Есть у нас такая расхожая поговорка: «что русскому хорошо, то немцу – смерть». Формулировать ее можно, конечно же, и в обратном направлении. Эту поговорку мы стали всё чаще и чаще вспоминать, когда приступили к оценке перспектив глобального энергетического перехода, связанного с климатическими целями. Как мы знаем, среди всех стран-участниц ЕС Германия является безусловным лидером в вопросах построения низкоуглеродной экономики. В каком-то смысле на «немецкий путь» принято равняться как на наглядный образец реализации климатических целей.  

Так получилось, что в нашей стране к этому пути до сих пор сохраняется скептическое отношение со стороны отдельных политиков и представителей бизнеса.  Здесь-то как раз и приходит на ум упомянутая поговорка. Считается, что Германия – из-за очевидных различий в плане природно-климатических условий – вряд ли может служить для нас показательным примером. Скажем, отказ от ископаемого топлива для многих регионов нашей страны представляется просто-напросто убийственным решением.

И, тем не менее, как показал прошедший в августе VIII Международный технологический форум «Технопром-2021», у Германии и России есть серьезные точки соприкосновения в вопросах климатической политики и внедрения «зеленых» технологий. В этом нас убедило выступление Первого секретаря по вопросам окружающей среды и климата Посольства Германии в Москве Мирьям Бюденбендер. Ее доклад прозвучал на стратегической сессии, посвященной вопросам углеродного баланса российских регионов.

«Иногда кажется, будто у нас с Россией по этим вопросам нет никакого взаимодействия, и поэтому мы должны начинать здесь с нуля.  Но на самом деле в этой области уже есть хорошие примеры нашего сотрудничества, которые помогают нам понять, куда мы может вместе идти дальше», - отметила немецкая гостья. 

Она обратила внимание на само содержание европейского «зеленого курса», представленного Европейской Комиссии в декабре 2019 года. В июле этого года ЕС опубликовал более подробный экологический план так называемого «Европейского Зеленого Соглашения», где уже изложены конкретные меры по совместной реализации климатических целей. Как разъяснила Мирьям Бюденбендер, европейский «зеленый курс» – это достаточно широкий ПЛАН ДЕЙСТВИЙ по обеспечению эффективного использования ресурсов, достигаемого благодаря переходу к экологичной ЭКОНОМИКЕ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА. Данный переход будет способствовать сдерживанию климатических изменений, сохранению биоразнообразия и снижению уровня загрязнения. В своем экономическом аспекте «зеленый курс» дает представление о необходимых инвестициях и имеющихся финансовых инструментах.

«Главное, что мы должны знать о европейском «зеленом курсе» - то, что это масштабное, комплексное мероприятие, нацеленное на то, чтобы наше общество перешло к более устойчивым формам жизни. Это есть основной момент. Необходимо понимать, что «зеленый курс» не направлен на какой-то отдельно взятый сектор экономики. Он затрагивает общество и экономику в целом», - подчеркнула Мирьям Бюденбендер.

Комплексный характер этой стратегии наглядно отражается наличием большого количества самых разнообразных программ, поддерживаемых правительствами западных стран. Климатические цели не ограничиваются одним лишь переходом на возобновляемые («зеленые») источники энергии. Это - только одно из направлений деятельности. В России указанный момент частенько упускают из виду, когда начинают обсуждать климатическую повестку, зачастую не давая отчета в том, что она затрагивает огромное количество отраслей промышленности и направлений человеческой деятельности. Например, сюда включаются программы по созданию устойчивого сельского хозяйства, разработка и внедрение технологий замкнутого цикла в сфере производства, разработка технологий энергоэффективного строительства и реконструкции зданий. Есть и другие важные направления: ускорение перехода к экологически безопасной и интеллектуальной мобильности, создание справедливой, экологически безопасной и здоровой продовольственной системы, восстановление биологического разнообразия, безопасное обращение с отходами и так далее. Именно совокупность перечисленных направление как раз и формирует единый путь к декарбонизации и достижению климатических целей. «Поэтому, - отмечает Мирьям Бюденбендер, - здесь нельзя думать только о какой-то одной отрасли экономики».

В последнее время в России «зеленый курс» активно обсуждается в контексте принятия европейцами трансграничного углеродного налога. По этому поводу в нашей стране уже прокатилась волна дискуссий. Как мы знаем, со стороны некоторых российских экспертов уже сейчас раздаются панические высказывания относительно грядущего «удушения» наших экспортеров, скрупулезно подсчитываются возможные потери. Всё это, как обычно, сопровождается разговорами о «заговоре» против нашей экономики, рассуждениями о коварных планах Запада в отношении развивающихся стран и тому подобными страшилками. На самом же деле, как объяснила Мирьям Бюденбендер, углеродный налог – лишь составная часть комплексной (по содержанию) климатической политики, которую ни в коей мере нельзя сводить к данной законодательной инициативе.

К сожалению, именно такое фрагментарное восприятие «зеленого курса» порождает довольно вредные идеологические штампы с нашей стороны, не позволяющие увидеть картину в целом и выявить позитивные стороны этой стратегии - позитивные именно для нашего общества и для нашей экономики. По словам Мирьям Бюденбендер, среди представителей российского бизнеса есть вполне адекватное понимание необходимости углеродного регулирования. Если бы в России действовали соответствующие требования по ограничению выбросов парниковых газов, то данное обстоятельство, вне всяких сомнений, было бы учтено в европейских странах. В настоящее время между Россией и Европейским Союзом уже идут такие переговоры.

Как раз в этой связи особую важность приобретает наше сотрудничество с Германией по климатической повестке. Мирьям Бюденбендер напомнила, что начало этого сотрудничества уходит в 1992 год, когда было заключено межправительственное соглашение о совместной деятельности в области охраны окружающей среды. «Мы вместе с нашими русскими партнерами уже исполнили многие проекты. В их числе – достаточно успешные», - заметила она. На нынешнем этапе намечено исполнение еще четырех весьма крупных совместных проектов. Сюда входит, например, проект по климатически нейтральному обращению с отходами. Это очень серьезный проект, который может реализовываться как на федеральном уровне, так и на уровне региональных пилотных проектов. Есть проект по внедрению в России наилучших доступных технологий, направленных на осуществление климатически нейтральной хозяйственной деятельности. Также стоит упомянуть совместный проект по восстановлению торфяных болот и проект по сохранению биоразнообразия северных регионов нашей страны, реализуемый Всемирным фондом дикой природы.

В свете сказанного нетрудно понять, насколько обширным является возможный перечень взаимодействий с европейскими странами по климатической повестке. Как мы сказали выше, весьма некорректно сводить такое сотрудничество к решению какой-то частной задачи вроде юридических аспектов трансграничного углеродного регулирования для российских экспортеров или же к вопросу о переводе энергетического сектора на возобновляемые источники энергии. Еще раз напомним, что климатические цели предполагают огромный комплекс решений в самых разных областях социально-экономической деятельности наших стран.

