, может стать хорошим подспорьем для экономии энергии. И так во всем остальном.

Наша задача, утверждает Игорь Огродников, собрать как можно больше необходимых технологий. Для их научного обсуждения обычно используется площадка при Институте теплофизики СО РАН. Но одних обсуждений, считает ученый, недостаточно. Необходима наглядная демонстрация. Именно на этом сейчас сосредоточены участники проекта «Экодом». Практика показала, что такие демонстрации убеждают людей лучше тысячи слов.

К сожалению, пока у нас в стране нет готового эко-поселения, что сильно замедляет процесс перехода к массовому экологическому домостроению. Но, как мы сказали, шанс на создание такого поселения есть у Иркутской области. Наши ученые уже окрестили такой тип поселения как «город со смыслами». То есть это город, демонстрирующий все атрибуты города Шестого технологического уклада. Воплотится ли он наглядно в нашей стране в ближайшие годы, загадывать не будем. Скажем лишь то, что работа в этом направлении нашими учеными ведется. И ведется достаточно последовательно.

Олег Носков

В рамках Дней науки и культуры Республики Татарстан в новосибирском Академгородке состоялась сессия, на которой ведущие ученые двух регионов представили свои научные направления, открытия, разработки, а также совместные проекты. Модератором мероприятия выступил один из инициаторов визита делегации Татарстана заместитель председателя СО РАН академик Ренад Зиннурович Сагдеев.

Научный руководитель Института археологии и этнографии СО РАН академик Анатолий Пантелеевич Деревянко рассказал об открытии в 2010 году методами палеогенетики неизвестного ранее подвида древнего человека, знаменитого денисовца, получившего название по месту обнаружения — Денисова пещера в Алтайском крае. Примечательно, что в определенные периоды времени первые обитатели Денисовой пещеры — представители нового таксона — соседствовали с неандертальцами, более того, генетический анализ найденных останков достоверно подтвердил, что иногда у них рождались общие дети.

«Стратиграфия Денисовой пещеры, расположенной в Алтайском крае, уникальна, — пояснил ученый. — За многие тысячи лет в ней образовались мощные слои голоценовых и плейстоценовых отложений, в каждом из которых мы обнаруживаем всё новые и новые находки, хотя раскопки в этом месте ведутся уже почти 40 лет».

Находки из Денисовой пещеры свидетельствуют о том, что, несмотря на тесное взаимодействие с неандертальцами, денисовцы сформировали свою уникальную материальную культуру. Они выработали собственные приемы изготовления орудий труда, а предметы неутилитарного назначения — личные украшения, скульптуры — дают ученым основание предполагать, что денисовцы обладали развитым символическим мышлением. «В одной Денисовой пещере было найдено больше украшений, чем в Европе или Африке, если говорить о периоде 50—40 тысяч лет назад», — подчеркнул академик Деревянко.

Президент Академии наук Республики Татарстан профессор, доктор технических наук Рифкат Нургалиевич Минниханов в своем докладе рассказал о сотрудничестве научных учреждений и вузов Татарстана с Сибирским отделением РАН. Он подчеркнул, что обновленное соглашение о сотрудничестве СО РАН и АН РТ направлено на укрепление и расширение сотрудничества в области фундаментальных, поисковых и прикладных исследований, использования научно-технических достижений и разработок СО РАН и Республики Татарстан для укрепления и развития экономического, научно-образовательного и социального потенциала обеих сторон. Ключевые направления сотрудничества включают фундаментальные исследования (геология и минералогия, физика и химия, биология и биофизика, медицина), прикладные технологии (искусственный интеллект, нефтегазовая отрасль, математика и программирование) и гуманитарные исследования (археология, культурное наследие, экспериментальная фонетика).

«У нас очень серьезные академические труды по татарскому языкознанию, татарско-тюркской литературе, — привел пример глава Академии наук РТ. — Мы очень плодотворно сотрудничаем в этом направлении с лабораторией экспериментально-фонетических исследований при секторе языков народов Сибири Института филологии СО РАН».

