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

Как мы знаем еще из школьной истории, с древнейших времен человек вырубает леса под пашни и продолжает это делать по сию пору. Так, по последним данным, в Бразилии тропические леса в течение последнего десятилетия сокращаются невиданными темпами, что пагубно сказывается на «легких планеты». Собственно, так происходит везде (о чем мы уже писали). На месте вырубленных лесов появляются бескрайние однородные плантации и пастбища. И поскольку человечество численно растет, возникает убеждение, что антагонизм между лесом и пашней не преодолим в принципе. Цивилизация наступает-де на дикую природу в силу естественных потребностей человека в еде.

К сожалению, это наступление отнюдь не означает бесконечного торжества цивилизации, поскольку рано или поздно плантации начинают деградировать, а в перспективе на этом месте вполне может появиться совершенно бесплодная пустыня. Деградация почв – неизбежное следствие такого хозяйствования, и сегодня приходится спешно пересматривать наши способы обработки земли. Почему спешно? Потому что данный вид деятельности вносит дополнительный вклад в эмиссию парниковых газов, ухудшая и без того тревожную обстановку с климатом. Безусловно, менять что-то придется. Особенно это касается тех регионов планеты, где сельские труженики уже сейчас получают большие проблемы, регулярно сталкиваясь с засухой и аномальной жарой.

Однако не всё так печально. В какой-то степени выход здесь уже найден, и мы располагаем обнадеживающими примерами в плане реализации принципиально новых подходов к ведению сельского хозяйства. Впрочем, новыми они являются условно. Скорее всего, речь идет о применении очень старых приемов, правда, осмысленных с позиций современных научных знаний о природе.

Вот один такой показательный пример, о котором сообщается на сайте ScienceNews.

Кенийский фермер Максвелл Очу после неудач с выращиванием арбузов (погибавших от длительной засухи) решил, что называется, «включить голову» и разобрать причины столь неблагоприятных условий. Он пришел к выводу, что причиной продолжительных засушливых явлений, участившихся в последнее время, стала утрата в этом регионе лесного покрова. Земля, не защищенная от солнца тенью, просто спекалась под испепеляющими лучами. Поэтому фермер решил заняться высадкой деревьев на государственных землях и на территориях небольших ферм. В итоге усилиями земледельческой общины и добровольцев были высажены сотни деревьев, благодаря чему зазеленели некогда бесплодные склоны холмов.

На своей собственной ферме Максвелл Очу занялся выращиванием протяженных аллей из фруктовых и других деревьев, вдоль которых он сажает просо, лук, батат и маниок. Деревья дают овощным культурам необходимую тень, а их глубокая корневая система позволяет удерживать влагу в почве. Кроме того, опавшие листья служат кормом для коров. Листья некоторых культур фермер перемалывает и использует в качестве корма для тилапии, разводимой в небольшом пруду. Благодаря такому биоразнообразию фермер всегда имеет то, что можно продать на рынке. Так, несколько раз в неделю он отвозит за соседний рынок огромные плоды папайи, выручая с них сумму, равную 25 долларам США. Папайя фигурирует в списке высаженных деревьев и дает двойную пользу: помогает выращивать овощные и зерновые культуры (удерживая влагу в почве), вместе с тем одаривая отменным урожаем сочных плодов. На сегодняшний день семья фермера практически обеспечена всеми необходимыми продуктами, и при этом имеются излишки для продажи. Самое важно, считает Максвелл Очу, что каким бы ни был сезон – дождливым или засушливым – его земля не окажется бесплодной. Он всегда будет с урожаем.

Чем важен для нас этот пример? Дело в том, что засаженная деревьями ферма Максвелла Очу вполне может олицетворять земледелие будущего. В современном мире уже не остается свободных пространств для монокультурных хозяйств, ради которых земля полностью очищается от деревьев. Причем не важно, идет ли речь о выращивании растений или о разведении домашних животных. В настоящее время, отмечают специалисты, почти половина земли на планете используется для производства еды. Для этого было вырублено примерно 30% леса, а еще 20% лесов подверглось деградации ради последующего использования для сельского хозяйства.

По оценкам ученых, чтобы прокормить растущее население, к 2050 году необходимо увеличить площадь пахотных земель еще на 25 процентов. Речь идет о площади, равной по размеру Индии!

Воздействие современного сельского хозяйства на экосистему планеты имеет двойной негативный результат – оно влияет на климат планеты в сторону потепления и уменьшает биоразнообразие. Вырубка лесов под монокультуры есть прямой путь к росту выбросов углекислого газа и сокращению видов растений и животных, находивших себе приют в лесных дебрях. В настоящее время мы подошли к критическому рубежу, когда последствия такой практики могут оказаться непредсказуемо опасными для всего мира. Постоянное ухудшение ситуации с климатом (возьмем хотя бы нынешнее лето с его аномальной жарой и аномальными ливнями) вынуждает нас осуществлять переход к БОЛЕЕ устойчивым методам землепользования. Приведенный выше пример в общих чертах как раз и демонстрирует нам такой переход.

