В очередном материале из цикла, посвященного 10-летию ФИЦ ИЦиГ СО РАН мы расскажем о том, как исследования ученых помогают российским производителям товаров преодолеть зависимость от импортного сырья.

Весной 2022 года на фоне обострения отношений между Россией и Западом, ряд крупных международных пивоваренных компаний объявили об уходе из нашей страны. Начался передачи их бизнеса российским игрокам, на прилавках стали появляться новые марки этого напитка. Но одна из главных проблем заключается в том, что пиво в России (включая небольшие крафтовые пивоварни) к этому моменту варили почти на 100% из импортного солода и хмеля. И от замены этикеток на бутылках, ситуация не изменится.

Надежда на то, что удастся быстро заменить европейский хмель и солод каким-то другим, например, китайским оказалась довольно зыбкая: во-первых, у китайцев есть и другие покупатели на урожай, с которыми приходится конкурировать, а во-вторых, замена зависимости от одного вида импорта на другой – не лучшее решение проблемы. Все это сделало очень актуальной задачу обеспечения российской пивоваренной отрасли отечественным сырьем.

Ячмень является традиционной для России зерновой культурой, хорошо знакомой отечественным селекционерам. Но ранее их внимание было сосредоточено на создании сортов, которые используются в производстве кормов для сельского хозяйства. Такой ячмень, как правило, содержит много белка и мало крахмала. Однако в пивоварении совсем иные требования к содержанию белка в ячмене: много белка – низкая экстрактивность сусла, и пиво хранится недолго, недостаточно – не будет таким пенным и снизятся вкусовые качества, а значит, необходимы совсем другие сорта ячменя.

Задача очень непростая, обычно на создание новых сортов у селекционеров уходит от семи до десяти лет, включая период различных сортоиспытаний. В этом случае сократить сроки позволяет то, что в Институте цитологии и генетики СО РАН работу в данном направлении начали до введения санкций и используют в ней передовые генетические технологии, заметно сокращающие сроки селекции.

«Селекция ведется сразу в нескольких направлениях. Наши коллеги пошли по пути снижения уровня белка в зерне, а наша лаборатория сосредоточилась на снижении содержания полифенольных соединений (проантоцианидов). Потому что именно они, вступая в реакцию с белком, образуют то самое помутнение, которое мешает большинству пивоваров. Всего известно тридцать генов, которые могут быть вовлечены в эти реакции. Нас заинтересовали пять. Но чтобы целенаправленно воздействовать на них, необходимо сначала установить их точное месторасположение в геноме», -  рассказала старший научный сотрудник сектора функциональной генетики злаков ИЦиГ СО РАН, к.б.н. Олеся Шоева.

На момент начала исследований такая информация была лишь в отношении одного из генов. Новосибирским ученым с высокой точностью удалось локализовать еще два. Параллельно с этой работой, исследователи провели введение уже определенных генов в сорт ячменя Танай, ранее созданный селекционерами ИЦиГ СО РАН и ныне пользующийся популярностью у сельхозпроизводителей. Первые эксперименты показали, что урожайность ячменя от этого не снижается. Несколько позже в эту работу (ее курирует старший научный сотрудник СибНИИРС Юрий Григорьев) включили еще два российских сорта ячменя.

На их основе ученые также получают генетические линии этой зерновой культуры со сниженным содержанием проантоцианидов. «В 2023 году первые 12 линий уже проходили конкурсное испытание на полях нашего института. Часть отбраковали, а оставшиеся восемь линий в прошлом году высеяли уже больших площадках. В итоге, были отобраны три высокоурожайные линии, на основе которых и ведется дальнейшая работа над новым сортом», - отметила Олеся Шоева.

Эта работа проходит в постоянном взаимодействии с потенциальными потребителями – российскими пивоваренными компаниями. Большой интерес к сотрудничеству проявила «Балтика» (один из крупнейших производителей отечественного пенного напитка). В 2023 году Олеся Шоева стала победителем конкурса «Агроинновации для выращивания ячменя и хмеля в России», организованного «Балтикой» в номинации «Новые технологические схемы выращивания пивоваренного ячменя в различных регионах России».

