Похоже на то, что в научном мире назревают серьезные дебаты с далеко идущими последствиями. Появилась теория, способная – в случае своего удачного продвижения – подорвать идеологическое основание проводимой ныне глобальной климатической политики. Более того, способная доказать бессмысленность и бесперспективность борьбы с ископаемым топливом ради снижения углеродных выбросов. Углеродные выбросы, объявят нам, совсем не причем. Не они, а куда более глубокие (в буквальном смысле) силы влияют на изменение глобальной температуры.

Речь идет о «плитной» климатологии (Plate climatology), которая впервые была официально представлена в октябре 2014 года, во время поведения итогов десятилетних геологических исследований Американского метеорологического общества. В 2016 году о ней было публично заявлено на ежегодной конференции того же Американского метеорологического общества в Новом Орлеане, штат Луизиана.

В чем суть этой теории и какое влияние она может оказать на наше понимание физических причин климатических изменений?

Дело в том, что долгие годы климатологи, образно говоря, смотрели наверх – на Солнце, исследуя при этом температуру земной атмосферы. Поскольку основным источником энергии считалось наше небесное светило, то оставалось выяснить энергетический баланс, то есть установить, сколько тепла приходит на Землю и сколько его остается в атмосфере. На определенном этапе выяснилось, что тепла в атмосфере стало сохраняться чуть-чуть больше, чем было раньше, и тенденция эта принимает долгосрочный характер. Так и возникло учение о глобальном потеплении.

Разумеется, в контексте «атмосферной» парадигмы изменение температуры поверхности океана и таяние полярных ледников также связали с влиянием атмосферного тепла. Оставалось выяснить, отчего это вдруг тепла становилось всё больше и больше. Тут-то и пришла на ум идея парниковых газов, ответственных за рост глобальной температуры. На роль главного виновника парникового эффекта был определен углекислый газ, чье избыточное количество в силу массового сжигания ископаемого топлива, начиная где-то с 1880 года, и привело к указанным процессам потепления. Эту идею затем приняли на вооружения политики, заявив о необходимости спасения планеты через поэтапный отказ от ископаемого топлива и переход на возобновляемые источники энергии.

Так вот, создатели «плитной» климатологии пошли принципиально другим путем. Вместо того чтобы смотреть наверх, они, наоборот, решили внимательно приглядеться к тому, что находится внизу. Как мы знаем еще из школьных уроков, земные недра таят гигантское количество энергии. Часть этой энергии прорывается наружу в результате вулканической активности, различных гидротермальных и геотермальных процессов и так далее. Когда такие процессы активизируются в глубинах океанов, они-то и приводят к потеплению воды и даже к таянию полярных льдов. В этом плане изменение температуры океанских вод может находиться в прямой зависимости от глубинного земного тепла. И уже через воду это тепло передается атмосфере. То есть прямое влияние на климат идет здесь «снизу-вверх». Кроме того, есть и опосредованное влияние, когда вследствие вулканической активности в атмосферу попадает огромное количество серы, водяного пара, метана или того же углекислого газа.

Как утверждают создатели «плитной» теории, на протяжении многих лет климатологи не учитывали указанные факторы в силу того, что не располагали весомым объемом данных относительно того, какие процессы происходят на дне океанов. Если земная атмосфера была изучена досконально, то океанское дно не изучено даже на четверть. А ведь Мировой океан покрывает более 70% поверхности планеты. И там, на дне океана, происходят бурные и пока еще мало изученные процессы, сопровождающиеся выделением тепла. Здравый смысл, считают ученые, подталкивает нас к тому, чтобы считаться с этими факторами, способными очень сильно влиять на общую климатическую ситуацию. Поэтому пересмотр наших взглядов относительно физических причин климатических изменений неизбежен. По сути, новая теория исследует и объясняет всю совокупность связей между геологией и климатом, и такой подход считается более сбалансированным.

Впрочем, сторонники антропогенного влияния на климат пытаются отрицать роль гидротермальных и тому подобных факторов.  Так, бывший ученый NASA Рой Спенсер в своей недавней статье попытался доказать, что фиксируемое климатологами потепление поверхности океана идет сверху вниз (то есть от атмосферы), а не снизу вверх. Стало быть, гидротермальные источники не могут оказать на климат сколь-нибудь заметного влияния. Таким образом, глобальное потепление происходит совершенно независимо от того, что творится на дне океанов.

Статья, разумеется, не осталась без ответа. Как заявляют сторонники «плитной» теории, существует огромное количество достоверной научной информации, доказывающей, что потепление океанов связано с выбросом перегретых жидкостей и газов из десяти миллионов геологических объектов океанского дна. И деятельность человека здесь совершенно не при чем. Почему мы до сих пор игнорируем эти скрытые геологические силы? В первую очередь потому, что в течение многих лет ученые по привычке включают все данные наблюдений в атмосферный контекст. Как бы ни менялась тенденция, связанная с климатом, ее в любом случае будут интерпретировать сквозь призму атмосферных процессов. На то есть и объективные причины, поскольку, как уже было сказано выше, атмосфера изучена детально, чего не скажешь об океанских глубинах. Здесь еще предстоит провести тщательный мониторинг, на что уйдет немало времени и средств.

Так, в настоящее время во всех океанах находится порядка 3 500 буев для измерения температуры воды и ее солености. Эти буи могут опускаться на глубине не более   1 800 метров, тогда как средняя глубина океана составляет 4 260 метров.  Стало быть, у нас пока что нет возможности детально зафиксировать динамику геологических процессов на океаническом дне. Да и само количество буев недостаточно для того, чтобы построить трехмерную карту температуры и солености океана в высоком разрешении. То есть нам нужно иметь огромное количество буев, способных погружаться на глубину более четырех километров.

Чтобы показать важность исследований в указанном направлении, нам предлагают новую интерпретацию такого явления, как Эль-Ниньо. Данное явление, связанное с нагреванием воды в Тихом океане, всегда возникает в одном и том же районе с высокой геологической активностью на дне океана, где сосредоточены сотни вулканов и огромное количество гидротермальных источников.  Формы поверхности Эль-Ниньо вытянутые, линейные и конусообразные, а их строго фиксированные границы указывают на то, что источник энергии здесь неподвижный и очень мощный. По словам ученых, количество энергии, способной вызвать потепление воды, здесь просто зашкаливает. Атмосфера вряд ли располагает такой энергией, чтобы вызвать данное явление. Нагретая вода порождает всплески тепла, не теряющие своей четкости среди окружающей их воды, пока этот теплый поток не достигнет западного побережья Южной Америки. Всё это, считают сторонники «плитной» теории, опровергает недавние утверждения доктора Спенсера, будто гидротермальные источники не оказывают влияния на потепление океана. Возможно, он просто не учел реальное количество гидротермальных жерл.  