Ученые АН РТ и СО РАН изучают историко-археологические материалы культурного наследия, истории и археологии средневековых городов, а также работают над включением объекта археологического наследия федерального значения «Денисова пещера» в список Всемирного наследия ЮНЕСКО. Казанский национальный исследовательский технологический университет плотно сотрудничает с ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН» в области катализаторов для процессов полимеризации, нефтехимии и тонкого органического синтеза. ФИЦ ИК СО РАН также является одним из партнеров региональной программы РТ «Циркулярная экономика». Казанский федеральный университет и Лимнологический институт СО РАН ведут работы в области медицины и ветеринарии. Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН принимает участие в государственной программе Республики Татарстан, направленной на внедрение аддитивных технологий в экономику региона. Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева — КАИ активно сотрудничает с Институтом теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН и АО «Информационные спутниковые системы» им. ак. М. Ф. Решетнёва. КФУ планирует взаимодействовать с ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» в области разработки методик обработки и анализа фильтрационных процессов в породах-коллекторах с использованием 4D-синхротронной микротомографии, минералогии коллектора и его взаимодействия с флюидом, а также в исследованиях треков с помощью синхротронной субмикронной томографии.

Заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе, директор ЦКП СКИФ член-корреспондент РАН Евгений Борисович Левичев рассказал о статусе реализации проекта источника синхротронного излучения четвертого поколения.

«Санкции существенно задержали и осложнили выполнение проекта, — пояснил Е. Левичев. — В частности, Япония прекратила поставку генераторов-клистронов, необходимых для обеспечения работы линейного ускорителя. Эта проблема была решена в экстренном порядке: всего за год специалисты ИЯФ СО РАН создали высокочастотный клистрон с частотой 3 ГГц и мощностью 50 МВт. За его разработку научный коллектив института был удостоен государственной премии Новосибирской области 2024 года».

Из запланированных на 2025 год этапов проекта уже состоялись перепуск пучка из линака в бустер и передача тоннеля накопителя под разметку геодезической сети. Предполагается, что в июне будет готов к монтажу тоннель накопителя, а в экспериментальном зале пройдет отделка и монтаж инженерного оборудования. К концу года создатели СКИФ ожидают получить первые обороты пучка в накопителе. «Сейчас мы работаем в парадигме указа президента страны, который вышел 28 декабря 2024 года, в котором сказано, что до 31 декабря 2025 года нам нужно завершить всё строительство и продемонстрировать пучок. Первые шесть станций профинансированы, и их изготовление идет полным ходом. Широкий диапазон исследований, которые можно будет на них проводить, практически закрывает первостепенные экстренные задачи», — подытожил Евгений Левичев.

Руководитель научного направления Института органической и физической химии им. А. Е. Арбузова ФИЦ «Казанский научный центр РАН» академик Олег Герольдович Синяшин рассказал о разработках в области органической химии фосфора.

«Хорошее определение этому элементу дал академик Александр Евгеньевич Ферсман: “Фосфор — элемент жизни и мысли”, — напомнил ученый. — Например, зубная эмаль и костная ткань человека состоят из фосфатов кальция, фосфор участвует во многих биохимических процессах, идущих в нашем организме». Ученый осветил историю изучения фосфора с момента его открытия и получения первых высокотоксичных соединений, в том числе боевых отравляющих веществ, таких как зарин, до наших дней.

«В XXI веке химия фосфора от чисто академических исследований трансформируется в систему, направленную на создание новых веществ и материалов, — пояснил О. Синяшин. — В основе всех этих веществ лежит новая фосфорорганическая молекула». Спектр практических применений фосфорорганических соединений, в которых сегодня нуждается человечество, широк. Это производство антипиренов, пластификаторов, катализаторов, ингибиторов коррозии, лекарств и средств защиты растений. В настоящее время химия фосфора, по словам ученого, это не только наука о веществе, но и инструмент для построения устойчивого будущего. «Это своеобразный мост между фундаментальной наукой и современными технологиями. Развитие этой химии помогает решать проблемы голода, энергетики, экологии и здоровья, а открытия в области наноматериалов и катализа обещают революцию в промышленности. Как когда-то фосфор дал начало жизни на Земле, сегодня он может стать катализатором новой технологической эры», — заключил академик Синяшин.

