Доктора науки

Лауреатами премии президента России в области науки и инноваций для молодых ученых за 2015 год стали химик Дмитрий Копчук (Институт органического синтеза им. И.Я. Постовского Уральского отделения РАН), биолог Екатерина Прошкина (Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН) и физик Владимир Стегайлов (Объединенный институт высоких температур РАН).

Размер каждой премии составляет 2,5 миллиона рублей. "РГ" представляет работы лауреатов. Сразу надо подчеркнуть, что все они опубликованы в престижных международных журналах. А значит, несмотря на тяжелый диагноз, который многие специалисты ставят нашей науке, отмечая, прежде всего, ее старение, в ней работают молодые ученые мирового уровня.

Как поймать террориста по запаху

Сугубо фундаментальное исследование химика Дмитрия Копчука имеет прямой выход на борьбу с терроризмом. Речь идет об "электронном носе", который улавливает компоненты взрывчатых веществ, содержащих нитраты. Это, в частности, наиболее опасные и трудно выявляемые пластиковые боеприпасы с гексогеном и тринитротолуолом. Сегодня в мире создано множество различных "электронных носов". Почему вариант Дмитрия не имеет аналогов? Его прибор намного компактней и в разы дешевле всех существующих в мире систем?

- Мало кто знает, что в цене такого прибора львиная доля приходится вовсе не на сенсор взрывчатки, а на "электронную начинку", - объясняет автор разработки. - Дело в том, что тревожный сигнал от сенсора очень слабый. Его надо преобразовать и усилить. Для этого прибор приходится "начинять" целым каскадом электронных схем. Отсюда и сложность, и громоздкость, и цена "носа".

Дмитрий выбросил почти всю электронику. И тем не менее, прибор "унюхивает" террориста. "Изюминка" в особом составе сенсора и его оригинальной конструкции. Поймав "запах" взрывчатки, прибор посылает настолько мощный набат тревоги, что его почти не надо усиливать.

Отметим, что он оказался настоящим универсалом. Помимо "электронного носа", он создал материалы, которые давно ждут в медицине для диагностики иммунитета. Суть анализа в том, что во взятой у пациента крови надо следить, как ведет себя конкретный белок. Чтобы его выделить из множества остальных, на белок навешивают специальный маячок. Это тандем из металла, который обладает яркой люминесценцией, и органического вещества, который может соединиться с изучаемым белком. В итоге ученые теперь могут следить, как ведет себя белок, а значит, ставить диагноз.

Как продлить жизнь вдвое

Екатерине Прошкиной нет еще и 30 лет, а уже автор 20 статей в международных журналах. Среди них особо выделяется вызвавшая шквал откликов публикация, как можно увеличить продолжительность жизни мухи дрозофиллы сразу на 70 процентов. Что и понятно, проблема старения сегодня в мире одна из самых волнующих общество.

- В принципе, природа наделила каждое живое существо очень совершенным генетическим аппаратом, - объясняет она. - Ведь мы постоянно подвергается атакам внешней среды, скажем, из-за плохой экологии, различных стрессов и т.д. Эти атаки повреждают ДНК, но в наших клетках есть специальная система, которая устраняет эти сбои. Но с годами она изнашивается, и качество "ремонта" ухудшается. В итоге дефектов накапливается все больше, что понижает и качество ремонта. Повреждения начинают расти как снежный ком.

Екатерина предложила кардинально решать проблему: повысить активность генов, которые отвечают за восстановление ДНК.

Как? Ученые встроили дрозофиле дополнительные копии восстановительных генов, по сути, увеличив число "ремонтников". И мухи стали не просто долгожителями, время их пребывания на Земле выросло почти вдвое. Причем оказалось, что активировать "ремонтные" гены надо начинать, что называется с молоком матери, чем раньше, тем лучше. Во всяком случае, именно такие мухи живут дольше всех.