Чтобы осознать реальную картину того, что происходит на дне океанов, в 2017 году инициирован проект картографирования океанического дна в высоком разрешении. На данный момент мы имеем подробную картину для 19% дна океана. После того, как будет составлена вся картина, перед нами выступит полная сеть не учтенных ранее геологических объектов, являющихся источником тепла. Такие объекты в большом количестве обнаруживаются уже в наши дни, и потому в скором времени, по мере составления подробной карты, игнорировать данный фактор будет просто невозможно. Поэтому, считают сторонники «плитной» теории, пересмотр наших представлений о причинах климатических изменений станет неизбежным следствием развития геологических наук.

Причем, нельзя сказать, что будут отброшены прежние наработки в области климатологии. Нет, скорее всего, предыдущие знания будут дополнены новыми знаниями, а значит, наше представление о климате станет более глубоким.

Николай Нестеров

Учёные Института физики полупроводников им А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) разработали прототипы мемристоров (элементов памяти) для матриц энергонезависимой памяти большого объёма, определили каким должен быть состав активных слоёв, чтобы получать мемристоры с лучшими характеристиками и предложили неразрушающий метод контроля состава слоев во время их синтеза.

Компьютерная память нового типа — универсальная — может совмещать в себе энергонезависимость, как флэш-память или жёсткий диск, высокую скорость работы, характерную для оперативной памяти и большой информационный объём. Один из лучших кандидатов на роль универсальной памяти — резистивная ReRAM, в которой данные записываются за счёт изменения электрического сопротивления. Разработкой универсальной памяти занимаются крупнейшие технологические центры мира.

Элемент ReRAM — мемристор — представляет собой структуру металл-диэлектрик-металл, в которой тонкий слой диэлектрика обратимо меняет сопротивление, при подаче переключающего импульса напряжения – из-за образования и рассасывания в нем тонкого проводящего канала (филамента). В качестве таких диэлектриков, в частности, используются обеднённые кислородом оксиды металлов — тантала, циркония и гафния. Особенность оксидов в нестехиометрическом составе — соотношение между атомами металла и кислорода не выражается простыми целыми числами. Например, HfO_1.42— нестехиометрический оксид.

Молодые учёные ИФП СО РАН создали мемристоры на основе всех вышеперечисленных оксидов и исследовали свойства элементов памяти. Благодаря широкому использованию этих оксидных соединений в кремниевой технологии, мемристоры на их основе не потребуют больших затрат при внедрении. Кроме того, на основе нестехиометрических оксидов тантала возможно создание многоуровневых устройств памяти. Подробные результаты работ изложены в диссертациях на соискание степеней кандидата наук. Соискателями стали сотрудники ИФП СО РАН — Алина Константиновна Герасимова и Виталий Александрович Воронковский. Исследования велись в рамках крупного научного проекта «Квантовые структуры для посткремниевой электроники».

Достижения молодых учёных и их коллег применимы при разработке промышленных образцов резистивной памяти.

Материал для мемристоров с оптимальными характеристиками

Алина Герасимова выяснила взаимосвязь условий роста и химического состава, оптических и электрических свойств плёнок нестехиометрических оксидов гафния, циркония и тантала. Результаты её работы могут быть полезны при создании технологических маршрутов изготовления элементов резистивной памяти и перспективной оксидной электроники — альтернативы полупроводниковой.

Для синтеза образцов учёные использовали метод ионно-лучевого распыления-осаждения. Он сравнительно легко позволяет получать тонкие плёнки оксидов, обеднённые кислородом.

«Мы установили, что плёнки оксидов металлов (гафния, циркония) нестехиометрического состава, полученные методом ионно-лучевого распыления-осаждения, состоят из трёх компонентов: металла, предельного оксида (HfO₂/ZrO₂) и субоксида определённого состава (Hf₄O₇ или Zr₄O₇). В плёнках оксида тантала нестехиометрического состава тоже три компонента, но субоксиды TaO_y могут быть разного состава, в отличие от оксидов гафния и циркония. Оказалось, что мемристоры с лучшими характеристиками — не требующие операции формовки, что упрощает технологию их производства, без существенного уменьшения “окна памяти” и быстродействия — получаются при максимальной концентрации субоксида. В перспективе это можно использовать при составлении технологических маршрутов», — рассказала младший научный сотрудник лаборатории физической химии поверхности полупроводников и систем полупроводник-диэлектрик ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Алина Константиновна Герасимова.

Кроме того, исследовательница предложила способ неразрушающего контроля состава плёнок нестехиометрических оксидов во время роста — с помощью эллипсометрии — оптического метода, использующего эффект изменения поляризации света при его отражении от объектов. Такой подход менее трудоёмок, чем традиционно применяемый — рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

Состав пленок, в данном случае, соотношение атомов кислорода к атомам металла — влияет на проводимость пленок, а значит и на характеристики резистивной памяти.

«Мы получили зависимость показателя преломления от состава плёнок (отклонения от стехиометрии) для нестехиометрических оксидов гафния и циркония. Зависимость линейна, и у нее есть важное практическое значение: она позволяет определять состав синтезированных слоёв оптическими методами без использования сложного метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии», — пояснила А. Герасимова

Эллипсометры — приборы для высокоточного контроля свойств тонких плёнок и структур — разработаны и произведены в ИФП СО РАН.

Высокоэффективные прототипы мемристоров

Младший научный сотрудник молодёжной лаборатории нанотехнологий и наноматериалов ИФП СО РАН, кандидат физико-математических наук Виталий Воронковский вместе с коллегами определил составы слоёв оксидов гафния и циркония, подходящие для создания мемристоров.  А также составы, при которых такие мемристоры не требуют формовки, что в перспективе позволит создавать матрицы памяти большого объёма. Формовка — это первое «включение» мемристора, как правило, с подачей более высокого напряжения, чем требуется при последующих переключениях. При формовке образуется филамент — проводящий канал.

«Используя для синтеза оксидов ионно-лучевое распыление-осаждение с разным парциальным давлением кислорода, мы получили образцы, отличающиеся по составу. В ходе экспериментов установили, что часть полученных структур демонстрировала эффект резистивного переключения. А при сильном обеднении кислородом удалось создать бесформовочные мемристоры. Это важно, поскольку такие мемристоры значительно облегчают разработку матриц памяти высокой информационной емкости» — рассказал ученый.

Также работа ученых позволила добиться стабильности характеристик мемристоров, а в 2022 году на данную разработку получен патент.

Резистивные переключения в мемристоре происходят благодаря образованию филамента. Но его зарождение и формирование происходит в случайном месте, обусловленном разными факторами, поэтому могут возникать несколько конкурирующих филаментов в одном и том же мемристоре. В результате появляется большой разброс напряжений резистивных переключений и сопротивлений от одного цикла переключения к другому, что снижает устойчивость переключений и, как следствие, уменьшает привлекательность мемристоров для использования в качестве ячеек памяти.