Практика, выбранная упомянутым кенийским фермером, в наши дни обозначается термином «агролесоводство». Возможно, именно с этим способом производства продуктов питания во многом связано будущее сельского хозяйства. Конечно, переоценивать его не стоит, тем не менее, специалисты видят в агролесоводстве огромный потенциал.

Надо сказать, что агролесоводство постепенно начинает входить в нашу жизнь. Причем, на этом направлении экспериментируют не только в жарких странах. Например, в Европе уже появились фермы, где пшеницу выращивают между рядами дикой вишни и грецкого ореха. Такие «смешанные» хозяйства могут производить на 40% больше продукции, чем монокультурные плантации в тех же регионах. Разумеется, подобная интеграция деревьев в посадки зерновых культур должна быть предельно грамотной. Здесь очень важно, отмечают специалисты, учитывать региональные особенности, включая и сам выбор деревьев. Объединение деревьев и сельскохозяйственных культур в единую систему есть, по большому счету, особая «наука», которая накапливает свои знания на конкретных примерах агролесоводства, реализованных в самых разных регионах планеты.

Так, есть примеры кофейных плантаций, затененных естественным навесом из высокорослых деревьев. Естественная защита способствует стабилизации температуры, подавляет рост сорняков, помогает удерживать влагу в почве и, вдобавок ко всему, привлекает насекомых-опылителей. Кроме того, некоторые деревья способствуют обогащению почвы азотом, что делает ненужным внесение минеральных удобрений. Правда, такие методы немного снижают урожайность кофейной плантации, однако, отмечают специалисты, выгоды для фермера повышаются за счет диверсификации культур. То есть здесь вступает в силу наличие биологического разнообразия. В случае падения мировых цен на кофе фермер имеет возможность восполнить потери за счет соседствующих культур, в число которых может входить манго, бразильский орех или красное дерево. Есть и еще один немаловажный момент: кофе, выращенный на затененных участках, вкуснее того, что выращен на солнцепеке. Причина проста: в тени кофейная ягода созревает медленнее, что содействует большему накоплению вкусо-ароматических веществ.

Еще одним положительным примером агролесоводства является один из районов Танзании, где с помощью таких практик удалось восстановить пустынные участки, превратив их в продуктивные леса и саванны. Показательно то, что деревья в этих краях были вырублены по приказу колониальной администрации. Таким путем расчищались площадки для хлопковых плантаций. За несколько десятилетий эта местность буквально превратилась в пустыню, лишенную деревьев, что негативно сказалось на жизни людей. Ситуация была исправлена с помощью древних традиционных методов восстановления ландшафтов: деградировавшие участки просто огораживались и оставлялись в покое. Через пару лет они восстанавливались естественным образом. Чтобы ускорить процесс, их дополнительно засаживали деревьями. Так появлялись продуктовые леса, дававшие фрукты, корм скоту и служившие местом для разведения медоносных пчел. За 16 лет (начиная с середины 1980-х) таким путем было восстановлено более 300 тысяч га земли. Согласно официальному отчету правительства Танзании от 2005 года, за указанный период восстановление деревьев могло привести к консервации более 20 миллионов метрических тонн углерода (что эквивалентно годовому снижению выбросов от 16,7 миллионов автомобилей). Помимо этого, произошло оздоровление почв, и снизились эрозионные процессы, что привело к остановке опустынивания. Преимущества, как видим, налицо.

Важно отметить, что монокультурное хозяйство является обычной практикой крупных производителей, тогда как агролесоводство более привлекательно для небольших ферм. В развитых странах пока такие практики распространены не особо, однако процесс, как говорится, пошел. Так, в США на сегодняшний день агролесоводческие методы практикует примерно 1,5 процента фермерских хозяйств. Иными словами, здесь есть огромный потенциал роста.

В восточных штатах, например, приобретает популярность практика выращивания грибов и женьшеня в управляемых лесных массивах. В западных регионах владельцы ранчо высаживают на своих пастбищах медовую акацию, дающую животным тень и богатые питательными веществами стручки, идущие на корм скоту.

По мнению некоторых экспертов, мы стоим на пороге стирания границы между лесными массивами и сельскохозяйственными угодьями, когда они сливаются в единую производственную систему. Правда, для развития данного направления необходимо творческое мышление. Пока это лучше всего удается, как мы сказали, небольшим хозяйствам. Однако некоторые эксперты уверены в том, что методы агролесоводства должны стать универсальными. И потому к данному направлению необходимо подключаться и крупным производителям, поскольку это напрямую связано с решением климатических проблем, актуальных для всего человечества.

Николай Нестеров

Правительством разработана Федеральная научно-техническая программа в области экологического развития Российской Федерации и климатических изменений на 2021–2030 годы. В ходе заседания президиума Совета при Президенте по науке и образованию под председательством Заместителя Председателя Совета Безопасности Дмитрия Медведева программа была поддержана.
Как сообщила Виктория Абрамченко, программа будет работать по трём направлениям.

Прежде всего это мониторинг и прогнозирование состояния окружающей среды и климата. В рамках этого блока будут созданы наукоёмкие технологические решения для получения достоверных данных мониторинга и моделирования окружающей среды и климата, а также прогнозирования их будущих состояний.