И напоследок. Если оценить весь спектр таких решений, то можно заметить, что он охватывает почти все научно-исследовательские направления самых известных институтов Сибирского отделения РАН. Полагаю, что в дальнейшем имеет смысл осветить этот вопрос отдельно и более подробно.

Андрей Колосов

Открытия в области синтеза молекул для медицины, промышленности и других отраслей удостоились Нобелевской премии по химии в 2021 году. Лауреатами стали немецкий химик Беньямин Лист и американский химик Дэвид Макмиллан. В чем суть открытий и кому еще могла достаться премия, рассказывает «Газета.Ru».

Нобелевская премия по химии в 2021 году досталась немецкому химику, директору Института исследования угля Общества Макса Планка Беньямину Листу и профессору Принстонского университета Дэвиду Макмиллану за исследования в области асимметрического органокатализа. Имена лауреатов объявили на церемонии Нобелевского комитета в Стокгольме.

Асимметрический органокатализ изучает возможность проведения сложных асимметрических реакций, используя в качестве катализаторов небольшие органические молекулы, как правило, аминокислоты, некоторые амины и их производные.

Современные медицина, наука и индустрия во многом зависят от способности химиков создавать молекулы, которые будут тормозить развитие заболеваний, образовывать эластичные и прочные материалы, накапливать энергию в батареях и решать многие другие задачи. Для этой работы необходимы катализаторы — вещества, которые контролируют и ускоряют химические реакции, не становясь частью конечного продукта.

Например, катализаторы в автомобилях превращают токсичные вещества в выхлопных газах в безвредные молекулы. Наши тела также содержат тысячи катализаторов в виде ферментов, которые разбивают молекулы на блоки, необходимые для жизни.

Катализаторы — один из основных инструментов химиков. Долгое время считалось, что существует всего два их вида — металлы и ферменты. Лист и Макмиллан в 2000 году, независимо друг от друга, разработали третий тип катализа.

Он называется асимметрический органокатализ и строится на основе малых органических молекул.

«Эта концепция катализа настолько же проста, насколько и гениальна, и многие задавались вопросом, почему мы не додумались до нее раньше», — говорит Йохан Эквист, председатель Нобелевского комитета по химии.

Органические катализаторы имеют стабильный каркас из атомов углерода, к которому могут присоединяться более активные химические группы. Они часто содержат такие распространенные элементы, как кислород, азот, сера или фосфор. Это означает, что такие катализаторы экологически чисты и дешевы в производстве.

Органические катализаторы быстро стали популярными, и это связано, прежде всего, с их способностью к асимметрическому катализу. При построении молекул часто возникают ситуации, когда могут образоваться две разные молекулы, являющиеся зеркальным отражением друг друга, как руки или ноги у человека. Химикам часто нужна только одна из них, особенно при производстве фармацевтических препаратов — и асимметрический органокатализ позволяет получить именно ее.

С 2000 года органокатализ развивается с поразительной скоростью. Лист и Макмиллан остаются лидерами в этой области. Они показали, что органические катализаторы можно использовать для запуска множества химических реакций.

Используя эти реакции, исследователи теперь могут более эффективно создавать все, что угодно — от новых фармацевтических препаратов до молекул, способных улавливать свет в солнечных батареях. Так органокатализаторы приносят человечеству огромную пользу.

По прогнозам компании Clarivate Analytics, бывшего подразделения по науке и интеллектуальной собственности компании Thomson Reuters, премия могла достаться сингапурскому химику Барри Холливеллу за исследования в области химии свободных радикалов, включая роль свободных радикалов и антиоксидантов в заболеваниях человека.

Еще одним возможным кандидатом аналитики компании назвали профессора Йельского университета Уильяма Йоргенсена, эксперта в области вычислительной химии, внесшего большой вклад в изучение органических и биомолекулярных систем в растворах. Открытия Йоргенсена оказались полезны при разработке и синтезе многих лекарств.

Также лауреатом мог стать профессор Мицуо Савамото из японского Университета Тюбу. Он открыл и глубоко изучил катализируемую металлами «живую» радикальную полимеризацию, один из процессов получения высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных без образования побочных продуктов.

С инициативой проекта «Смартсити» некоторое время назад выступила Ассоциация «СибАкадемСофт». Изначально речь шла о некоем «Айтигородке», но со временем проект вырос до идеи строительства между Советским районом Новосибирска и Кольцово района научной и инновационной деятельности «Смартсити» с населением около 25 тысяч человек. Но хотя он еще в 2019 году был включен в концепцию Наукополиса Новосибирской агломерации, сроки реализации проекта оставались неопределенными. Изменить ситуацию к лучшему могут принятие программы «Академгородок 2.0» и старт строительства ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ)», состоявшийся в рамках «Технопрома 2021». 

Подробнее о сегодняшнем состоянии проекта, его связи с инициативой Шойгу о «новых городах в Сибири» и сибирских нюансах строительства «умных городов» - в интервью с председателем совета директоров Ассоциации «СибАкадемСофт» Ириной Травиной.

– Как Ваш проект «Смартсити» связан с программой развития Академгородка?

– Этот проект изначально рассматривался для реализации именно в Академгородке. Вообще «Смартсити» - это, по большому счету, не название, а определение того нового района, который мы предложили построить, его тип, если хотите. А над названием еще предстоит поработать. Сам проект мы рассматриваем  как попытку реновации всего Академгородка, сделать его точкой притяжения молодых (и не молодых) исследователей и разработчиков. А реалии сегодня таковы, что этого нельзя достичь развитием только собственно научной инфраструктуры, необходимо развивать саму территорию проживания, обеспечить высокое качество жизни людей на этой территории. В программе «Академгородок 2.0» этому аспекту, к сожалению, уделено не столь много внимания и наш проект ее дополняет.

– Не могли бы Вы конкретнее описать черты поселка, необходимые, чтобы он мог стать «точкой притяжения»?

– Когда мы приступили к этому проекту, мы составили для себя список вызовов, которые необходимо учесть при его проектировании и реализации. Прежде всего, опыт пандемии коронавируса говорит о том, что прежние концепции «умных городов» неизбежно будут несколько пересмотрены. Скорее всего, не будет нужды в больших деловых центрах, развитие дистанционного формата работы создает потребность в офисах нового типа. Это офис на одного человека на условиях time share – различные коворкинги, столики в кофейнях и так далее. А это уже совершенно другой подход к планированию территории. Надо учитывать также и то, что Россия, особенно Сибирь – это не Сингапур, у нас больше территории и мы можем позволить себе не тесниться в многоэтажных «муравейниках», жить более свободно. Что, кстати, более разумно и с точки зрения эпидемиологической безопасности. Есть у пандемии есть еще одно последствие: она затормозила отток людей из регионов в столицы. Благодаря развитию дистанционного формата работы, люди могут позволить себе сосредоточится при выборе жилья не близость к месту работы, а сосредоточиться на других приоритетах.