На сегодня наука уже выявила около 10 таких "чудо-генов", продлевающих жизнь и замедляющих старение. Но оказалось, они выполняют еще одну важнейшую роль. В экспериментах ученые Института биологии воздействовали на живые организмы различными "вредностями": радиацией, высокой и низкими температурами, химическим реактивами и т.д. И был выявлен удивительный феномен. Средние и большие дозы однозначно укорачивали жизнь, а вот малые и кратковременные - увеличивали. Почему? На эту тему высказано несколько гипотез, о которых еще долго будут спорить ученые. Но один факт Екатерина Прошкина установила однозначно: за положительную реакцию на стрессы отвечают те же самые гены, что и за восстановление поврежденных ДНК.

- Замедлить старение можно, и не прибегая к генетическим вмешательствам, - говорит она. - Оказалось, что в природе есть вещества, которые могут активировать защитные силы организма, действуя через гены восстановления ДНК. Например, это каротиноид из водорослей фукоксантин или кверцетин, вещество из плодов красного и бордового цвета. Продлить жизнь животным удавалось и с помощью известных лекарств, которые сейчас используются для лечения различных болезней. Например, в опытах на крысах хороший результат показал применяемый в небольших количествах препарат ибупрофен. Но, конечно, эти результаты не в коем случае нельзя автоматически переносить на человека, здесь требуются дополнительные исследования.

Как из атома попасть в суперкомпьютер

Доктор физико-математических наук Владимир Стегайлов работает на самом передовом крае современной науки. Его исследования поражают воображение. Ученый строит компьютерные модели из "жизни" атомов и электронов. Что само по себе кажется невероятным, ведь в одном кубическом миллиметре металла соседствуют и взаимодействуют сотни миллиардов атомов. Их надо каким-то образом загнать в уравнения, а потом обсчитать на компьютере. Кто-то скажет, что нечто подобное давно научились делать астрономы, когда изучают движение небесных тел. А строение атома похоже на строение Солнечной системы...

- Действительно, зная законы механики, ученые сумели рассчитать траектории тысяч небесных тел, планет, спутников, астероидов, - говорит Владимир. - Но у нас многие миллиарды "клиентов". Причем в отличие от небесных тел, атомы не подчиняются законам гравитации, здесь в игру вступает квантовая механика. Поэтому расчеты движения гигантского числа атомов усложняются многократно.

Казалось бы, куда может привести эта заумная наука? Какой прок от этих фантастически сложных расчетов и компьютерных моделей?

Стегайлов и его коллеги нашли выход из микромира атомов и электронов - в наш макромир. В создание материалов, которые могут работать в экстремальных условиях. Например, в ядерных реакторах.

- Мы провели квантовые расчеты поведения атомов урана, а в итоге удалось построить модель, как накапливаются дефекты в материалах ядерного реактора, - говорит ученый. - Таким образом, сугубо квантовые задачи вышли на уровень инженерных расчетов.

Владимир с коллегами решил еще одну фундаментальную задачу, над которой давно бьются ученые многих стран. Она связана с самым тугоплавким в мире материалом, графитом. В ведущих лабораториях мира ставят самые изощренные эксперименты, чтобы ответить на один вопрос: какова температура плавления графита. Но результаты получаются разные. Одна из главных причин такого разнобоя - непонятна сама специфика этого материала, на которой можно было бы строить эксперимент.

Владимир построил компьютерную модель плавления, основанную на принципах квантовой механики. И выяснилось неожиданное: графит плавится в тысячу раз медленнее, чем любые металлы. Это уже наводка для будущих экспериментов, которые должны, наконец, поставить точку в многолетнем споре, назвать окончательную температуру плавления графита.

Но постановка проблем и составление уравнений, которые описывают поведение миллиардов атомов - это сугубо физические задачи. Однако необходим следующий шаг: как решить эти сложнейшие и бесконечные уравнения. Это под силу только суперкомпьютерам. Но если решать в "лоб", то потребуются месяцы непрерывной эксплуатации машинных мозгов. Подобная роскошь сегодня непозволительна. Поэтому Владимир Стегайлов придумывает хитроумные алгоритмы, чтобы многократно сокращать объемы и время счета. То есть современный физик должен быть и материаловедом, и математиком.