Во-вторых, смягчение антропогенного воздействия на окружающую среду и климат. В данном блоке планируется разработка комплекса методик и моделей, позволяющих сформировать систему оценки целесообразности и эффективности применения мер, направленных на смягчение антропогенного воздействия на окружающую среду и климат.

В-третьих, адаптация природных систем, населения и отраслей экономики к изменениям климата. В данном направлении предстоит разработать решения, которые позволят сформировать систему оценки экологических и климатических рисков на территории России и прилегающих акваториях для обоснования и принятия необходимых мер по адаптации к изменениям климата с учётом региональной и отраслевой специфики.

Программа включает несколько блоков мероприятий: проведение научных исследований и разработок преимущественно на базе научных и научно-образовательных центров, создание и развитие передовой инфраструктуры для проведения исследований и разработок, внедрение результатов исследований в практические проекты, а также организационное сопровождение реализации программы.

План реализации ФНТП будет формироваться на каждый трёхлетний период. Всего на реализацию программы предполагается выделить около 34 млрд рублей.

Компания «Дата Ист», выступающая корпоративным партнёром РГО, выпустила цифровую карту водного маршрута Москва – Углич – Москва. Она позволит путешественникам получить информацию обо всех достопримечательностях маршрута - населенных пунктах, музеях, церквях, архитектурных памятниках.

 Углич — древнейший город на Волге, который имеет богатую историю и памятники разных лет. По одним данным, он получил свое название из-за изгиба Волги, так называемого «угла», а по другим - из-за ремесла местных жителей, которые выжигали уголь. Особенный колорит этого старорусского города, древние храмы, музеи ремесел и удивительная природа окрестностей никого не оставляют равнодушным.

С городом Углич связано много исторических событий в жизни Древней Руси. Например, угличские плотники помогли Ивану Грозному взять Казань. Они выстроили деревянную крепость и сплавили ее на плотах по Волге неподалеку от Казанского ханства. Впоследствии она получила название Свияжск и послужила укрытием для войск русского царя. Главной достопримечательностью Углича является Кремль, состоящий из множества сооружений. В архитектурный комплекс входят Спасо-Преображенский собор, церковь царевича Дмитрия, воздвигнутая на месте его гибели, княжеские палаты. Углич знаменит и своими музеями – здесь разместился музей часового завода «Чайка» и музей гидроэнергетики, музей свистульки и кожевенного ремесла, музей петуха (символа города) и даже музей мифов и суеверий русского народа. Описание городских достопримечательностей путешественники найдут в цифровой карте.

Интерактивная карта водного маршрута Москва – Углич – Москва содержит информацию обо всех населенных пунктах, которые туристы встречают по пути - Долгопрудном, Икше, Деденёво, Яхроме, Дмитрове, Кимрах, Калязине. Загрузив карту в смартфон c помощью бесплатного приложения CarryMap, можно использовать ее без подключения к интернету. Туристы могут вносить путевые заметки и привязывать фотографии к точке на карте, а также записывать треки и делиться с друзьями.

Ранее компанией «Дата Ист» были опубликованы карты заповедника «Столбы» в Красноярском крае, Курайской впадины и окрестностей Телецкого озера в Республике Алтай, плато Маньпупунер в Республике Коми, карты озер Хакасии и островов Белого моря в Карелии, парков «Зюраткуль» и «Зигальга» в Челябинской области, природного парка «Иремель» в Республике Башкортостан, парка «Русская Арктика» в Архангельской области, Курильского заповедника в Сахалинской области, Найн-Майл-Каньона, национальных парков Глейшер и Секвойя (США), многих других привлекательных для туристов мест.  

 Фото Владимир Медведев   

Скачать карту водного маршрута Москва – Углич – Москва 

Ученые Института цитологии и генетики (ИЦИГ) СО РАН разработали высокочувствительный метод диагностики генетических отклонений, позволяющий заменить его пятью другими, сообщил журналистам ведущий научный сотрудник сектора геномных механизмов онтогенеза ИЦИГ СО РАН Вениамин Фишман.

"Мы придумали новый метод генетической диагностики, чувствительность которого выше, чем у имеющихся на сегодняшний день. Наш метод позволяет при диагностике, чтобы увидеть полную картину, не применять пять разных методов, а применить один. Если вы сделаете весь набор существующих диагностических методов, вы получите всю ту же самую информацию, что дает наш один", - сказал он.

По его словам, суть метода заключается в секвенировании (рашифровке последовательностей нуклеиновых кислот) генома, в котором предварительно сделана модификация, позволяющая сохранить его трехмерную структуру. У пациента в данном случае просто берут кровь. Эффективность метода доказана на сотне образцов.

В настоящее время данный метод диагностики доступен лишь как часть научной работы, не являясь общедоступной медицинской услугой. Ученым направляются наиболее интересные диагностические случаи из медицинских организаций Москвы, Петербурга, Томска и Новосибирска. "Для Новосибирска это появилось совсем недавно - получить от врача-генетика направление на анализ генома или экзома родителей или детей с генетическими отклонениями", - отметил ученый. Ученые рассчитывают, что данный метод может войти в медицинскую практику через несколько лет.