– Каких именно?

– Экологическая ситуация на территории проживания, безопасность, доступ к бесплатным, но качественным школам для своих детей, инфраструктура для комфортной дистанционной работы, те самые коворкинги и развитая сеть Интернета. Я подчеркну, это не просто наши измышления, мы это видим на примере людей, работающих в компаниях-резидентах нашего Академпарка. Он, кстати, спроектирован в прежней парадигме и в «Смартсити» рабочее пространство нужно будет проектировать уже иначе, под другую организацию труда.

– Есть еще какие-то особенности у Сибири в плане создания «умных городов»?

– Конечно. Это наш климат. Если посмотреть на фотографии и картинки, которые выдает поиск в Интернет при запросе «умный город», то преобладать будут летние пейзажи: солнечные улицы с обилием зелени, цветов и так далее. Но не будем забывать о наших климатических особенностях – долгая зима с обильными снегопадами и низкими температурами, недостаток солнечного света. И мы обязательно должны учесть это в нашем проекте «Смартсити», предложить какие-то технологии для проживания в таком климате. Это касается и вывоза снега с улиц, и организации внутренних зеленых пространств, крытых переходов между объектами общественных пространств, чтобы люди зимой выходили на улицу по своему желанию, а не по необходимости. В этом плане нам может быть полезен опыт Миннеаполиса, который еще называют «самым северным умным городом Америки». Он находится в зоне континентального климата, там не редкость и обильные снегопады зимой, и знойные дни летом. Что не помешало создать его жителям достаточно комфортные условия для проживания. Но, кстати, климатическая повестка говорит не только о проблемах, связанных с холодными зимами. Глобальное потепление сегодня стало очевидным долгоиграющим фактором, который мы тоже должны учитывать при проектировании городов. Нам не уйти от тренда на «низкоуглеродную» экономику и логика организации городского хозяйства обязательно должна это учитывать. Равно как и тот факт, что со временем среднегодовая температура на юге Сибири будет расти и это тоже надо учесть.

– Получается целый набор серьезных задач, которые надо решать.

– Да. И в этом смысле, «Смартсити» может стать неким полигоном, где будут апробированы решения, в том числе, и для тех новых городов-«миллионников», о которых с подачи Сергея Шойгу сейчас много говорят. Но не надо забывать, что при реализации нашего проекта нам будет нужно учитывать и локальные вызовы, связанные со спецификой именно нашего Академгородка.

– О чем идет речь?

– Их немало. Для примера приведу те, что касаются ИТ-отрасли, в которой я работаю. Перед нами стоит серьезная проблема нехватки кадров. Ежегодно вузы Новосибирска выпускают около двух тысяч программистов, около трехсот из них – НГУ. Но в связи с оттоком кадров в западные регионы России и за рубеж, ростом рынка труда в нашей отрасли, мы имеем дефицит специалистов. И решить эту проблему можно, в том числе, развитием территории, чтобы Академгородок стал не источником ценного кадрового ресурса для других регионов, а центром притяжения для «айтишников» со всей Сибири. Тем более, что определенные предпосылки у нас для этого есть. Сюда уже приезжает много программистов со всего Сибирского федерального округа, для повышения квалификации, улучшения своего резюме. И надо создавать условия, чтобы лучшие из них здесь и оставались. Чтобы выпускники видели, что здесь созданы оптимальные условия для жизни и работы, здесь – лучшие школы для их детей. Сделаем это и решим очень много своих кадровых проблем, причем, не только для ИТ-отрасли. Повторю, наш проект давно перерос изначальную концепцию «Айтигородка».

Свои вызовы привнесет и реализация научных проектов международного уровня, таких, как СКИФ, что подразумевает привлечение большого количества иностранных ученых и экспертов. Нам потребуются новые подходы к формированию инфраструктуры гостеприимства.

– А именно?

– Лучше всего это сформулировали сами иностранные ученые в опросе на тему, чтобы они хотели видеть здесь, делая выбор в пользу работы в России. Это, конечно, достойный уровень исследовательской инфраструктуры, перспективы для своей карьеры и наличие коллег, равных или превосходящих их по уровню компетенции. Но не только это. Им важны простой и понятный порядок получения виз и трудоустройства, простота смены статуса временного проживания на постоянный, получения российского гражданства детьми. А еще – условия пребывания семьи: распространенность английского языка, билингвальные детские сады и школы, возможности трудоустройства для членов семьи, уровень соцобслуживания и здравоохранения. Последние пункты как раз относятся к вопросам развития территории. И с этой точки зрения мы совсем не готовы.

– К вопросу о готовности. Насколько далеко сегодня вообще продвинулась реализация Вашего проекта?

– Проект был представлен на Координационном совете под председательством губернатора области по развитию Плана Новосибирского научного центра до 2036 года и было принято решение о проработке механизмов его реализации. Сложность заключается в том, что этот «Смартсити» нельзя просто выставить на тендер для поиска какого-то единого инвестора, так как никто у нас не занимается строительством новых городов «под ключ». И сейчас надо понять, как привлекать участников, может быть формировать некий их пул. Мне кажется, наиболее разумным решением будет действовать в рамках закона № 494-ФЗ о комплексном развитии территорий. Потому что проект как раз про комплексное развитие территории, причем, большого Академгородка, включающего и правый берег Советского района, и Кольцово, и земли Новосибирского района. Если посмотреть с точки зрения географии, наш «Смартсити» выступает для них хорошим связующим звеном.

Сергей Исаев

Лауреатами Нобелевской премии по физике в 2021 году стали американский ученый японского происхождения Сюкуро Манабэ из Принстонского университета, немец Клаус Хассельман из Института метеорологии Макса Планка и итальянец Джорджио Паризи из Римского университета Ла Сапиенца.

Три кандидата разделили между собой премию за исследования в области хаотических и случайных явлений. Сюкуро Манабэ и Клаус Хассельман, получившие по ¼ награды, заложили фундамент наших знаний о земном климате и о том, как человечество влияет на него. Джорджио Паризи, получивший половину премии, внес революционный вклад в теорию неупорядоченных материалов и случайных процессов.

Сложные системы характеризуются случайностью и неупорядоченностью, и потому их сложно понять. Премия этого года отмечает новые методы их описания и долгосрочного предсказания поведения.
Одна из таких сложных систем, обладающая жизненной важностью для человечества – климат планеты Земля.