Учёные показали, что, если «посветить» электронным лучом на оксидный слой мемристора в области, сопоставимой с размерами поперечного сечения филамента, можно добиться возникновения проводящего канала в области действия луча.

«При воздействии электронного луча формировалась “затравка” филамента в диэлектрике. Напряжения формовки и резистивных переключений в таких мемристорах были значительно меньше, чем у мемристоров, полученных без воздействия электронного луча, что позволило исключить появление дополнительных проводящих каналов в других областях диэлектрика. В результате мемристоры демонстрируют кратное снижение разброса напряжений резистивного переключения и сопротивлений по сравнению с мемристорами без локального электронно-лучевого воздействия», — отметил В. Воронковский.

«Можно спроектировать электронно-лучевую систему, которая будет одновременно облучать матрицы мемристоров, чтобы сократить время, нужное для создания затравок», — добавил учёный.

В дальнейшем молодые ученые продолжать работать с нестехиометрическими оксидами. В частности, в их планах исследование нестехиометрического оксида титана, разработка на его основе композитного материала, чувствительного к терагерцовому излучению и создание матриц для болометров — приемников излучения.

Пресс-служба ИФП СО РАН

Фото Надежды Дмитриевой

Как мы знаем, за энергетический переход в нашей стране активно боролся спецпредставитель президента РФ по вопросам устойчивого развития Анатолий Чубайс. Он пытался убедить общественность в том, что иного выбора у нас нет, что весь мир движется к низкоуглеродной экономической модели, стало быть, вопрос энергетического перехода является решенным, и добавить тут нечего.

Спустя полтора года с момента отбытия господина Чубайса за границу тему энергетического перехода у нас попытались осмыслить на более высоком качественном уровне. В конце января появилась развернутая аналитическая публикация «Сценарии энергоперехода в России: эффекты в макроэкономической модели общего равновесия с рациональными ожиданиями». Работа была написана сотрудниками департамента исследования и прогнозирования Банка России Михаилом Андреевым и Аленой Нелюбиной.

Авторы исходят из тех же самых посылок, на основе которых обосновывается энергетический переход в развитых странах. Энергетический переход трактуется ими как процесс трансформации «коричневой» энергетики, опирающейся на ископаемое топливо, в «зеленую» энергетику, использующую возобновляемые источники энергии. То есть речь идет о процессе декарбонизации, призванной-де снизить углеродные выбросы в мировом масштабе с целью предотвращения роста глобальной температуры на 1,5 градуса Цельсия в сравнении с доиндустриальным уровнем. Это процесс, указывают авторы, захватит все страны без исключения, включая и те, которые не заинтересованы в декарбонизации. Сюда включаются страны, получающие материальную выгоду от продажи ископаемого топлива или те страны, для которых глобальное потепление несет некоторые блага.

В свете сказанного исследователи оценивают последствия энергетического перехода как раз для страны, богатой углеводородами. Как мы понимаем, речь идет о России. Нетрудно догадаться, что российская экономика, ориентированная на экспорт нефти, газа и угля, да к тому же, испытывающая проблемы не из-за высоких, и из-за низких температур, не ставит свое процветание в прямую зависимость от декарбонизации. По большому счету, для нас «зеленый» энергопереход может быть только вынужденным. Вопрос: какие факторы могут побудить нас к такой трансформации? В чем тут наш интерес и есть ли он вообще?

Исследователи рассматривают как минимум три сценария энергетического перехода для нашей страны. Ключевым фактором в этом случае выступает климатическая политика западных стран, связанная с так называемым углеродным регулированием. В работе прямо не указывается, но это следует из сути сказанного, что основное давление на российский экспорт углеводородов будут оказывать не рыночные, а сугубо политические факторы. Например, когда импортеры ископаемого топлива повышают налоги на внутреннее производство «коричневых» энергоресурсов, что неизбежно приведет к снижению доходов экспортеров. Или, когда экспортер увеличивает налоги на внутреннюю «коричневую» энергию в целях повышения конкурентоспособности «зеленой» энергетики. Либо же экспортер инвестирует в сектор «зеленой» энергетики. В любом случае тон задает политика – хоть со стороны импортера, хоть со стороны экспортера.

Если говорить о развитии «зеленой» энергетики в России, то до каких пределов может дойти этот рост? – задаются вопросом авторы исследования. В настоящее время доля ВИЭ (конкретно – солнце и ветер) составляет в нашей стране всего 1,8 процента от всей установленной мощности. При этом фактически вырабатываемой энергии от ветряков и солнечных панелей еще меньше. Так, в 2022 году на солнце и ветер пришлось лишь 0,7% от всей выработки. Это связано с низким коэффициентом используемой мощности, характерным как раз для СЭС и ВЭС. Так, в зимнее время выработка электричества от солнечных электростанций приближается к нулю, а работа ветряков нерегулярна.

Как подчеркивают авторы, в нашей стране до сих пор нет согласия по вопросу о том, какова должна быть предельная доля ВИЭ в общем энергобалансе. Так, Минэнерго России до начала СВО на Украине прогнозировало увеличение доли «чистой» энергии к 2050 году до 12 процентов. После начала СВО эта цифра была уменьшена до 9 процентов. Здесь же приводится мнение экспертов, которые утверждают, что доля ВИЭ в 13 – 25% оказывает существенное влияние на режим работы энергосистемы, поскольку это связано с нерегулярной выработкой работы СЭС и ВЭС. Эту особенность «зеленой» энергетики учитывают и в Минэнерго, резонно замечая, что интеграция больших объемов ВИЭ потребует дополнительных мероприятий и расходов.

Показательно, что проблему осознают и в Международном энергетическом агентстве. То есть мировая борьба с глобальным потеплением (если ее вести указанным способом) не сулит никаких материальных выгод от энергетического перехода.  Авторы указанного исследования также не питают никаких иллюзий на этот счет, отмечая, что в настоящее время возобновляемые источники энергии вряд ли займут весомую долю рынка. По этой причине они останавливаются на упомянутых 25 процентах, полагая их пределом для нас. Во всяком случае, до тех пор, пока не произойдет технологического рывка. Но даже в этом случае они осознают, что по мере роста доли ВИЭ с нынешних 1,8 процентов начнет нарастать проблема стабильности выработки электроэнергии от СЭС и ВЭС. Это может привести к тому, что «коричневые» источники энергии прочно застолбят свои технологические ниши и смогут помешать энергопереходу.