Выпускник Казанского университета научный руководитель Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН академик Василий Михайлович Фомин поделился с аудиторией воспоминаниями о студенческих годах, а также рассказал об истории создания этого вуза, одного из старейших в России. По его словам, Казанский университет был настоящей кузницей профессуры для других учебных заведений: например, когда создавались университеты в Томске и Башкирии, основу профессорского состава в них обеспечил именно Казанский университет. С Сибирским отделением у него давние и прочные связи — среди его выпускников не только основатель новосибирского Академгородка академик Михаил Алексеевич Лаврентьев, но и целая плеяда выдающихся ученых, приехавших в Сибирь. На протяжении всей истории Сибирское отделение РАН с Казанью связывают совместные проекты и разработки по многим направлениям наук.

Руководитель научного направления Казанского физико-технического института им. Е. К. Завойского РАН ФИЦ КазНЦ РАН академик Кев Минуллинович Салихов отметил: «Мой доклад “Вызовы квантового будущего”, возможно, озаглавлен несколько амбициозно, но за сто лет квантовая механика утвердилась как признанный подход для описания природы». В настоящее время, убежден Кев Минуллинович, в каждой дисциплине нужно вовремя подметить и начать применять квантовую механику.

«Значимость и перспектива квантовых технологий глобальна, — пояснил ученый. — Квантовые компьютеры совершат революцию в вычислительных возможностях, квантовая коммуникация обеспечит безопасный способ связи, большие возможности у квантовых технологий и в материаловедении, и в биологии, и во многих других направлениях». Новые технологии в микроэлектронике требуют, чтобы физические носители информации, логические вентили — базовые элементы цифровой логики, которые выполняют основные логические операции, — описывались уже в терминах квантовой механики.

«Когда создавались первые компьютеры, роль такого логического вентиля выполняла обыкновенная лампочка, — объяснил академик Салихов. — Теперь же, при тенденции к уменьшению размеров устройств, выбор технологии кубитов определит будущее квантовых вычислений. Спин электрона — очевидный кандидат на роль кубита. Преимущества спиновых кубитов в том, что методами ЭПР-спектроскопии, основанной на явлении электронного парамагнитного резонанса, открытого Евгением Константиновичем Завойским в Казанском государственном университете, можно изменять состояния спинов с высокой точностью. Плюс спиновые кубиты обладают высокой стабильностью и минимальными требованиями к охлаждению — они могут функционировать даже при комнатных температурах». В заключение К. М. Салихов отметил, что в настоящее время самые прорывные исследования в области ЭПР-спектроскопии ведутся в Казани и новосибирском Академгородке.

Заведующий отделом медицинской химии Новосибирского института органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН член-корреспондент РАН Нариман Фаридович Салахутдинов рассказал, какой непростой путь проходит молекула перед тем, как стать основой нового лекарства.

«Современная медицинская химия — это область химии, анализирующая принципы и методы направленного конструирования лекарственных препаратов и других биологически активных веществ на основе представлений о взаимосвязи структуры соединений, их активности и биологической мишени их действия, — объяснил Н. Салахутдинов. — Конечно, она опирается на огромное количество других дисциплин, в первую очередь на органическую химию, поскольку практически 70—80 % лекарственных препаратов — это низкомолекулярные лекарственные вещества. Мне очень нравится определение, которое было дано в одном из первых учебников по этой дисциплине: “Медицинская химия очень зависима от других наук, но она независима”». Органическая химия может создать огромное количество соединений, которые потенциально могут быть биологически активными, и встает вопрос: почему соединений много, а лекарств мало? «Происходит так потому, что процесс перехода молекулы к лекарству очень длинный и очень дорогой, — отметил ученый. — В России от разработки лабораторной технологии синтеза соединения до начала коммерческого производства лекарственного препарата требуется затратить от 0,5 до 1,5 миллиарда рублей и 8—10 лет».