«Работа Олеси Шоевой, её интересные научные решения предлагают эффективные способы повышения качества и продолжительности хранения готового напитка. Поиск и внедрение инноваций — важная задача не только для нашей компании, но и для всего российского АПК. Конкурс показал, как много в отрасли молодых талантливых учёных, которые работают над действительно важными научными проектами. Нам удалось выявить интересные разработки, которые, я надеюсь, мы сможем апробировать на наших полях в рамках агропрограммы компании», – прокомментировал тогда этот результат директор по пивопроизводству и агропроектам компании «Балтика» Игорь Матвеев.

А уже в этом году ученые ИЦиГ передали часть полученного на опытных делянках урожая пивоварам компании, чтобы те испытали результаты селекционной работы в условиях реального производства. Результаты этого испытания станут одним из решающих аргументов для окончательного отбора линий на сортоиспытания.

Руководством института поставлена цель – получить готовый сорт к 2030 году, три года из оставшегося срока уйдут на государственные сортоиспытания, а значит, передать на них материал селекционеры должны не позднее 2027 года. Впрочем, по словам Олеси Шоевой, пока нет оснований опасаться, что участники этого проекта не уложатся в указанные сроки.

Тем более – это не первый опыт работы коллектива с ячменем, до того, как заняться снижением уровня проантоцианид, ученые создавали генетические линии культуры с повышенным содержанием антоцианов.

«Ранее исследования уже показали, что антоцианы обладают широкой биологической активностью, полезной для здоровья человека, но обычно речь идет о различных фруктах и ягодах, мы же оценивали воздействие на организм богатой антоцианами зерновой диеты. Зерно с антоцианами является очень перспективным сырьем для создания функциональных продуктов питания, поскольку оно входит в ежедневный рацион большинства людей, лучше хранится и доступно в течении всего года, в отличие от сезонных ягод и фруктов, - объяснила Олеся Шоева.

В ИЦиГ было получено несколько генетических линий ячменя с высоким уровнем антоцианов, зерна которых имеют специфическую фиолетовую, голубую, или черную окраску. Правда, пока они не пользуются большим интересом у селекционеров, поскольку устойчивого запроса на производство ячменя для продуктов диетического питания в российском агропроме еще нет. Чего не скажешь о пивоваренной отрасли, где, в результате, исследования, начавшиеся позже, судя по всему, быстрее приведут к появлению новых сортов. Это доказывает, что на скорость процессов импортозамещения и развития технологий спрос на рынке влияет куда сильнее, чем возможности российской науки, которые намного больше, чем принято считать.

Сотрудники Института цитологии и генетики СО РАН, д.б.н. Сергей Шеховцов и к.б.н. Татьяна Полубоярова стали лауреатами престижной Премии имени академика В.А. Коптюга – награды, ежегодно присуждаемой за выдающиеся российско-белорусские научные проекты. Работа, удостоенная премии, посвящена детальному исследованию многообразия дождевых червей, обитающих на территории Беларуси.

Исследование началось ещё в 2014 году, когда Шеховцов и его коллега Евгений Держинский отправились в экспедицию по Беларуси. Участники экспедиции собрали обширный материал, который стал основой для целой серии научных публикаций. В 2019 году российско-белорусская группа учёных получила совместный грант от Фонда фундаментальных исследований и начала полноценное изучение биологических особенностей дождевых червей региона. За проведенные исследования награду разделили сотрудники ИЦиГа, а также М.Н. Ким-Кашменская из НГУ, Е.В. Голованова из Омского Государственного Педагогического Университета и С.А. Ермолов из Центра экологии и продуктивности леса РАН; с белорусской стороны – Е.А. Держинский и В.М. Коцур из Витебского Государственного Университета им. П.М. Машерова.

По словам исследователя, ключевая задача заключалась в том, чтобы понять, как различия в ДНК дождевых червей соотносятся с их внешними признаками: размером, окраской, количеством сегментов и другими морфологическими особенностями.

«Мы хотели ответить на вопрос: если черви генетически сильно различаются, то есть ли между ними и внешние отличия, на которые ранее просто не обращали внимания? – объяснил Сергей Шеховцов. – В результате оказалось, что да: разные генетические линии внутри одного и того же вида могут отличаться по размеру и другим признакам. Если промерить достаточно большую выборку, различия становятся статистически значимыми».