В данном случае мы не будем приводить описания возможных сценариев нашего энергоперехода. Для нас куда важнее экономические последствия подобных действий (какими бы путями они ни развивались). При любом раскладе, полагают авторы, нас ждет снижение уровня… общественного благосостояния! Единственное «благо», на которое мы можем здесь рассчитывать, - это устранение угрозы глобального потепления. Подобные выводы еще раз доказывают, что энергетический переход не преследует экономических целей, подчиняясь исключительно политическим целям. По большому счету, это есть именно политический, а не экономический проект. Кроме того, снижение эффективности в системе энергоснабжения по мере роста доли ВИЭ также вызывает ряд вопросов. Фактически, даже осознавая негативные последствия декарбонизации, мы все же обсуждаем ее неизбежность для нашей страны.

По крайней мере, авторы исследования не ставят под сомнение такие перспективы: хороших последствий для экономики не предвидится, но деваться нам якобы некуда. Почему? Потому что… весь мир идет таким путем, и нам придется включаться в этот процесс. Исследователи как будто предлагают готовиться к такой неизбежности. С чисто технической точки зрения нас подводят к совершенно нелепым решениям.

Вначале расширение доли ВИЭ будет приходиться на те регионы, где с солнцем и ветром нет особых проблем. Но потом очередь дойдет и до других регионов, где эффективность использования СЭС и ВЭС будет еще ниже. Иными словами, нам уготована участь вкладывать средства себе в убыток. И деваться вроде бы некуда, поскольку, как мы сказали, этим путем «идет весь мир». Успокоить нас может только то, что так мы якобы устраняем издержи от негативных последствий климатических изменений. Других весомых аргументов в пользу увеличения доли ВИЭ мы не видим.

Какое «послание» для властей содержится в этом отчете, сказать весьма сложно. Либо авторы исследования скрыто намекает, во что нам реально обойдется «зеленый» энергопереход, либо морально готовят руководителей страны к неизбежному. Во всяком случае, призывов бороться за интересы отечественной нефтедобывающей, угольной и атомной отрасли мы в данном тексте не обнаружили.

Андрей Колосов

Сотрудниками Центра постдипломного медицинского образования Института медицины и психологии НГУ разработан «Способ трехплоскостной структурной сохраняющей маммопластики для коррекции птоза на имплантате», на который НГУ получил патент на изобретение в 2024 году.

Главное отличие нового метода от большинства применяемых в настоящее время способов коррекции птоза (опущения) молочной железы в сохраняющем характере пластической хирургии. Способ, запатентованный новосибирскими учеными, направлен на достижение требуемого эстетического результата без разрушения тканей органа и с сохранением всех функций молочной железы, включая способность к лактации, чувствительность и т.д.

Как отмечают сами разработчики технологии, в ней собраны и творчески переработаны компетенции, ранее накопленные нашей медициной, прежде всего, в российской школе хирургии.

«Запатентованный способ учитывает множество анатомических аспектов, особенности строения сосудистой сети молочной железы, ее лимфотока, другие параметры. В результате врачи получают возможность корректировать форму органа, манипулируя сосудами и тканями, но сохраняя при этом их целостность. А место расположения разреза обеспечивает фактическое отсутствие видимых следов хирургии. Да, это сложная операция, но она вполне по силам квалифицированному хирургу и дает хорошие результаты», — рассказал один из авторов патента, профессор Центра постдипломного медицинского образования Института медицины и психологии НГУ, д.м.н., ведущий пластический хирург Центра медицины «Авиценна» Андрей Викторович Козлов.

Он также отметил, что хоть подобные операции проводят только в «Авиценне», выступившей партнером университета в данном исследовании, созданная ими технология сохраняющей маммопластики была представлена на ряде российских и международных медицинских конгрессов и вызвала большой интерес со стороны врачебного сообщества.

Еще одной особенностью полученного патента является то, что двое из трех патентодержателей — ординаторы НГУ, то есть, люди, получающие последипломное медицинское образование, что встречается довольно редко. Обычно авторами подобных работ выступают более опытные врачи.

«Это говорит, прежде всего, о фундаментальном подходе и качестве образовательной работы в Институте медицины и психологии НГУ. Ну и конечно, получение патента — итог совместной работы с Центром трансфера технологий и коммерциализации НГУ и нашим партнером в лице клиники «Авиценна». В результате есть и эффективная медицинская технология, и хороший задел на дальнейшую научную работу в этом направлении у самих ординаторов», — уверен Андрей Козлов.

Сотрудники Лаборатории ультраструктурных исследований НИИ клинической и экспериментальной лимфологии – филиала ИЦиГ СО РАН обнаружили благоприятное воздействие карбоната лития на головной мозг лабораторных животных с опухолевым ростом. Эксперименты показали, что использование карбоната лития предотвращает развитие тревожно-депрессивного поведения и нарушение структуры нейронов головного мозга у животных с опухолевым ростом. Таким образом, литий может быть использован в комплексной терапии онкозаболеваний.

Известно, что депрессивные состояния являются частыми осложнениями у людей с онкологическими заболеваниями. В научной литературе есть данные о том, что депрессией страдает каждый десятый онкобольной. Депрессия развивается не только из-за тяжелого эмоционального состояния пациента, но имеет и биологические причины. Опухоль в процессе своего развития продуцирует различные биологические активные вещества, в том числе цитокины, которые могут влиять на структуру и функцию нейронов. В результате страдает когнитивная функция организма и может развиваться депрессия.

Научные сотрудники Лаборатории ультраструктурных исследований НИИКЭЛ решили проверить эти данные на лабораторных животных. Поведенческие тесты показали, что животные с развитием опухоли становились менее подвижными и более пассивными, у них проявлялись признаки тревожно-депрессивного поведения. Исследование структуры нейронов выявило деструкцию внутриклеточных органелл и нарушение процесса аутофагии, направленного на поддержание нормального функционирования клетки. В префронтальной коре головного мозга животных снижалась экспрессия нейротрофического фактора BDNF, необходимого для выживания и функции нейронов, уменьшалась плотность синаптических везикул и синапсов (связей, которые отвечают за ассоциацию нейронов и передачу нервного импульса).

Одновременно с этими экспериментами в лаборатории проходило исследование биологических эффектов карбоната лития в качестве противоопухолевого агента. Было известно, что литий оказывает и нейропротективное действие. Но данных о его воздействии на нервные клетки именно животных с опухолью до сих пор не было. Ученые решили оценить влияние этого препарата и на структуру мозга.

Введение карбоната лития оказало корригирующее действие как на поведение животных, так и на структуру нейронов префронтальной коры головного мозга. Больные животные после получения препарата демонстрировали такое же поведение, как и мыши контрольной группы без опухолевого роста. В структуре нейронов развивалась аутофагия, благодаря которой удалялись поврежденные органеллы. В коре головного мозга животных увеличилось количество межнейронных синапсов. Кроме того, возросла концентрация нейротрофического фактора BDNF и интерлейкина-4, обладающего противовоспалительными свойствами.