Одной из главных задач, стоящих сегодня перед медицинской химией, является поиск противовирусных агентов, считает Нариман Салахутдинов. Он рассказал о новом инновационном противовирусном препарате прямого действия для лечения гриппа, разработанном в НИОХ СО РАН: «Камфецин эффективен против Тамифлю-резистентных штаммов вируса гриппа, обладает высокой безопасностью в терапевтических дозах, уникален по простоте и доступности сырья. В настоящее время завершены доклинические исследования его эффективности, безопасности и фармакокинетики и получено разрешение Минздрава России на проведение клинических испытаний».

Также в НИОХ СО РАН ведется поиск соединений-лидеров, которые могут помочь в борьбе с детским респираторно-синцитиальным вирусом и с другими заболеваниями.

Декан факультета инноваций и традиций народной художественной культуры Казанского государственного института культуры кандидат педагогических наук Расых Фарукович Салахов остановился на том, какие программы и проекты реализуются в вузе для продвижения национальной культуры. Он отметил, что важное место занимает вся палитра механизмов изучения народной культуры, ее сохранения и развития: экспедиции и сбор материала, затем обработка и исследование и, наконец, воплощение в работе творческих коллективов. «В частности, мы делаем акцент на национальной музыкальной культуре, ее воплощении в рамках современных мультимедийных технологий», — сказал Расых Салахов. В КазГИК есть творческие лаборатории по народно-фольклорному национальному направлению, различные подразделения, где можно реализовать свои проекты, в том числе и с использованием самых новых технологий. Много внимания, по словам Р. Ф. Салахова, уделяется формированию и развитию культурных компетенций людей самых разных возрастов: от детей до старшего поколения.

«Это очень важно, потому что пожилые люди могут передать традиции молодежи», — прокомментировал выступающий. Кроме того, он упомянул о сотрудничестве с медиками в рамках проектов по арт-терапии и изучению влияния музыки на различные системы человека и обрисовал круг творческих конкурсов, фестивалей и прочих активностей, как российских, так и международных, в которых принимают участие студенты и преподаватели КазГИК. 

Директор Института экономики и организации промышленного производства СО РАН академик Валерий Анатольевич Крюков сравнил социально-экономическое развитие двух регионов: Сибирского макрорегиона и Республики Татарстан, выделив как общие черты, так и различия, и особенно акцентировал место государства и госрегулирования в устойчивом функционировании и развитии ресурсных территорий. «Важнейшая общая характеристика обоих наших субъектов Федерации — не только перенос основных усилий на освоение уникальных минерально-сырьевых и природных объектов, но и акцент на формирование цепочек добавленной стоимости с включением знаниеёмких сфер и направлений социально-экономической деятельности», — указал Валерий Крюков, делая упор на то, что подход к ресурсоосвоению должен быть прагматичным. Это означает, что такой подход в числе прочего предполагает увеличение возможностей диверсификации экономики через развитие науки и различных отраслей промышленности. 

В современных условиях, по мнению ученого, необходим анализ отраслевой и расширенной цепочки изучения и разработки природных активов, а также ее реинжиниринг с целью создания добавленной стоимости в разных секторах экономики. Чрезвычайно важно для государства — способствовать тому, чтобы эти цепочки оказывались более длинными, вбирая в себя больше участников и игроков, защищать отечественных производителей, особенно это касается сервисных компаний, и поддерживать фундаментальные исследования. Кроме того, если говорить о научной составляющей, значимое место в цепочке должно занять научно-экспертное сообщество. Оно должно анализировать и оценивать рекомендуемые технологические решения и мониторить их последующую реализацию.

В заключение В. А. Крюков подчеркнул: для того чтобы Россия могла найти собственный концептуальный путь освоения ресурсов, нужно изучать и понимать особенности функционирования субъектов Федерации самого разного типа. «В этом отношении опыт Сибири и Республики Татарстан интересен и поучителен», — резюмировал академик.