Результаты проведенного генетического анализа собранных в ходе экспедиций образцов, что то, что дождевые черви, которых долгое время относили к одному и тому же виду, на самом деле может представлять собой целый набор генетически различных линий. Эти линии не различимы "на глаз", но отличаются по митохондриальной ДНК даже сильнее, чем, к примеру, человек и шимпанзе.

Полученные данные, по словам учёного, имеют значение не только с точки зрения фундаментальной науки, но и могут иметь вполне прикладное применение. Дождевые черви активно используются в экологии и экотоксикологии: на них проверяют, как почвенные загрязнители – например, тяжёлые металлы или пестициды – влияют на живые организмы. Но если не учитывать генетические различия между червями, такие исследования могут давать неточные результаты.

«Если раньше никто не делал поправку на генетическую разнородность, то теперь желательно при экологических тестах сначала определять, с какой именно генетической линией мы имеем дело, – подчеркнул Сергей Шеховцов. – Разные линии могут по-разному реагировать на одни и те же загрязнители».

В рамках проекта была создана полная карта распространения дождевых червей по территории Беларуси, уточнены видовые списки, описаны новые для страны виды. Работа завершена, но перспективы для новых исследовательских проектов сохраняются: собранный материал охватывает также территории России, в том числе Сибири, и ученым хотелось бы его использовать в научных целях.

«Безусловно, в перспективе хотелось бы сделать такую же детальную работу по дождевым червям России, – объяснил Сергей Шеховцов. – Но это большой объём. Мы постепенно расширяем охват и продолжаем исследовать местные популяции. Это важно и для науки, и для понимания того, как устроена экосистема, в которой мы живём».

Пресс-служба Института цитологии и генетики СО РАН

Российские ученые разработали инновационный способ анализа наноструктур, который позволяет увеличить возможности современных атомно-силовых микроскопов и изучать вещества на масштабе единиц нанометров. Внедрение новой технологии открывает возможности для проектирования на атомарном уровне новых полезных материалов с заданными свойствами. Такие методы востребованы, в частности, при создании электроники будущего. Например, микроскопических устройств типа датчиков-«пылинок» и молекулярной робототехники.

Как работает новый метод анализа наноструктур

Ученые из Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН разработали новый сверхточный спектральный оптический неразрушающий метод анализа материалов. Он существенно расширяет возможности существующих атомно-силовых микроскопов, позволяя изучать материалы на масштабе единиц нанометров и исследовать не только их структурные размеры, но и химическое строение.

В частности, такая точность востребована при создании миниатюрных устройств и техники. Например, молекулярной робототехники высокоточной доставки лекарств в организме человека, датчиков-«пылинок» для мониторинга объектов и скрытого наблюдения или дронов-насекомых для пространств и поверхностей, недоступных для человека.

– Один из методов изучения наноструктур – спектроскопия комбинационного рассеяния света. Она заключается в анализе спектра лазерного излучения, отраженного от исследуемой структуры. Это излучение, как отпечатки пальцев, содержит всю информацию – от состава вещества и примесей до различных дефектов, деформаций и напряжений, – рассказал «Известиям» один из разработчиков, заместитель директора по научной работе ИФП СО РАН Александр Милехин.

Однако, пояснил он, существуют фундаментальные ограничения для оптических методов наблюдения. Например, так называемый дифракционный барьер, который не дает различить два объекта, если расстояние между ними меньше половины длины волны света. Для видимого диапазона этот предел составляет около 200–300 нм. Вторая проблема заключается в уменьшении силы рассеянного сигнала на нанометровом уровне. Однако благодаря совместному использованию спектроскопии и атомно-силовой микроскопии исследователи смогли преодолеть эти ограничения.

Принцип работы атомно-силовых микроскопов состоит в том, что его колеблющийся зонд (игла с острием 50 нанометров) при приближении к материалу встречается с силой взаимодействия с поверхностью, объяснил Александр Милехин. Она изменяет частоту и фазу колебания зонда. Интерпретируя эти данные, можно в подробностях воспроизвести рельеф материала и его свойства.

– Чтобы определять еще и спектральные характеристики материала (например, химический состав в каждой точке), мы наносим на зонд серебро, золото или платину таким образом, чтобы на его острие сформировался один кластер металла размером около 100 нм. Под ним в малой области формируется сильное электрическое поле. С другой стороны, в качестве подложки для исследуемых структур мы использовали массивы золотых нанодисков, – описал суть разработки ученый.