Таким образом, ученые убедились, что введение карбоната лития приводит к коррекции поведения и структуры нейронов у животных с опухолевым ростом. Исследование НИИКЭЛ показало, что карбонат лития положительно действует и на противоопухолевый процесс, и на активность нейронов у животных с опухолью.

Полученные данные могут стать основой для разработки технологий нейропротективной терапии, направленной на устранение повреждений клеток мозга.

«Внедрение новых молекулярных маркеров диагностики, инновационных методов в хирургии и таргетной терапии обусловили увеличение продолжительности жизни при ранее неизлечимых формах онкопатологии. В настоящее время одной из проблем в данной области является улучшение качества жизни онкологических больных», – рассказала руководитель Лаборатории ультраструктурных исследований НИИКЭЛ, д. б. н.. профессор Наталия Петровна Бгатова.

Сейчас препараты лития используются, прежде всего, для лечения маниакальных фаз биполярного расстройства. Ученые активно исследуют его противоопухолевую активность. Однако препарат имеет серьезные ограничения для использования. Из-за токсического влияния на почки важно постоянно проверять концентрацию препарата в крови, что пациент не всегда может сделать.

В качестве альтернативы ученые НИИКЭЛ рассматривают возможность создания препарата на основе цитрата лития. Он менее токсичен, чем карбонат лития, и лучше усваивается организмом.

Справка: Литий широко использовался в медицине с XIX века. Однако во второй половине XX века интерес к нему был потерян из-за высокой токсичности препарата. В настоящее время интерес к литию возвращается. Ученые разных стран ищут способы использовать препарат, избегая его токсического эффекта.

Пресс-служба Института цитологии и генетики СО РАН

Мы уже писали о том, что в нашей стране наблюдается некоторая неопределенность в плане выбора путей развития. С одной стороны, у нас признают технологическое лидерство западных стран, с другой – не слишком охотно принимают концептуальную основу западных стратегий, нацеленных на построение «безуглеродного» будущего. Во всяком случае, в выступлениях нашего Главы государства (на что мы неоднократно обращали внимание) нет ни малейшего пиетета перед «зелеными» технологиями в их нынешнем европейском понимании. Вроде бы, приоритеты четко расставлены, и никакой двусмысленности тут быть не может. Мало того, с тех пор как основной пиарщик «зеленого курса» господин Чубайс убыл за границу, возникло впечатление, что-теперь-то с приоритетами у нас определились окончательно.

Однако не все так однозначно. Заявление отдельных статусных лиц создает впечатление, будто за последние три года у нас совсем ничего не поменялось и ничего серьезного не произошло. Будто мы всеми силами стремимся войти в дружную семью европейских народов с их «зеленым курсом» и декарбонизацией. Совсем недавно нам еще раз напомнили о том, что Россия намерена приблизиться к ESG-стандартам западных стран. И совершит она этот прогрессивный сдвиг путем строительства хранилищ… углекислого газа! Об этом с нескрываемым восторгом доложил руководитель Государственной комиссии по запасам полезных ископаемых Игорь Шпуров. По его словам, такие проекты уже разработаны и будут одобрены в течение ближайших двух лет. Осталось только определиться с местом для размещения хранилищ. Желательно, отмечает Игорь Шпуров, чтобы это была не сейсмоопасная зона. Лучше всего для таких целей, как мы понимаем, подходят территории Сибири.

Возникает закономерный вопрос: есть ли такая уж крайняя необходимость для нашей страны в реализации подобных проектов? В данном случае мы не будем заострять внимание на самой борьбе с углекислым газом, на том, стоит ли овчинка выделки? На этот счет также есть возражения. Но допустим, что мы и впрямь решили реализовать показатели по снижению углеродных выбросов, подстраиваясь под стандарты западных стран или же сообразуясь с обязательствами в рамках Парижского соглашения (которое мы ратифицировали). Тот ли путь предлагает нам руководитель ФБУ «ГКЗ»?

Для начала рассмотрим то, что уже пытаются реализовать в Европе. Это как раз тот пример, который, судя по всему, так сильно воодушевил Игоря Шпурова, что он решил срочно «догнать Европу». В конце января этого года норвежцы продемонстрировали первую такую установку по хранению углерода, реализованную в рамках проекта «Северное сияние». Установка расположена на западном побережье Норвегии и является частью соответствующей инфраструктуры, приблизительная стоимость которой оценивается на уровне 2,6 миллиардов долларов. Как отмечают эксперты, пока это – первый материализованный объект весьма дорогостоящего эксперимента по борьбе с углеродными выбросами.  Он предназначен для приема и перекачки углекислого газа с производственных площадок близлежащих стран в глубины морского дна на 2,6 километров. То, о чем твердили лет шесть-семь назад, начало воплощаться. Норвежский проект реализован уже на 90%, и его завершение, считают эксперты, прокладывает путь к международной торговле углекислым газом.

Чтобы было понятно: углекислый газ будет улавливаться из труб промышленных предприятий и энергетических объектов, затем его будут транспортировать на кораблях (или по трубопроводам) на приемный терминал возле моря, и в итоге он навсегда окажется на морском дне. Процедура эта весьма трудоемкая. Здесь применяются достаточно сложные системы улавливания и изолирования углекислого газа, который перед транспортировкой сжимается, высушивается и охлаждается до жидкого состояния. В таком виде он грузится на корабль или же направляется по трубопроводу (если таковой имеется). Дальнейшая закачка CO₂ в резервуары на морском дне технологически также сложна и еще недостаточно испытана. Разработчики уже столкнулись с серьезными проблемами, но они уверены, что способны их решить.

Думаем, здесь не надо быть специалистом, чтобы оценить уровень затрат. Некоторые эксперты уже указывают на то, что технология окажется непомерно дорогой. А затраты, естественно, лягут на плечи простых потребителей.

Тем не менее, резонные опасения никак не влияют на планы строителей сети по улавливанию и хранению углекислого газа. Удивляться этому не приходится, если учесть, что самые крупные европейские «загрязнители» (например, Германия) уже выражают готовность переправлять свой углекислый по Северному морю, выплачивая за оказанную услугу соответствующую сумму. Так, нынешнее руководство Германии согласно поддерживать данную инициативу для таких секторов промышленности, как производство цемента, удобрений и стали. В какие суммы это выльется, пока что мало кого волнует. Хотя уже вовсю идут разговоры о том, что цены на углерод придется удвоить или даже утроить, чтобы подобная услуга по утилизации была коммерчески выгодна.