Руководитель Научно-образовательного математического центра Приволжского федерального округа доктор физико-математических наук Марат Мирзаевич Арсланов сделал обзор работы ученых из Казани, Москвы, Санкт-Петербурга и других городов в рамках всероссийского проекта «Н. И. Лобачевский: к 200-летию создания неэвклидовой геометрии». Проект направлен не только на сохранение памяти о великом математике, но и на упрочнение позиций его первенства в разработке неэвклидовой геометрии. 

В числе запланированных мероприятий — выпуск трехтомника, посвященного Лобачевскому. Первый том будет содержать его сочинения по неэвклидовой геометрии, а также работы по алгебре, анализу, физике, избранные статьи российских и иностранных ученых о приложениях неэвклидовой геометрии в разных областях, в частности в теории относительности. Второй том обобщит педагогические взгляды и методические рекомендации Николая Ивановича с включением комментариев с позиций современной педагогической науки, а также с общей оценкой Лобачевского как выдающегося деятеля науки и культуры мирового значения. В третьем томе будут работы о его деятельности как ректора, библиотекаря, помощника попечителя Казанского учебного округа, воспоминания современников. В числе других направлений всероссийского проекта — создание летописи (печатное и электронное издание) жизни и творчества Лобачевского, оцифровка всей доступной литературы о нем и дополненное переиздание трудов, ему посвященных. 

Руководитель научного направления ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН» член-корреспондент РАН Александр Степанович Носков посвятил свой доклад катализаторам и задачам, которые стоят перед их разработчиками. Он в целом обрисовал ситуацию с импортозамещением этих необходимых субстанций и назвал несколько успешных кейсов сотрудничества ученых ИК и представителей науки и промышленности Республики Татарстан. Среди таких примеров — создание катализаторов на основе стекловолокна для очистки отходящих газов в производстве синтетического каучука, разработка по очистке газов от сероводорода с получение элементарной серы, палладиевый катализатор для производства стеарина из отходов масложировой промышленности, сотрудничество по строительству завода для производства катализаторов полимеризации в Казани. 

В представленном ученым перечне перспективных и новых областей сотрудничества примеров было гораздо больше. По словам Александра Носкова, по всем из них в ИК СО РАН есть заделы на тех или иных стадиях. Это технологии по глубокой сероочистке природного газа от следов сероводорода, процессу переработки природного газа в углеводороды (этан, пропан, этилен и так далее), повышению товарности углеводородного сырья — получению из этана этилена. «Классические методы сложны и подходят только для больших мощностей. Для небольших мы сделали вариант с использованием селективного окисления, такие катализаторы подобраны», — прокомментировал ученый. Далее — получение бутадиена из этана, каталитическая переработка полимерных отходов в товарные нефтепродукты, новые типы каталитических реакторов, их моделирование и использование таких микрореакторов в малотоннажной химии, адсорбционно-контактная сушка дисперсных продуктов и материалов, порошки для тушения пожаров, новые технологии синтеза аммиака, разработка цифровых моделей промышленного применения импортозамещающих катализаторов. 

Александр Носков также озвучил предложения по развитию сотрудничества с организациями и предприятиями Татарстана: во-первых, это развитие совместных работ в области малотоннажной химии, во-вторых, исследование и создание технологической платформы по глубокой переработке природного газа и легких углеводородов, а в-третьих, взаимодействие по линии научных основ и использования цифровых технологий и моделирования. 