Сюкуро Манабэ продемонстрировал, как повышение уровня углекислого газа в атмосфере ведет к росту глобальной температуры поверхности.

В 1960-х годах он возглавлял разработку физических моделей земного климата и был одним из первых, кто исследовал взаимодействие между радиационным балансом поверхности Земли и вертикальным перемещением воздушных масс. Его работа легла в основу современных климатических моделей.

Примерно десять лет спустя, Клаус Хассельман разработал модель, которая объединяет в себе погоду и климат, ответив таким образом на вопрос, почему модель климата может быть достоверной, несмотря на то, что погода всегда меняется. Он также разработал методы идентификации сигналов, характерных следов, которые оставляют в климате как природные явления, так и человеческая деятельность. Его методы были использованы для доказательства того факта, что повышение температуры воздуха связано с антропогенными выбросами углекислого газа.

Ученые Манабе и Хассельман стали первыми, кто понял и оценил роль моделирования климата в оценке и предсказании глобального потепления Земли. Об этом «Газете.Ru» рассказал член межправительственной группы экспертов по изменению климата ООН (IPCC), руководитель лаборатории Института океанологии РАН Сергей Гулев.

«Это абсолютно заслуженная премия абсолютно выдающимся людям, которые творили на заре изучения физики климата, когда климатические модели находились на еще эмбриональном уровне. Но даже тогда Манабе смог сформулировать, какая должна быть компоновка, структура модели, и на что при моделировании климата надо обращать внимание, в том числе на антропогенное изменение климата, — рассказал Гулев.

По словам Гулева, Хассельман сформулировал фундаментальные принципы того, как формируется климатическая изменчивость планеты на различных масштабах, что в ней есть быстрая и медленная компоненты, связанные с атмосферой и океаном. Но самое главное, что он потом, уже в 90-е и 80-е годы стал тем человеком, который, будучи директором Института Макса Планка в Гамбурге создавал одну из лучших на сегодня климатических моделей ECHAM. Версий этой модели много, они обновлялись каждые три-пять лет, и многие сегодня существующие модели в полной степени используют идеи Хассельмана».

Сегодня в мире есть более сотни климатических моделей. «Сегодня вы можете не просто брать известные уравнения, а брать блоки отдельных – американской, французской, русской… и составлять свою новую модель, как из конструктора. Но того, чтобы это стало технологией, мы не достигли бы без этих двух выдающихся людей», — добавил ученый.

Примерно в 1980-х годах Джорджио Паризи открыл скрытые структуры в неупорядоченных сложных материалах. Его открытия стали одним из важнейших вкладов в теорию сложных систем.

Работы Паризи дали возможность понять и описать множество явлений и структур, которые, на первый взгляд, кажутся совершенно случайными.

Применение этому нашлось не только в физике, но и во множестве других отраслей, включая математику, биологию, науки о мозге и машинное обучение.

«Открытия, которые мы отметили в этом году, демонстрируют, что наше знание о климате базируется на твердом научном фундаменте, основано на тщательном анализе наблюдений. Все лауреаты этого года углубили наше понимание свойств и эволюции сложных физических систем», – подвел итог Торс Ханс Ханссон, член Нобелевского комитета по физике.

Ранее эксперты называли других возможных кандидатов. Так, компания Clarivate Analytics, занимающаяся изучением научной информации, предсказала награждение Джорджио Паризи на основе анализа данных о цитировании и, кроме него, предлагала также Алексея Китаева, профессора теоретической физики и математики в Калифорнийском технологическом институте и Институте квантовой информации и материи (США). Ему премию могли присудить за топологические квантовые вычисления, в которых квантовая информации закодирована и защищена с использованием топологических свойств систем многих тел.

Ученые Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирского государственного университета (НГУ), участвующие в международной коллаборации по поиску темной материи DarkSide, обнаружили новое явление в физике регистрации ионизирующего излучения, при котором появляются необычные медленные компоненты в регистрируемом сигнале. Данные были получены на оборудовании, изготовленном в ИЯФ СО РАН специально для этого эксперимента.

Специфические исследования космоса показывают, что примерно 25 % от общей массы Вселенной занимает темная материя — форма материи, которая недоступна прямому наблюдению и проявляется только в гравитационном взаимодействии. Обычная материя, состоящая из барионов, занимает только около 5 %. Всё остальное — темная энергия, некая теоретическая величина-константа, которая описывает непрерывное расширение Вселенной. Существование темной материи — одна из главных загадок современной физики, поскольку она недоступна прямому наблюдению. По всему миру проводятся эксперименты, нацеленные на поиск частиц темной материи с помощью наземных детекторов. Один из крупнейших в этой области проводит международная коллаборация DarkSide в Национальной лаборатории Гран-Сассо (Италия), где более 10 лет ведется набор данных с помощью детектора DarkSide-50. С 2015 года в эксперименте участвует объединенная группа из ИЯФ СО РАН и НГУ, которая ведет исследования на своем детекторе. С его помощью удалось обнаружить необычное явление, которое предполагается включить в теоретическую модель эксперимента DarkSide.

«Наличие скрытой массы во Вселенной теоретически доказано, но что она на самом деле собой представляет, какова ее природа, — неизвестно. Есть ряд экспериментов по прямому поиску темной материи. Они проводятся на большой глубине под землей, чтобы свести к минимуму воздействие космических лучей, с помощью специальных детекторов на основе благородных газов — аргона и ксенона. Это криогенные двухфазные детекторы, где жидкость служит мишенью для частиц темной материи. При взаимодействии с мишенью эти частицы вызывают физические процессы, приводящие к свету и ионизации. Ионизация регистрируется в виде электролюминесцентного сигнала в двухфазных детекторах. Именно он нас заинтересовал, потому что он может использоваться для регистрации частиц темной материи малой массы. Мы имеем возможность изучать подобные сигналы у себя в институте, на прототипе двухфазного детектора на основе жидкого аргона», — прокомментировал старший лаборант и аспирант ИЯФ СО РАН Егор Фролов.

В ходе исследований группа новосибирских ученых столкнулась с новым явлением в физике регистрации излучения. Речь идет о появлении необычных медленных компонент в сигнале детектора. Их необычность в том, что неизвестно откуда они появляются, и в том, что они возрастают с увеличением электрического поля. Эти компоненты новосибирские физики обнаружили на своем детекторе первыми.

«Что это за эффект, никто не знает, — отметил главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Алексей Бузулуцков. — В экспериментах DarkSide при низких энергиях также наблюдаются странные, пока необъяснимые эффекты. Такие эффекты есть не только в аргоновых, но и в ксеноновых детекторах и зависят от электрического поля. Возможно, это результат задержек электронов ионизации на метастабильных состояниях атомов при регистрации частиц. DarkSide-50 работает при низком поле, и там такого явления не наблюдается. А наш детектор работает и при низких, и при высоких электрических полях. Последнее измерение показало, что порог появления наших медленных компонент выше рабочих полей эксперимента DarkSide. Но если они поднимут поле, то этот эффект повлиял бы на результаты измерений».