Несмотря на это, руководство ЕС всячески приветствует проекты по удаленному хранению CO₂, намереваясь таким путем обеспечить углеродную нейтральность. Считается, что энергетический переход на возобновляемые источники не обеспечивает стопроцентной ликвидации выбросов. Часть производственных процессов в той или иной мере будут «загрязнять» атмосферу парниковыми газами. Для компенсации деятельности таких производств (например, производство цемента) и потребуется широкое внедрение технологий улавливания и хранения CO₂. По предварительным расчетам, к 2050 году ежегодное улавливание углекислого газа на территории ЕС должно составить 450 миллионов тонн. Это потребует создания соответствующей инфраструктуры, включающей в себя не только системы улавливания (они уже давно испытаны), но также всю систему транспортировки, приема и захоронения. Норвежский проект является здесь первой ласточкой. Однако, несмотря на бодрые отчеты, специалисты признаются в том, что данная технология, мало того, что она очень затратная, но еще требует доработки.

И вот теперь зададимся тем же вопросом: а нужны ли такие технологии России? Можно сколько угодно восхищаться высокотехнологичным «железом», но чрезмерная цена вопроса явно портит радужную картину светлого будущего. В этой связи стоило бы еще раз напомнить альтернативный путь. Мы уже неоднократно приводили мнение специалистов СО РАН, делающих акцент на природоподобных технологиях. Какое отношение это имеет к утилизации углекислого газа? Прямое. Дело в том, что углекислый газ не является токсичным веществом, губящим всё живое. Он находится в естественном круговороте веществ, и его баланс определяется такими же естественными процессами, протекающими в любой живой экосистеме. Скажем, растения и почвы прекрасно поглощают CO₂, не требуя никакого дорогостоящего «железа».

Таким образом, альтернативный путь заключается в восстановлении почв, в восстановлении лесов, а также в создании дополнительного растительного покрова на месте пустынных или заброшенных участков. Это как раз одна из тех задач, которую можно решить с помощью природободобных технологий.

Кстати, в ноябре прошлого года вышел Указ Президента о «Развитии природоподобных технологий в Российской Федерации» (Указ № 818). Согласно этому Указу, в шестимесячный срок должен быть подготовлен и утвержден соответствующий план мероприятий, связанных с дальнейшим развитием таких технологий в нашей стране, что предполагает создание необходимой научной инфраструктуры и подготовки кадров. Функцию головной организации будет выполнять Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт». При этом, что характерно, органам власти субъектов РФ рекомендовано при принятии решений руководствоваться планом мероприятий, связанных с применением и развитием в нашей стране природоподобных технологий.

В общем, наверху прекрасно осознают затронутую нами альтернативу. Остается надеяться, что «президентская линия» развития окажется у нас более востребованной, чем дорогостоящее высокотехнологичное «железо» из западных стран.

Константин Шабанов

Представитель Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) Арно Марсолье на днях заявил, что 30 ноября этого года организация прекратит сотрудничество с около 500 сотрудниками, имеющими связи с Россией. Этот разрыв был ожидаемым: о том, что договор о сотрудничестве с Россией в CERN не намерены продлевать (а его действие истекает как раз в ноябре) говорилось и раньше. Но от того, он не стал более приятным, как и последствия такого решения.

В первых комментариях российские официальные лица ожидаемо призвали искать позитивные моменты и в этих событиях. Глава Курчатовского института Михаил Ковальчук назвал позитивным прекращение сотрудничества с российскими учеными, отметив, что кадры возвращаются в РФ. Министр науки и высшего образования Валерий Фальков во время своего недавнего визита в Академгородок тоже предложил не зацикливаться на возможностях Большого адронного коллайдера: «Жизнь не стоит на месте. Главное, чтобы у нас в России появлялись уникальные научные объекты. И они появляются, например, Сибирский кольцевой источник фотонов, который строится как раз в Новосибирске. Это установка класса 4+ и она дает возможность исследователям делать то, чего нельзя сделать больше нигде в мире».

Конечно, возвращение кадров – это всегда хорошо, а СКИФ – уникальная установка, но все же, хотелось бы услышать оценки последствий разворачивающейся «холодной войны» в научном мире от тех ученых, кого она коснулась непосредственно. Если говорить про Академгордок, то это, прежде всего, Институт ядерной физики, много лет плодотворно сотрудничавший с CERN. И такие ответы от руководства института прозвучали в ходе специальной встречи с журналистами.

Вопрос первый – что будет с теми учеными, кто работал в CERN? Отвечая на него, прежде всего, научный руководитель направления физики элементарных частиц ИЯФ СО РАН Юрий Тихонов отметил, что цифра в 500 человек не означает, что именно столько человек должны будут покинуть европейские лаборатории и искать новую работу в России. Во-первых, это число всех наших соотечественников, внесенных в базу организации, включая и тех, кто сейчас там по разным причинам и так не работает. А во-вторых, если говорить конкретно про ИЯФ СО РАН, то все сотрудники института из этой базы работали там временно, в ходе командировок на месяц-другой в году. Основное их место работы находится в самом институте и никуда не делось. Хотя теперь им, конечно, придется несколько скорректировать планы своей исследовательской деятельности.

Отсюда возникает второй вопрос – сможет ли СКИФ заменить CERN? Ответ – нет. «Тематика CERN – физика высоких энергий, а СКИФ нацелен на изучение свойств различных материалов. Они практически не пересекаются друг с другом. Тем не менее СКИФ открыт для сотрудничества, ученые, которые уходят из CERNа, могут быть востребованы на СКИФе», - рассказал директор ЦКП "СКИФ" чл.-корр. РАН Евгений Левичев. И противоречия в этих словах нет: среди тех, кто работал ранее с CERN есть специалисты по детектирующим системам, моделированию взаимодействия частиц с веществом, программисты. И вот они вполне могут быть востребованы в команде СКИФа.

Кроме того, СКИФ не является единственным большим проектом в области ядерной физики, который реализуется на территории нашей страны. Есть несколько родственных проектов по физике частиц – NICA в Дубне, ВЭПП-2000. Последний стал источником колоссального объема экспериментальных данных, которые еще только предстоит обработать. И привлечение к этой работе коллег, ранее занятых в проектах CERN должно ускорить решение данной задачи.

Остались и другие международные проекты, в которых ИЯФ СО РАН продолжает активно участвовать. Например, в создании Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor). Возможно, руководство проекта и хотело бы последовать примеру коллег из CERN, но их останавливает то, что Россия поставляет ключевые элементы установки – сверхпроводящие магниты и устройства нагрева плазмы. Хотя после завершения строительства этой уникальной физической установки в 2025 году ситуация может и поменяться.

Также ученые института участвуют в работах на электрон-позитроном коллайдере BEPC II (Китай), ведут совместные проекты с японскими учеными по физике частиц в рамках коллаборации BELLE 2, заняты в ряде других международных проектов.

Но все это не отменяет того факта, что возможности для международного сотрудничества продолжают сужаться. Все-таки исследования в области ядерной физики на передовом уровне (которому соответствует и российская наука) возможны в ограниченном ряде стран. Так вышло, что подавляющее большинство из них сегодня являются недружественными по отношению к нашей, и этот факт нельзя игнорировать.