Директор Международного томографического центра СО РАН доктор физико-математических наук, профессор РАН Матвей Владимирович Федин, начиная говорить об электронном парамагнитном резонансе, дал краткое представление о принципах работы ЭПР, построенных на том, что у электронов есть спин и связанный с ним магнитный момент, который взаимодействует с магнитным полем, а затем перечислил области науки, где применяется этот метод. Спектр чрезвычайно широк и включает химию, физику, биологию, медицину, геологию и другие сферы. Дело в том, что многие процессы, происходящие в веществах, клетках, тканях, молекулах и так далее, могут быть изучены с помощью спиновых меток. Например, такие метки используются при выяснении деталей репарации ДНК и ряда других проблем структурной биологии, внедрения и проникновения различных частиц в биомембраны, прохождения каталитических, окислительно-восстановительных реакций (в частности, можно определить каталитический центр, перенос электрона внутри системы и прочие моменты). Применяя ЭПР-методы, ученые из институтов новосибирского Академгородка исследовали различные неорганические комплексы, рассмотрев их локальную геометрию, сумели увидеть парамагнитные центры в алмазах или более точно определить состав пород. 

В МТЦ СО РАН, по словам его директора, развиваются масштабные работы по молекулярным магнетикам, получившим название «дышащие кристаллы»: в зависимости от температуры изменяется степень их намагниченности и ЭПР-спектроскопией можно детектировать фотопереключение в таких системах. Еще одно направление работы специалистов МТЦ связано с МОКП — металлорганическими каркасами с контролируемыми функциональными свойствами. Так, метод инкапсулированного нитроксильного зонда открывает возможность для in situ мониторинга кинетики проникновения разных веществ в поры МОКП. «Соответственно, мы можем хорошо и детально проследить процессы сорбции и десорбции в различных материалах», — сказал Матвей Федин.

Темой доклада проректора по научной деятельности Казанского федерального университета доктора физико-математических наук Дмитрия Альбертовича Таюрского стали квантовые технологии. Ученый пояснил, что квантовая физика зиждется на трех основных явлениях: квантовая интерференция, квантовая потенциальная яма и квантовое туннелирование. «Эти три особенности и отличают квантовый мир от реального», — заметил Дмитрий Таюрский и подчеркнул, что квантовые технологии включают не только всем известный квантовый компьютер, но являются более широким кругом достижений человеческой мысли.

Д. А. Таюрский рассказал об одном из проектов КФУ, который когда-то велся совместно с японскими исследователями, но теперь развивается самостоятельно. «Начну с того, что жидкий гелий отличается своими квантовыми свойствами. Как известно, сверхчистый материал получить очень сложно, в нем постоянно оказываются какие-либо примеси. Однако в случае с гелием всё наоборот: чтобы внести туда какую-либо примесь, нужно воздействовать электрическим полем, прижимая электроны к поверхности гелия, иначе никак. Тогда формируется двухмерный электронный газ — но газом остается до определенных температур. Если начать его охлаждать, то из него получится так называемый вигнеровский кристалл», — объяснил физик. Эта система интересна, потому что в ней электрон индуцирует положительный заряд, и получается квазиводородный атом. Он имеет определенную энергетическую структуру, у него есть основное и есть возбужденное состояние. «То есть, по сути, это кубит. Если вспомнить, что у электрона еще имеется спин, то добавляется дополнительный кубит. Поэтому было предложено использовать электроны на гелии в качестве кубитов, причем есть разные механизмы понимания, как это можно сделать. Такие эксперименты могут проводить несколько групп в мире, одна из них у нас», — дополнил Дмитрий Таюрский. Казанские специалисты сделали микроустройства на основе таких двумерных электронов на гелии. «Мы подкладываем микроскопическую систему электродов, электрон чувствует электрическое поле, и мы начинаем двигать его по поверхности гелия, то есть можем манипулировать электронами и имеем реальную возможность перемещения кубита из одной точки пространства в другую», — сказал ученый. 

Еще одно направление работы физиков КФУ — квантовые симуляторы. Исследуя свойства такого симулятора, вы получаете информацию об исходной системе. «Мы начали реализовывать эту идею, и перешли в область квантовой биологии. Это совершенно новая сфера, которая объясняет некоторые явления в биологии с помощью квантовой физики, например ориентацию птиц в пространстве, фотосинтез или обоняние», — сообщил Дмитрий Таюрский. 