В данный момент ученые находятся на этапе построения теоретической модели. Основная их цель — выяснить природу необычных медленных компонент и описать ее. Для построения теоретической модели необходимо провести еще несколько экспериментов. Полное описание данных, полученные на детекторе, физики планируют представить в течение года. Промежуточные результаты были озвучены Егором Фроловым на двух международных коференциях — INSTR20 и TIPP2021 — и на конкурсе молодых ученых ИЯФ СО РАН (секция физики элементарных частиц).

Прототип двухфазного детектора изготовлен специально для проекта DarkSide. Объем камеры составляет 10 литров (для сравнения: стандартный детектор по поиску темной материи рассчитан на 100 литров), в нем можно использовать до 4 кг жидкого аргона. Основной плюс детектора в том, что благодаря сравнительно малым габаритам можно быстро менять его конфигурацию: разбирать, собирать, что-то менять. Например, убрать или добавить переизлучатель (сместитель спектра), поменять электроды, катоды и так далее. Это позволяет новосибирским ученым оперативно подстраиваться под задачи эксперимента и проводить исследования на мировом уровне.

«Сегодня в мире насчитывается больше десятка экспериментов по прямой регистрации частиц темной материи, — сказал Алексей Бузулуцков. — Будущее в этом направлении науки за двухфазными детекторами, в частности, аргоновыми. Сейчас в Италии строится фабрика по производству обедненного аргона, очищенного от радиоактивных примесей, и реализуется проект DarkSide-20k. Это детектор, в котором используется 20 тонн жидкого аргона в активной области. К концу текущего десятилетия планируется увеличить этот объем до 400 тонн. Скорее всего, все детекторы по поиску темной материи объединятся в одну глобальную коллаборацию. Мы, как ее часть, продолжим развивать свой сегмент».

Установка DarkSide-50 расположена в подземной лаборатории Гран-Сассо итальянского Национального института ядерной физики (INFN). Над экспериментом работают исследовательские институты из Бразилии, Испании, Италии, Китая, Польши, США, Франции и России. Помимо ИЯФ и НГУ от российской стороны в коллаборацию входят Объединенный институт ядерных исследований, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Институт теоретической и экспериментальной физики им. А. И. Алиханова, Петербургский ядерный физический институт им. Б. П. Константинова, Белгородский государственный национальный исследовательский университет.

За открытие рецепторов тепла, холода и прикосновений присуждена Нобелевская премия в 2021 году. Американским ученым Дэвиду Джулиусу и Ардему Патапутяну удалось выяснить, как именно организм определяет перепады температур и давление, а также какую роль обнаруженные рецепторы играют во многих процессах жизнедеятельности, включая дыхание и кровяное давление. О важности их открытий «Газете.Ru» рассказал директор ФБГУ «Федеральный центр мозга и нейротехнологий» Всеволод Белоусов.

Лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине в 2021 году стали американский физиолог Дэвид Джулиус из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и американский молекулярный биолог и нейробиолог Ардем Патапутян из Института Скриппса за открытие в клетках ионных каналов, реагирующих на температуру и прикосновения. Об этом сообщили представители Нобелевского комитета. Имена лауреатов объявили на церемонии Нобелевского комитета в Стокгольме.

Абсолютно заслуженным присуждение премии Джулиусу и Патапутяну считает директор ФБГУ «Федеральный центр мозга и нейротехнологий» Федерального медико-биологического агентства, доктор биологических наук, профессор РАН Всеволод Белоусов.

«Это всемирно известные ученые, особенно Джулиус, который не только открыл эти ионные каналы, он, пожалуй, самый известный человек среди тех, кто эти каналы изучает. Ему, я думаю, Нобелевская премия светила в любом случае. Патапутян также участвовал в исследовании пьезоканалов, которые преобразуют механическую энергию в электрические импульсы», – рассказал эксперт «Газете.Ru».

Способность человека ощущать тепло, холод и прикосновения интересовала исследователей столетиями. В XVII веке философ Рене Декарт предположил, что существуют некие нити, соединяющие различные участки кожи с мозгом — и, например, если поднести руку к огню, к мозгу по такой нити отправится сигнал о сильном жаре. Дальнейшие наблюдения подтвердили, что есть специализированные сенсорные нейроны, реагирующие на изменения окружающей среды.

«Однако до открытий Джулиуса и Патапутяна было неясно, как температурные и механические стимулы преобразуются в нервной системе в электрические импульсы», — отмечается в сообщении Нобелевского комитета.

Во второй половине 1990-х годов Джулиус использовал капсаицин — жгучее вещество из перца чили, — чтобы найти теплочувствительные рецепторы.

Уже было известно, что капсаицин активирует нервные клетки, вызывая болевые ощущения. Команда Джулиуса собрала библиотеку из миллионов фрагментов ДНК, соответствующих генам, которые экспрессируются в сенсорных нейронах, реагирующих на боль, тепло и прикосновения. Экспрессируя отдельные гены из этой коллекции в культурах клеток, ученые смогли найти тот самый единственный ген, который делал клетки чувствительными к капсаицину.

Эксперименты показали, что этот ген кодирует ранее неизвестный белок ионного канала. Новый рецептор, который активировался при температуре, воспринимаемой как болезненная, ученые назвали TRPV1.

Далее Джулиус и Патапутян независимо друг от друга с помощью ментола обнаружили рецептор TRPM8, реагирующий на холод. Также ученым удалось открыть дополнительные ионные каналы, связанные с этими рецепторами и активируемые при воздействии различных температур.

Патапутян также искал ответ на вопрос о том, как механические стимулы преобразуются в ощущения прикосновения и давления. Его команда колола микропипеткой отдельные клетки, пока не удалось обнаружить линию клеток, дававших в ответ на это измеримый электрический сигнал.

Затем исследователи определили 72 гена-кандидата, которые кодировали возможные клеточные рецепторы. Отключая эти гены один за одним, исследователи обнаружили тот, который отвечал за механочувствительность в клетках. Так они открыли ионные каналы Piezo1, в большом количестве присутствующие в сенсорных нейронах, а затем схожие с ними Piezo2. Оба канала активировались непосредственно при давлении на клеточные мембраны.

Последующие исследования также показали, что Piezo1 и Piezo2 регулируют многие важные физиологические процессы — дыхание, кровяное давление, работу мочевого пузыря и т. д.