По его словам, при приближении металлизированного зонда к золотым нанодискам между ними образуется так называемая горячая точка — плазмон, область концентрированного электромагнитного поля большой интенсивности.

Если энергия такого «щелевого» плазмона соответствует энергии возбуждения в материале, интенсивность рассеяния резко возрастает, что позволяет получать более детальную информацию. Задачей исследователей было создание необходимых условий. В результате они получили сигнал, усиленный в 100 тыс. раз, при пространственном разрешении 2 нм.

В каких областях требуются высокоточные методы изучения материалов

По словам Александра Милехина, с помощью нового метода были изучены атомарно тонкие структуры полупроводниковых материалов, которые представляют интерес для современной микроэлектроники и фотоники. Например, при анализе графена ученые обнаружили растяжение его кристаллической решетки всего на 1,5%. Это мало, однако критически важно для электронных свойств материала.

Такие исследования помогают лучше понять, как работают двухмерные материалы в реальных условиях и помогают улучшать их качество. В дальнейшем это поможет создать более точные и чувствительные датчики, гибкую электронику и даже элементы для будущих нанороботов.

– Сейчас с учеными из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе мы работаем над созданием миниатюрных лазеров (и других элементов нанофотоники) на основе дихалькогенидов переходных металлов. Наша задача — контроль и выработка рекомендаций по улучшению их оптических свойств, – привел пример ученый.

По его мнению, в дальнейшем новый метод может быть востребован в материаловедении, химии, геологии, фармакологии и других сферах, где требуются высокоточные исследования материалов. Также любопытные направления — определение качества пищевых продуктов, нефтепродуктов, взрывчатых веществ и пестицидов.

– В основе этого подхода лежит остроумная комбинация двух технологий: поверхностно-усиленной (SERS) и зондово-усиленной (TERS) рамановской спектроскопии. Секрет технологии кроется в золотых нанодисках и сверхтонком металлическом зонде. Наночастицы золота работают как крошечные антенны, усиливая сигнал в 50 раз, а острый, как игла, зонд добавляет еще большее усиление – до 100 раз, – пояснил «Известиям» директор Международного научного центра спектроскопии и квантовой химии Сибирского федерального университета Сергей Полютов.

По его словам, ключевой механизм работы метода основан на плазмонном резонансе — коллективных колебаниях электронов в металле, которые усиливают сигнал.

Вместе с тем, отметил эксперт, как и любая передовая технология, gm-TERS пока имеет свои ограничения. Например, подготовка образцов для этих экспериментов требует исключительной точности: графен должен равномерно покрывать нанодиски диаметром 108 нм (допуск всего ±5 нм), а малейшие «складки» или загрязнения искажают данные. При этом серебряные зонды, хотя и обеспечивают фантастическое усиление сигнала (сравнимое с возможностью услышать шепот человека за 100 м), стоят тысячи долларов и быстро выходят из строя.

Несмотря на эти сложности, потенциал технологии революционен, сказал Сергей Полютов. В ближайшем будущем она может, к примеру, стать стандартом для контроля качества графена в промышленности. Также новый метод может ускорить создание гибридных материалов (например, сочетаний графена с квантовыми точками) и позволит разработать сверхчувствительные биосенсоры для ранней диагностики заболеваний, добавил он.

– К преимуществам метода относится гибкость относительно возбуждающей длины волны излучения. Авторы показывают, что, подбирая диаметр нанодисков, можно получать усиление при разных длинах волн. Это позволяет использовать предлагаемый метод для спектрометров с различными лазерами, а также подбирать резонансную частоту возбуждения, совпадающую с максимумом поглощения материалов, – отметил старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов Московского физико-технического института Илья Завидовский.

В то же время в список ограничений стоит записать дополнительные технологические этапы, необходимые для подготовки образца, считает эксперт. Например, осаждение золотой пленки, осуществление нанолитографии для вытравливания дисков, перенос слоистого материала на массив дисков.

– Современный мир – это мир нанотехнологий и квантовой физики. Практически все современные приборы, устройства и машины обладают уникальными характеристиками благодаря тому, что проектируются на мельчайшем уровне (вплоть до отдельных атомов и молекул). Например, в одной флешке может работать триллион транзисторов, – сказал «Известиям» руководитель Троицкого филиала Физического института имени П.Н. Лебедева, доктор физико-математических наук Андрей Наумов.