Оптимальный ответ на этот вызов – развитие собственной программы фундаментальных исследований, как единственная альтернатива вылета из «высшей лиги». Почему такая программа нужна, объяснил директор ИЯФ СО РАН, академик РАН Павел Логачев: именно фундаментальные исследования физики микромира сделали возможными многие технологические достижения в самых разных областях, от микроэлектроники до новых материалов и медицины. Так и сегодняшние исследования выльются спустя десятилетия в еще более новые и совершенные технологии и оборудование.  

«В настоящих условиях Российской Федерации наравне с программами развития самолетостроения, микроэлектроники или катализаторов, или источников синхротронного излучения обязательно нужна программа развития фундаментальных исследований, физики частиц на самом глубинном уровне», - сказал Логачев. И привел в качестве примера ФНТП нейтронных и синхротронных исследований под руководством Головной научной организации НИЦ «Курчатовский институт». «Применение во всех практически естественных науках синхротронного излучения как инструмента, позволяющего познавать очень тонкие процессы, происходящие в мире атомов, молекул, химии и биохимии является подтверждением тому, что именно с физикой будут связаны все следующие прорывы во всех остальных науках», - подытожил он.

Важно то, что на встрече речь шла не просто о имеющихся вызовах и видении ученых, каким путем надо искать ответы на них, но и о вполне себе конкретных проектах, которые должны быть реализованы у нас в стране. В частности, в ИЯФ СО РАН планируют в течение трех лет создать проект встречного электрон-позитронного коллайдера (ВЭПП-6) для поиска новых форм материи. Стоимость его создания оценивается в 23 млрд рублей. Поскольку коллайдер предлагается строить на базе существующей инфраструктуры ИЯФ СО РАН, основные затраты планируются преимущественно на создание высокотехнологичного оборудования, а не возведение новых корпусов, что и позволило значительно удешевить проект.

Запуск ВЭПП-6 позволит проводить исследования в том диапазоне излучения, который на сегодня остается вне поля зрения действующих в мире коллайдеров. И это вполне соответствует идеологии той программы исследований, о которой говорили ученые: важно не создавать копии установок, на которые нас сегодня не пускают, а развивать свои направления исследований, результаты которых обогатят мировую науку и позволят РФ остаться в лидерах по физике высоких энергий. Если же этого не сделать, то через несколько лет в отсутствии реальной экспериментальной работы на передовых установках соответствующие школы в России могут угаснуть необратимо.

Сергей Исаев

В ИЦИГ СО РАН создан Центр коллективного пользования протеомики и метаболомики. Оборудование для центра приобретено в рамках Программы  Курчатовского геномного центра ИЦиГ СОРАН (Соглашение  № 075-15-2019-1662 от «31» октября 2019 г., Национальные проекты “Наука и университеты” ).

Одним из важнейших направлений Программы Курчатовского геномного центра ИЦиГ СОРАН является создание штаммов-суперпродуцентов целевых продуктов: например, термоустойчивого фермента альфа-амилазы для улучшения усвояемости кормов или протеазы для производства стирально-моющих средств. Одним из вариантов создания таких штаммов является поиск «природных» микроорганизмов, синтезирующих желаемый белок, а затем их искусственная модификация для улучшения свойств белка и повышения количества выхода продукта.

Проведение таких исследований требует быстрого и точного анализа как микроорганизмов, так и выделяемых ими веществ. Именно для этого в ИЦиГ СО РАН на базе лаборатории молекулярных биотехнологий был создан Центр коллективного пользования протеомики и метаболомики (ЦКП ПиМ). Для Центра было приобретено дорогостоящее и уникальное оборудование, включая трибридный масс-спектрометр Orbitrap Fusion Lumos, источник ионизации NanoFlex NG, хроматомасс-спектрометр Pegasus BT, масс-спектрометре MALDI-TOF MS и другое.

С момента создания в ЦКП решаются самые разнообразные задачи, включая качественное и количественное определение первичных и вторичных метаболитов различных организмов, секретомов и протеомов микроорганизмов, получение масс-спектров их белковых профилей.

К настоящему времени созданы характеристичные масс-спектры белковых профилей более 80 штаммов коллекции микроорганизмов ИЦиГ СО РАН, которые могут быть использованы для идентификации микроорганизмов и сформирована база данных белковых профилей. Проведены количественные анализы содержания в культуральных жидкостях различных ферментов (протеиназы, альфа-амилазы, маннаназы и др.), секретируемых соответствующими штаммами микрорганизмов, в том числе – сконструированными при помощи генной инженерии штаммами-супер-продуцентами.

Хотя первоочередной задачей ЦКП было быстрое высокоточное определение микроорганизмов по их метаболомному и протеомному профилю, а также выявление в культуральной среде наличия целевых продуктов, созданных штаммов-суперпродуцентов, в ходе эксплуатации центра его задачи были значительно расширены.

Например, были исследованы изменения качественного состава нефтешлама при его деградации бактериальными культурами, проведено сравнение химического состава липофильных соединений в коре рябины сибирской у деревьев, растущих в разных местах Новосибирской области, изучены жирнокислотные профили ооцитов у кошек Felis catus и изменение этих профилей под действием форсколина и т.д.

Оборудование ЦКП ПиМ использовалось в том числе для поиска онкогенетических маркеров при исследовании клеток опухолей молочной железы человека. Метаболическое перепрограммирование — отличительная черта многих видов рака, включая рак молочной железы. С помощью оборудования ЦКП были выявлены онкометаболиты, которые позволяют понять не только метаболические пути транформированных клеток, но и найти новые терапевтические мишени. Полученные результаты позволяют в перспективе рассматривать жирные кислоты как потенциальные маркеры гормонозависимого рака молочной железы.

В настоящее время оборудование Центра коллективного пользования протеомики и метаболомики ИЦИГ СО РАН используется в непрерывном режиме для для выполнения работ в рамках Программы ЦГИМУ «Курчатовский геномный центр», а также для оказания высокотехнологичных услуг НИИ, ВУЗам и коммерческим компаниям. Уникальная научная установка в составе масс-спектрометра сверхвысокого разрешения Orbitrap Fusion Lumos, нано поточной системы сверхбыстрой хроматографии UltiMate 3000 RSLC и системы микрофлюидного электрофореза ZipChip позволяет проводить исследования в широком спектре направлений.

Работа выполнена в рамках Программы центра геномных исследований мирового уровня «Курчатовский геномный центр» (Соглашение № 075-15-2019-1662 от «31» октября 2019 г.), созданного в соответствии с постановлением Правительства от 30 апреля 2019 года №538, который является частью федерального проекта «Развитие масштабных научных и научно-технологических проектов по приоритетным исследовательским направлениям» национального проекта «Наука и университеты».