Открытия Джулиуса и Патапутяна позволили понять, как тепло, холод и механические воздействия позволяют нам воспринимать окружающий мир и адаптироваться к нему, реагировать на температуру, осязать и ощущать движение частей собственного тела. Они дали начало множеству новых исследований, посвященных роли обнаруженных рецепторов в различных физиологических функциях. Сейчас полученные знания используются для разработки методов лечения широкого спектра заболеваний.

По словам Белоусова, новые открытия в области ионных каналов помогут ученым в разработке новых болеутоляющих препаратов.

«Ионные каналы есть у всех животных, и у людей. TRP-каналы ответственны за наше ощущение тепла, холода, они же способны чувствовать другие параметры. Помимо этого они отвечают за болевую чувствительность, а это значит, что нужно разрабатывать разного рода анальгетики, которые воздействуют на эти TRP-каналы», — считает ученый.

Кроме того, эти открытия привели к появлению новой научной области — термогенетики.

«Это – то, чем мы с коллегами и еще несколько лабораторий в мире занимаемся. Мы используем эти каналы, чтобы управлять активностью разных клеток, например – поджелудочной железы. Мы берем эти каналы и помещаем их в другие клетки, в которых их обычно нет, делаем их чувствительными к температуре. Тем самым мы можем управлять активностью нейронов или выбросом инсулина с помощью разных способов нагрева – инфракрасного излучения, или сфокусированного ультразвука, — добавил Белоусов. – Эти методы можно применять для новой терапии эпилепсии, в создании всем известных интерфейсов мозг-компьютер».

Институт цитологии и генетики СО РАН заключил соглашение с Ботаническим садом СО РАН о совместной работе в области интродукции новых для России овощных культур, предназначенных для функционального и диетического питания.

В последнее время тема функционального питания становится все актуальнее. Напомним, под этим термином подразумевают введение в рацион продуктов (включая овощные культуры), содержащих вещества, благоприятно действующие на здоровье человека или благоприятно действующие при определенных функциональных состояниях. Например, для снижения риска развития ряда заболеваний или в целях компенсации дефицита необходимых для человека витаминов и микроэлементов.

Научные сотрудники Ботанического сада СО РАН давно занимаются интродукцией нетрадиционных для Сибири (и вообще для России) теплолюбивых овощей, причем критерием отбора являются как раз их полезные свойства. Развитие этого направления привело к идее совместного проекта с Институтом цитологии и генетики СО РАН.

«Специфика Ботанического сада – это сбор и сохранение коллекций образцов различных растений, районирование каких-то культур, и в этом отношении они достигли хороших результатов, у них достаточно богатая коллекция экзотических для нашей страны, но распространенных в других климатических зонах овощных культур, которые уже приспособили и к сибирским условиям. А вот изучение того, как употребление этих овощей в пищу сказывается на работу организма на разных уровнях – это уже компетенция нашего института», - рассказал заместитель директора ФИЦ ИЦиГ СО РАН по инновационной деятельности, к.ф.-м.н. Пётр Куценогий.

Генетики могут исследовать эти процессы разными способами – на клеточных культурах, лабораторных животных и с помощью биоинформатических моделей. А в результате, получить список наиболее перспективных видов овощей, которые затем будут переданы в работу селекционерам, для создания новых сортов, пригодных для массового выращивания в России. В конце концов, когда-то картофель, который сейчас называют «вторым хлебом россиян», тоже был экзотическим гостем на наших огородах.

Подписав соглашение, ИЦиГ и Ботсад не намерены затягивать с началом работ, в ближайшие месяцы будут определены подразделения, вовлеченные в выполнение данного проекта, определен порядок финансирования работ по нему (по крайней мере, на начальном этапе) и в начале следующего года ученые рассчитывают приступить непосредственно к исследовательской части.

Пресс-служба ИЦиГ СО РАН

Криптография – одна из старейших наук, ее история насчитывает несколько тысяч лет. Еще в Древней Греции спартанцы применяли свой знаменитый шифр «сцитала», а его дешифрованием занимался великий Аристотель. Да и на Руси тайнопись (так в старину называли криптографию) существовала задолго до монгольского нашествия. А когда в 1549 году при Иване Грозном был образован Посольский приказ, в его составе почти сразу возникло «цифирное отделение», занимавшееся шифрованием наиболее важных депеш.

Уже к началу XIX века российская криптография и криптоанализ (наука о методах дешифрования секретной информации) становятся одними из лучших в мире. Эти позиции нашим ученым удалось сохранить и в последующие годы, как в советскую, так и постсоветскую эпохи. Свежие результаты своей работы российские исследователи представили на SIBECRYPT - конференции по криптографии и компьютерной безопасности в России, которая ежегодно проходит в разных городах Сибири. Юбилейная, двадцатая конференция состоялась в Новосибирске. И мы представляем интервью с председателем её оргкомитета, с.н.с. Института математики СО РАН, руководителем Криптографического центра на базе ИМ СО РАН и Новосибирского государственного университета Натальей Токаревой.

–Наталья Николаевна, сначала вопрос, который интересует многих - скажите, возможно ли в принципе создать «неприступную защиту» для передачи и хранения информации? Шифр, который нельзя взломать? Или это похоже на «вечную» историю борьбы«брони и снаряда»?

– Интересно, что такой вопрос действительно задают каждый раз. Может быть, потому что он наиболее понятен тем, кто с криптографией не очень знаком. «Неприступную защиту» для информации создать можно. Такого рода шифры (невскрываемые даже теоретически при предположении, что мы можем перебрать все варианты ключа) известны уже как минимум сто лет. Например, шифр «одноразовый блокнот», конструкция которого очень проста, вы без труда ее найдёте. Позднее подобные шифры получили название «совершенно секретных». Но несмотря на то, что они действительно невскрываемые, они очень неудобны в использовании. Поэтому современная криптография постоянно ищет новые решения, балансируя между стойкостью, скоростью шифрования и удобством протокола использования шифрсистемы.

– Раз речь пошла про современную криптографию, перейдем к конференции, расскажите вкратце о SIBECRYPT, для чего она проводится и какие выступления были самыми интересными?

– SIBECRYPT – это крупная международная конференция по криптографии и компьютерной безопасности, одна из ведущих по этой тематике в России. Её цель - обсуждение фундаментальных математических проблем криптографии и защиты информации в компьютерных системах и сетях, обмен научными результатами по развитию теоретических основ и созданию программно-аппаратных средств компьютерной безопасности.

В этом году конференция впервые проходила без её создателя и бессменного председателя программного комитета - Геннадия Петровича Агибалова. Геннадий Петрович внес неоценимый вклад в становление криптографии в Сибири. Он создал блестящую кафедру криптографии и компьютерной безопасности в Томском госуниверситете, основал научный журнал «Прикладная дискретная математика»,организовал конференцию SIBECRYPT, с полной самоотдачей работал со студентами. Теперь конференция посвящена его памяти.