Благодаря разработке, пояснил он, ученые могут узнать, как отдельные атомы и молекулы складываются в более сложные структуры с заданными свойствами. Именно эти материалы изменят жизнь человечества, резюмировал он.

Мы уже неоднократно обращали внимание на то, что в нашей стране еще с довоенных времен уделяли весьма серьезное внимание «зеленым» технологиям, актуальность которых заново открыли ближе к нашим дням. Отсюда многие из нас невольно полагают, будто нынешнее обращение к возобновляемым источникам энергии является очень современной темой, открывающей дверь в невиданное ранее будущее. Хотя на самом деле этой теме уже как минимум полторы сотни лет.

До революции использование энергии солнца, ветра и воды обозначалось нашими учеными как «утилизация сил Природы». В конце XIX века в европейских странах (включая и Россию) велись активные эксперименты по всем трем направлениям. Главным мотивом для таких экспериментов служили реальные опасения насчет быстрого истощения запасов ископаемого топлива. Прежде всего – угля. Особое значение придавалось солнечной энергии, поскольку считалось, что она неизмеримо велика и неисчерпаема. Как писали в свое время советские ученые, количество лучистой энергии, получаемой Землей от Солнца, в миллионы (!) раз превосходит энергию, вырабатываемую всеми электростанциями мира. Причем, очень часто отмечался тот факт, что подавляющее количество энергии вырабатывается нами за счет сжигания ископаемого топлива. Ничего хорошего в этом не видели даже в нашей стране, поскольку, согласно консолидированному мнению большинства ученых мира, запасы топлива, накопленные в течение многих веков, расходуются намного быстрее, чем происходит их накопление в природе. Отсюда следовало обращение к возобновляемым источникам энергии, где на энергию Солнца возлагались очень большие надежды.

Отметим, что уже в конце XIX века на этом направлении были получены весьма обнадеживающие практические результаты. Например, солнечную энергию, концентрируемую с помощью параболических зеркал, использовали для кипячения воды и получения пара. Один французский изобретатель даже создал паровой двигатель, где использовался не уголь, а концентрированное тепло от Солнца. Этот двигатель даже приводил в движение типографскую машину, печатавшую газету.

Англичане пошли еще дальше, создав термоэлектрическую батарею, нагреваемую солнечными лучами. Выработанное таким способом электричество направлялось в аккумулятор. Затем – через заряженный аккумулятор – приводился в движение электрический двигатель. Об этом изобретении писали в российский научной периодике 1890 года. То есть уже в то время европейские ученые делали первые шаги к созданию солнечных электростанций. Фотоэлектрических панелей еще не было, но попытки превращения солнечной энергии в электрическую уже были.

Российские ученые также обращались к «солнечной» теме. В 1883 году профессор В. Лигин писал о возможности строительства солнечных установок на юге страны. В 1890 году профессор В. Церасский проводил опыты по расплавлению различных металлов (!) с помощью параболического зеркала.

Тем не менее, непосредственное применение солнечного излучения для энергетических целей вплоть до середины прошлого столетия было ничтожно мало даже в сравнении с использованием силы воды и силы ветра. То есть «утилизация сил Природы» осуществлялась неравномерно. На первое место в этом списке выходила гидроэнергетика, хотя ее доля (в мировом масштабе) в 13 раз уступала генерации на ископаемом топливе. Еще меньшее значение в то время имела ветроэнергетика. О солнечной энергетике и говорить не приходится – она плелась вообще где-то в самом конце (несмотря на вполне успешные эксперименты в данной области).

Последнее обстоятельство воспринималось учеными как досадный факт. Солнце, по их мысли, могло дать человеку энергетическое изобилие, однако он до сих пор не смог воспользоваться такой возможностью в полной мере. В Советском Союзе попытались устранить этот пробел. К середине XX века у нас образовалась достаточно серьезная группа ученых-гелиотехников, разработавших самые разные солнечные устройства. Среди таких устройств – водонагреватели, кипятильники, опреснители соленой воды, солнечные кухни, рефлекторы для лечебных целей, солнечные паровые котлы и т.д.