В окончание двухдневной научной сессии Ренад Сагдеев выразил надежду на то, что такой интеллектуальный обмен достижениями и идеями станет регулярным и отметил, что при следующей встрече можно будет обсудить текущие совместные проекты ученых из Сибири и Татарстана. 

Мы уже неоднократно сообщали о предложениях ученых новосибирского Академгородка относительно создания производственно-энергетических комплексов – взамен обычному сжиганию угля в ТЭЦ и котельных. Еще раз напомним, что речь идет о внедрении технологий газификации угля, когда на выходе вы получаете горючий синтез-газ и угольный сорбент. Газ вы можете затем сжечь в топках или отправить на химическое предприятие, тогда как сорбент становится очень востребованным в наше время продуктом. С его помощью, например, производят очистку воды и воздуха, в том числе – на предприятиях.

Отметим, что такие технологии переработки угля существуют не на бумаге, а давно уже опробованы в промышленных масштабах. Вопрос стоит о том, чтобы как можно шире внедрить их в нашу жизнь. И самым важным продуктом здесь является даже не газ, а именно угольный сорбент. Именно он выступает ключевым технологическим звеном в экологическом оздоровлении современной промышленности, когда открываются возможности полной ликвидации вредных промышленных стоков за счет «кругового» использования в производстве одной и той же воды, которая регулярно очищается и заново запускается в очередной производственный цикл.

В странах, где беспокоятся об экологии не на словах, а на деле, подобные замкнутые циклы организуются повсеместно. Это уже становится нормой. Естественно, для нас такое обращение с ресурсами (а вода, напомним, весьма ценный ресурс) является положительным примером. В этой связи позиция ученых совершенно понятна – необходимо переходить к более высоким экологическим стандартам, организуя замкнутые производственные процессы. Подобные заявления звучат для многих из нас как что-то совершенно новое и соответствующее нынешнему дню. Но, как мы уже неоднократно убеждались, об этом «новом» говорят уже давно. Просто получилось так, что тема «созрела» для массовой российской аудитории слишком поздно.

К глубокому сожалению, мы в своей стране легкомысленно упустили время, и теперь нам приходится наверстывать упущенное, хотя у нас был реальный шанс оказаться в лидерах.  Дело в том, что советские ученые начали говорить об обязательной очистке производственных вод с помощью сорбентов и об организации замкнутых схем водопотребления как минимум пятьдесят лет назад! Проблему, как ни странно, подняло руководство страны. В 1972 году было принято постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР «Об усилении охраны природы и улучшении использования природных ресурсов». В то время уже считалось, что в СССР установлены довольно жесткие нормы предельно допустимой концентрации вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу и в гидросферу. По этой причине средства, выделяемые на создание очистных сооружений для промышленных объектов, составляли 20-30% от общих капитальных затрат. В этой связи советские ученые пытались найти способ кардинального решения проблемы защиты биосферы от вредного воздействия промышленности.

Большое значение придавалось защите водных ресурсов. Прежде всего речь шла о пресной воде, составляющей доли процента в общем объеме всех вод на Земле. Полвека назад дефицит пресной воды ощущался уже во всех развитых странах. Отсюда вытекала необходимость бережного обращения с этим ресурсом. Корень проблемы в том, что промышленность сама по себе потребляет очень много воды. Водные затраты в несколько раз превышают по объему произведенный продукт. Например, на тонну угля необходимо затратить две тонны воды, на тонну кальцинированной соды – 10 тонн воды, на тонну нефти – 16–18 тонн воды, на тонну стали или чугуна – 15–20 тонн воды, на тонну аммиака – 30 тонн воды. И это – не предел. Легкая промышленность поглощает водных ресурсов еще больше.  Так, на производство тонны вискозного шелка требуется 300-400 тонн воды, на производство тонны синтетического волокна – 500 тонн воды, а на производство тонны хлопчатобумажной ткани может уйти более тысячи тонн воды!