Выделить самые интересные выступления трудно. На мой взгляд, самое интересное обсуждается в кулуарах. Как правило, это дополнения к докладам, новые, еще не доведённые до конца исследования. Вот и в этот раз нам удалось пообщаться не только на докладах и кофе-брейках, но и на традиционном творческом вечере, провести отличный спортивный матч и экскурсию в Институт ядерной физики, в музей под открытым небом. Встречу мы завершили экскурсией-прогулкой по Академгородку, – за что отдельная благодарность Анастасии Близнюк.

Что касается докладов, отдельно отмечу пленарные доклады белорусского ученого Сергея Агиевича «XS-схемы: скрытие тактовых оракулов и другие вопросы» и его московского коллеги Александра Черемушкина «Линейная декомпозиция функций p-значной логики». Среди секционных докладов очень интересными были выступления о сокрытии информации в изображениях и новых оригинальных методах восстановления такой информации; о подходах к построению компонент современных шифров и связанныхс ними математических задачах; о криптосистемах с открытым ключом, таких как криптосистема Мак-Элиса, и их стойкости.

– Не могли бы Вы рассказать о некоторых из этих тем подробнее, так чтобы было понятно неспециалисту. Например, что такое «сокрытие информации в изображениях»?

– Сама по себе тема эта не новая. Берется какое-то изображение и в него вносится дополнительная информация, которая обычно не видна стороннему наблюдателю. Например, меняются какие-то отдельные биты или пиксели. Сама картинка вроде бы заметно не изменилась, но на самом деле, в нее заложена дополнительная информация. Тем самым скрывается сам факта передачи информации. Простой метод извлечения такой информации – сравнить преобразованную картинку с исходным вариантом. А на конференции рассматривалась немного другая задача, когда поиск и анализ заложенной информации производится в отсутствие исходного изображения. Делается это с помощью средств машинного обучения, когда нейросеть учится «видеть» заложенное в таких графических контейнерах сообщение. И очень интересно было послушать, как происходит это обучение. В частности, для меня новым был тот факт, что можно таким образом научить программу извлекать не одиночную вкладку, а целую их серию – изображения, наложенные друг на друга.

– А что такое криптосистемы с открытым ключом и почему они интересны?

– Вся криптография делится на два направления, симметричные криптосистемы, или системы с секретным ключом, и ассиметричные криптосистемы, или криптосистемы с открытым ключом. Первое направление известно уже много тысячелетий, в его рамках один и тот же ключ используется как для зашифрования, так и для расшифрования информации. А второе направление начало развиваться с 1976 года, и оно принципиально отличается от первого. В этих системах абонентами для передачи информации используются два ключа: один ключ секретный, он известен только одному абоненту и не требует никакой передачи (так, кстати, решается проблема распределения ключей), а второй ключ находится в открытом доступе, например, публикуется на каком-то сайте. И теперь, если один абонент хочет отправить другому секретное сообщение, он берет открытый ключ получателя, с его помощью зашифровывает сообщение, а адресат расшифровывает послание с помощью своего секретного ключа, который есть только у него. Тем самым, гарантируется, в некоторой степени, конечно, защита информации. Конечно, имея в распоряжении открытый ключ, возможно восстановить и секретный ключ, но это требует столь значительных временных и вычислительных ресурсов, что задача становится неактуальной.

– Интернет-мессенджеры работают с использованием таких систем? Тот же Телеграмм?

– В современных реалиях, как правило, комбинируют оба направления, и симметричное, и ассиметричное. Сначала с помощью систем с открытым ключом абоненты устанавливают общий секретный ключ, а дальше обычно используют методы симметричной криптографии.

– Каковы позиции российских и, в частности, новосибирских ученых в современной криптографии?

– В советское время вся криптография у нас была засекречена, поэтому открытые научные школы в области криптографии и информационной безопасности только начинают складываться. Это группы в столичных вузах, в Томском государственном университете, в Калининграде, в Новосибирске, в других городах. В Новосибирске около десяти лет мы проводим научные исследования в Криптографическом Центре (www.crypto.nsu.ru) на базе Института математики СО РАН и НГУ. Наша группа хорошо известна в России и за рубежом, благодаря работам в области криптографических булевых функций (недавно, весной 2021 года, по этой теме защитили кандидатские диссертации мои аспиранты), а также благодаря тому, что именно здесь, в Новосибирске, семь лет назад появилась Международная олимпиада по криптографии NSUCRYPTO. Сейчас это очень известное мероприятие, единственная международная олимпиада в этой области, ежегодно собирающая в среднем по 700 участников из 40-50 стран. Мы ей очень гордимся.

– Над чем Вы с коллегами работаете сейчас?

– Мы проводим криптоанализ блочных и поточных шифров, развиваем новые направления, связанные с постквантовой криптографией и блокчейн-технологиями.

– И снова попрошу объяснить «для чайников»: что такое постквантовая криптография и чем она отличается от квантовой?

– Если кратко, квантовая криптография – это попытка использовать особенности квантовых алгоритмов в криптографических целях, для построения криптосистем и методов их анализа. Но с этим пока проблема, таких алгоритмов мало, это скорее направление «на будущее». А постквантовая криптография – это разработка новых криптосистем на основе предположения, что квантовые компьютеры уже созданы, есть квантовые алгоритмы, которые можно на них реализовать, понизив тем самым стойкость существующих криптосистем. Это тоже своего рода работа «на будущее», но уже то, которое наступит после внедрения квантовых компьютеров.

– Касательно блокчейн-технологий, расскажите о Вашей работе в этом направлении?

– Это не майнинг (смеется). Блокчейн – это большая тема, связанная с другой областью на стыке математики и информационных технологий, темой распределенных реестров. И мы занимаемся изучением ряда алгоритмов, на основе которых работает это направление. То есть, не создаем криптовалюты, а изучаем механизмы, которые потом могут использоваться, в том числе, в их создании, но не только. В частности, нас интересует алгоритм сокрытия данных в этих распределенных реестрах, особенно протоколы с нулевым разглашением, которые для этого используются. Но это уже область математики, понимание которой требует определенного фундамента знаний и объяснить ее, как говорится, «на пальцах», наверное, не получится.

– Я понимаю, что большинство прикладных разработок в криптографии носят, так скажем, конфиденциальный характер, поэтому в общих словах –интерес к работе отечественных ученых в этом направлении проявляют в основном государственные структуры или коммерческие тоже? Есть у нас в стране вообще коммерческий рынок криптосистем?