Некоторые из этих установок были рекомендованы для внедрения в широких масштабах. Правда, здесь же выявились и определенные технические сложности, препятствующие такому широкому внедрению. Главным изъяном оказались высокие затраты на производство и эксплуатацию отдельных установок, из-за чего стоимость получаемой энергии в итоге оказывалась порой выше, чем если бы она вырабатывалась с использованием ископаемого топлива. Кроме того, эффективность применения солнечной энергии прямо зависит от продолжительности и бесперебойности работы этих устройств. Понятно, что в регионах с частой облачностью их применение становится экономически нецелесообразным.

Другое дело – южные регионы страны, где пасмурных дней может не быть в течение нескольких месяцев подряд. По подсчетам советских ученых, в районе трассы Главного Туркменского канала каждый квадратный метр поверхности получает за год столько калорий, сколько их можно получить, сжигая 150 кг угля лучшего качества. Следовательно, здесь вполне можно размещать солнечные установки для бытовых нужд рабочих, занятых строительством канала. Это намного выгоднее, отмечали ученые, чем использовать привозное топливо (достаточно дорогое).

Интересно, что относительно несложные устройства для нагрева воды (по типу «горячего ящика») находили себе применение на территории среднеазиатских республик уже в самом начале 1950-х годов. Было несколько конструкций таких водонагревателей. Например, установка, предложенная профессором Т. Г. Трофимовым, представляла собой плоский железный бак, лежащий на дне ящика. Протекающая внутри бака вода нагревалась от верхней его стенки, обогреваемой солнечными лучами. Водонагреватель Н. А. Ерофеева изготавливался из керамических плиток, на поверхности которых тонким слоем протекала вода. Плитки помещались в ящике, защищенном сверху стеклом. В установке М. Е. Панкова нагрев воды производился в открытых железных противнях, установленных на дне застекленного ящика.

Более удачной считалась конструкция Б. В. Петухова. Здесь использовались рифленые алюминиевые листы, в канавки которых укладывались полудюймовые водопроводные трубы. Эти листы и трубы размещались на дне застекленного ящика. Вода получала тепло от труб. Трубы же нагревались солнечными лучами, дополнительно получая тепло от алюминиевых листов. Данная установка была испытана как раз в районе Главного Туркменского канала. Здесь она могла работать 7 – 9 месяцев в году, давая в день с одного квадратного метра застекленной поверхности по 50 – 60 литров воды, нагретой до 55 градусов Цельсия. Аналогичные установки использовались при обустройстве душевых и бань-прачечных. И судя по всему, в то время они уже не воспринимались как что-то необычное (как это почему-то происходит в наши дни).

Стоит также упомянуть советские конструкции солнечных установок, предназначенных для кипячения воды и получения пара. Здесь уже использовались параболоцилиндрические зеркала, позволявшие увеличить концентрацию солнечных лучей в 30 – 40 раз, а также параболоидные зеркала, увеличивавшие концентрацию в 600 – 800 раз! Такие установки могли производить пар любых параметров и даже плавить металлы. Одна такая установка, созданная в начале 1950-х годов в Энергетическом институте имени Г. М. Кржижановского АН СССР, имела параболоидное алюминиевое зеркало диаметром 1,2 метра и за полчаса давала три литра кипятка. То есть ее мощность примерно соответствовала электрической плитке в 600 Вт. Эти установки были рекомендованы для индивидуального использования в южных районах СССР. Также разрабатывались более крупные установки, способные выдавать в день до 500 литров кипяченой воды. Помимо этого, разрабатывались установки для сугубо технологических целей – опреснения воды или для приведения в действие абсорбционного холодильника. Да, стоимость таких установок была в те годы еще велика, однако ученые ставили своей задачей их удешевление. Во всяком случае, существовала уверенность в том, что решение указанной задачи позволит существенно расширить область применения солнечных установок.

Еще раз напомним, что такие работы в нашей стране активно велись в самом начале 1950-х годов. Поэтому нельзя не огорчиться тому факту, что сегодня наше общество открывает для себя такие устройства заново. Причем, на этот раз – не через отечественные разработки, а через демонстрацию импортного солнечного оборудования, произведенного, чаще всего, в Китае.

Николай Нестеров

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Валентин Данилов

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

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

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

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

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

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

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

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

Работы ведутся при поддержке гранта РНФ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Николай Нестеров

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Диана Хомякова

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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