Названные цифры указывают на объемы сточных вод, сбрасываемых перечисленными производствами. Сточные воды, естественно, содержат в себе определенную группу химикатов, небезопасных для жизни. Чтобы понизить опасную концентрацию вредных веществ в стоках до утвержденных нормативов, их очень часто дополнительно разбавляют пресной водой (обычно в десятки раз), после чего сливают в водоемы в надежде на естественное самоочищение.  В некоторых случаях для нейтрализации вредных веществ к ним прибавляют другие химикаты, различные кислоты или щелочи. В итоге образуются сбросные растворы сложного солевого состава. Вода не становится от этого пригодной к использованию, зато появляются дополнительные затраты на химикаты.

Между тем наука уже в те годы (то есть в начале 1970-х) предлагала много новых методов для решения проблемы с водой. На первом месте здесь находятся сорбционные методы, то есть методы поглощения вредных веществ каким-либо телом (сорбентом). Сорбенты часто делают ненужными фильтрацию и разбавление технологических растворов, поскольку они способны извлекать необходимые вещества даже из довольно густых пульп. Именно по этой причине сорбционная технология, отмечали ученые, по своей интенсивности в сотни раз превосходит классическую фильтрационную.

Параллельно необходимо было преодолеть один навязчивый стереотип, согласно которому взятая из природы вода должна опять возвращаться в природу. Такой «обмен» с естественной средой оказался избыточным, поскольку очищенную воду можно вновь запустить в производство, не забирая ее у природы всякий раз. Создание замкнутых схем оборота воды показалось весьма целесообразным решением. И как мы сказали, к этому выводу пришли еще полвека назад. Масштабная реализация указанной идеи позволяла резко снизить водопотребление и в некоторых случаях полностью исключить сбросы сточных вод.

Важно отметить, что в СССР той поры уже существовали отдельные производства, где были хорошо отработаны замкнутые схемы оборота воды как раз на основе широкого использования сорбционных процессов. Яркий пример такого производства – урановая промышленность. Используемые здесь технологии позволяли с высокими технико-экономическими показателями решить ряд важнейших проблем – комплексную переработку бедных руд, разделение элементов с близкими химическими и физическими свойствами, получение чистых элементов и их соединений.

Также были примеры успешного внедрения безотходной сорбционной технологии при переработке золотосодержащих руд. Произошло это еще в самом конце 1960-х на предприятиях Мурун-Тау. Причем важно заметить, что данный прецедент был высоко оценен в Государственном комитете Совета министров СССР по науке и технике, в результате чего было рекомендовано реконструировать многие предприятия золотодобывающей промышленности по сорбционным схемам.

Кстати, таким способом (то есть с помощью сорбентов) очищали не только воду, но также предотвращали вредные выбросы токсичных газов в атмосферу. Подобные технологии применялись на Новолипецком металлургическом заводе и на Невинномысском химическом комбинате, где было организовано новое предприятие по производству аммиака. Вредные выбросы в атмосферу здесь были полностью исключены.

Понятно, что о полном решении экологической проблемы в те годы еще никто не заявлял. Но путь был указан, и осуществлялись первые практические заделы. Но примечательнее всего здесь то, что сами подходы к радикальному оздоровлению экологии осмысливалась нашими учеными на весьма серьезном теоретическом уровне. Так, академик Александр Виноградов в те годы заявлял, что сама природа дает нам необходимый образец по решению экологических проблем. По его словам, биосфера организована по принципу безотходного производства, когда продукты жизнедеятельности одних организмов жизненно необходимы другим. «Всё утилизируется в великом биологическом круговороте биосферы», - заявлял ученый. По тому же принципу, считал он, необходимо организовывать современное производство, точнее – производство будущего (на тот момент).

По сути, наши ученые еще полвека назад намекали на необходимость разработки природоподобных технологий, которые становятся мейнстримом только в наши дни. Создание для предприятий замкнутых циклов потребления воды являлось первым (но очень важным) шагом на этом пути. Поэтому, когда сегодня у нас говорят об экономике замкнутого цикла, необходимо понимать, что эта идея вызревала в научных кругах не одно десятилетие, прежде чем ее стали осознавать политики.   

Николай Нестеров