–  Да, коммерческий рынок есть. В последние десять лет он довольно активно развивается. На нем есть признанные флагманы, такие как компании «КриптоПро», «КриптоНит», «ИнфоТеКС». Они создают собственные новые продукты – протоколы для безопасных Wi-Fi сетей и многое другое, что находит применение именно у нас в стране. Они сотрудничают как с госструктурами, так и с банками, и другими коммерческими организациями. Если говорить про нашу группу, то к нам интерес проявляют, прежде всего, государственные структуры и наше взаимодействие состоит больше в обсуждении научных результатов, чем в их приложении, поскольку мы занимаемся теоретическими исследованиями.

Сергей Исаев

На открытии международной научной конференции «ФОТОНИКА 2021» в Академгородке был продемонстрирован ряд новых отечественных тепловизоров, приборов ночного видения и других разработок в области оптических технологий.

Институт физики полупроводников им. Ржанова (ИФП) СО РАН относится к тем немногим научным учреждениям, где занимаются не только исследованиями, но и внедрением их результатов в производство. Новая разработка сразу рассматривается с заделом на мелкосерийное производство силами самого института, что позволяет преодолеть разрыв между наукой и производством, который сегодня является серьезной проблемой для российской экономики.

«Поэтому конференция «ФОТОНИКА», которую мы проводим раз в два года, вызывает большой интерес не только среди ученых, но и у наших промышленных партнеров», — отметил «Континенту Сибирь» директор ИФП СО РАН, академик РАН Александр Латышев.

Среди участников конференции – представители многих ведущих российских производителей микроэлектроники, а программа включает в себя не только обсуждение научных проблем, но и демонстрацию новых разработок «в материале».

Не стала исключением и эта конференция. Ее участникам были представлены малогабаритная тепловизионная камера для дальнего инфракрасного диапазона “Виктория-3РД-М” и тепловизионный канал для среднего инфракрасного диапазона с фотоприемником «Фонон». Оба прибора, по словам представителей института, не уступают французским аналогам (которые считаются мировым эталоном качества в этой области), но полностью разработаны отечественными учеными и состоят из комплектующих российского производства. Таким образом решается актуальная задача импортозамещения в этой области. Эти тепловизоры имеют широкий диапазон не только военного, но и гражданского применения: например, для техники, работающей в условиях плохой видимости (при тушении пожаров и т.п.), мониторинге лесных пожаров со спутников, или при поиске утечек тепла на инфраструктурных объектах.

В следующем году в институте рассчитывают произвести несколько десятков или даже сотен таких приборов своими силами. И одновременно – работают над созданием портативных, но столь же чувствительных моделей, чьи размеры и вес приближаются к обычному биноклю.

Другое важное направление исследований, проводимых в ИФП СО РАН – фотодиоды для однофотонных систем квантовой связи, которые обеспечивают абсолютную защищенность передаваемой информации.  Физики Академгородка стали одними из мировых пионеров этой, только зарождающейся технологии. По словам Латышева, у нее большие перспективы применения, причем не только в сфере связи, но и для производства квантовых компьютеров. Результаты своей работы ученые на этой неделе покажут представителям Минпромторга РФ и в случае поддержки со стороны ведомства, надеются на следующей конференции «ФОТОНИКА» продемонстрировать уже готовый прибор, работающий по этой технологии.

На открытии конференции состоялось вручение академику РАН Александру Асееву золотой медали им. К.А. Валиева за выдающиеся заслуги в области микро- и наноэлектроники. Эту награду учредила Академия наук к 90-летнему юбилею академика Камиля Валиева, которого считают одним из основателей отечественной микроэлектроники. А академик Асеев стал ее первым лауреатом.

В Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН продолжаются работы по модернизации источника нейтронов для проведения бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ). Ученые из Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, участвующие в этом комплексном проекте, помогают оптимизировать облучение пациентов, рассчитывая дозу излучения.

Решением задачи дозиметрии занимаются не только физики-экспериментаторы, но и специалисты в области вычислительной математики. «Для качественного проведения БНЗТ нужно, чтобы полезная доза, полученная пациентом, была существенно больше вредной дозы при облучении, — объяснил научный сотрудник ИЯФ СО РАН и ИВМиМГ СО РАН кандидат физико-математических наук Евгений Андреевич Берендеев. — Полезной мы называем борную дозу, которая возникает вследствие захвата теплового нейтрона бором. Это именно та реакция, которая нужна для лечения. Она разрушает клетки опухоли, в которых бор накапливается активнее всего. Остальные компоненты, получаемые при облучении пациента, то есть дозы от тепловых нейтронов, от быстрых нейтронов и гамма-излучения, мы условно называем вредными, поскольку они неселективные. Для качественного проведения терапии нужно обеспечить максимальное преобладание полезной компоненты над всеми остальными, поэтому так важно провести дозиметрию излучения».

Увеличение доли полезной борной дозы требует замедления нейтронов, в результате чего они и приобретают терапевтические свойства. Эксперименты по измерению пространственного распределения дозных компонент излучения проводили в водном фантоме со специально разработанными датчиками, регистрирующими излучение. Поскольку клетки человека состоят в основном из воды, данный резервуар является достаточно точным приближением. 

Получив результаты компьютерного моделирования и проведя эксперименты с водным фантомом, ученые нашли материал для замедлителя, более подходящего для терапии, чем обычно рассматриваемый фторид магния. 

Разработанный метод поможет в краткие сроки вычислять оптимальные формы замедлителя в конкретных случаях, задавать разные параметры пучка и оценивать вклад каждой дозы. Результаты расчетов показали, что можно подобрать форму замедлителя, которая позволяет увеличить отношение борной дозы к остальным компонентам до шести раз, используя при этом меньшую энергию протонного пучка.

«С помощью моделирования мы можем детально посмотреть распределение дозы в 3D во всей голове человека и учесть расположение опухоли, что незаменимо при реальной терапии, когда невозможно поместить датчики в голову пациента для оценки дозы, — добавила Татьяна Викторовна Сычева, инженер ИЯФ СО РАН. — Однако наши возможности ограничены ресурсами. Например, сейчас мы анализируем лишь двумерный срез небольшой области водного фантома, так как расчеты требуют значительного объема времени. Для того чтобы моделировать процессы при терапии в реальном времени, нужны дополнительные вычислительные мощности. Подобная инфраструктура уже есть в Сибирском суперкомпьютерном центре СО РАН, где можно использовать сразу несколько вычислительных узлов по 32 вычислительных ядра и производительностью 1331.2 миллиардов операций с плавающей точкой за секунду (Gflop/s)».

Использование вычислительных ресурсов суперкомпьютеров позволит математикам усовершенствовать дозиметрию излучения в БНЗТ. Новые разработки подкрепят прогресс в применении терапии, наблюдаемый в ИЯФ СО РАН на протяжении последних десяти лет. Так, например, в институте уже был реализован метод измерения суммарной дозы быстрых и тепловых нейтронов, а для измерения борной дозы разработан детектор с полистирольным сцинтиллятором.

Глеб Сегеда

Фото предоставлены исследователями