Пресс-служба Института циологии и генетики СО РАН

Высокочувствительный прибор для обнаружения низкоконтрастных дефектов в оптически непрозрачных материалах создали ученые Аналитического и технологического исследовательского центра «Высокие технологии и наноструктурированные материалы» Физического факультета НГУ совместно с коллегами из Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН. В ее основе лежит использование терагерцового излучения для бесконтактной диагностики покрытий. Разработка направлена на создание технологии неразрушающего контроля для промышленных применений.

Терагерцовое излучение (ТГц-излучение) — электромагнитное излучение, спектр частот которого расположен между инфракрасным и микроволновым диапазонами и соответствует миллиметровым/субмиллиметровым волнам. Данное излучение легко проходит сквозь большинство диэлектриков, например, дерево, пластики, керамика для него прозрачны, что делает его широко применимым в промышленности и материаловедении.

– Важная особенность нашего прибора заключается в том, что при его создании мы применили разработанные нами излучатель и высокоэффективные компактные тонкопленочные поляризационные элементы на основе метаматериалов — искусственных материалов с необычными оптическими свойствами. Данная работа нацелена на развитие методики бесконтактной эллипсометрической диагностики приповерхностных слоев оптически непрозрачных, а также рентгенонеконтрастных материалов и покрытий за счет перехода в коротковолновую часть миллиметрового диапазона длин волн. Изготовленный нами лабораторный макет субтерагерцового эллипсометра уже не раз продемонстрировал свою работоспособность и эффективность. Прибор позволяет обнаружить скрытые внутренние дефекты материала при сканировании пучком излучения вдоль его поверхности, — рассказал старший научный сотрудник лаборатории Сергей Кузнецов.

Ученые продемонстрировали перспективность разработанного ими субтерагерцового эллипсометра для неразрушающего контроля авиационных углепластиков.

Исследования проводились на композитных материалах на основе углеродных волокон, предоставленных ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина». Данные материалы применяются в авиастроении для создания несущих элементов легкомоторных летательных аппаратов — крыльев и фюзеляжа. С помощью экспериментального макета прибора удалось выявить в структуре композита приповерхностные расслоения на ранних стадиях их образования, что критически важно, поскольку при полетных нагрузках процесс расслоения неизбежно усиливается.

Вместе с научными сотрудниками Института теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН ученые АТИЦ ФФ НГУ также успешно апробировали эллипсометр при бесконтактном определении толщин и оптических констант жаропрочных керамических покрытий на основе диоксида циркония (ZrO2), которые методами плазменного и детонационного напыления наносятся на лопатки газовых турбин для их антикоррозийной защиты.

– В процессе напыления в данном случае очень важно контролировать толщину и однородность покрытий. Эффективных и недорогих приборов, способных бесконтактно выполнять такую диагностику, не существует до сих пор — ни в России, ни за рубежом. Поскольку покрытия оптически непрозрачны, просветить их видимым или инфракрасным излучением невозможно, а рентгеновские исследования не дают необходимого контраста. Зато терагерцовые волны подходят, как нельзя лучше, и наш эллипсометр успешно справляется с поставленной задачей, — объяснил Сергей Кузнецов.

Эффективность субтерагерцового эллипсометра была подтверждена при исследованиях, проводимых совместно с научными сотрудниками Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, которые работали над созданием специального керамического покрытия, способного поглощать электромагнитное излучение. Это покрытие предназначено для применения в установках термоядерного синтеза типа ТОКАМАК (тороидальная камера с магнитными катушками). Предполагается, что такие установки будут использоваться в энергетике будущего для производства электроэнергии на основе слияния ядер дейтерия и трития. В камерах установок осуществляется нагрев плазмы с помощью излучения, которое может оказывать разрушающее воздействие на их стенки. Предполагается, что предотвратить это должно керамическое покрытие, поглощающее излучение. Диагностику этого материала на толщину слоя и наличие дефектов успешно провели с помощью эллипсометра.

– Конечно, существуют и другие приборы для диагностики материалов, но преимущество разработанного нами устройства в том, что оно не требует физического контакта с исследуемым объектом. Достаточно направить на него терагерцовые волны и по изменению поляризации отраженного излучения определить, какова толщина и однородность покрытия, — пояснил Сергей Кузнецов.

В настоящее время ученые АТИЦ ФФ НГУ отрабатывают методику обнаружения порошков в бумажных почтовых конвертах с использованием эллипсометра. Рентгеновские установки не «видят» столь малое количество мелкого порошкового вещества, а в терагерцовом диапазоне прибор можно настроить таким образом, чтобы он стал чувствителен к этим материалам.

Когда человек смотрит на горящий светодиод, в его мозге происходит электрическая активность. Это устойчивый визуально вызванный потенциал (УВВП): мозг человека в затылочной области, отвечающей за зрительные ассоциации, генерирует электрические сигналы, которые можно снять с помощью электроэнцефалограммы. Регистрируемые волны уникальны для каждого человека и зависят от его психофизиологического состояния: это в эксперименте доказали ученые Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН. На основе оригинальных нейросетей они создали классификационные модели, которые по мозговой активности определяют личность человека и психофизиологическое состояние. Фактически это фундамент для систем биометрической безопасности на новых принципах.

О практическом применении знаний о мозге в разрезе разработок ученых ИПУ РАН упоминалось в статье портала «Полет силой мысли: добро пожаловать в нейропилоты». В ней описан эксперимент, в котором оператор управляет коптером, стимулируя альфа- и бета-ритмы головного мозга, проще говоря, сосредоточиваясь на задаче и расслабляясь. Тогда же в беседе автор разработки Данияр Александрович Вольф рассказал об исследованиях-спутниках: собирая информацию о работе мозга, ученый сформулировал гипотезу о том, что волны, регистрируемые датчиками, уникальны для каждого человека. А значит, их можно использовать как биометрические маркеры для идентификации человека — своего рода «отпечатки мозга» в виде отображения его активности.

Сотрудники ИПУ им. В.А. Трапезникова РАН провели исследования, подтверждающие гипотезу об уникальности регистрируемых волн, и обучили нейросети их классифицировать при финансовой поддержке Российского научного фонда.

Коротко о результатах

При формировании УВВП мозг создает уникальные для каждого человека волны, которые можно зарегистрировать с помощью электроэнцефалограммы и использовать как индивидуальные идентификационные характеристики и его состояние. Это экспериментально доказал Д.А. Вольф. В перспективе исследование поможет развивать методы распознавания человека по признакам, которые невозможно (по крайней мере, пока) подделать.

Д.А. Вольф: «Два года назад я выдвинул гипотезу: можно ли по сигналу мозга выяснить, с какой зоны он снят? Да, можно. Недавно мою статью опубликовали в журнале Springer. Потом встал вопрос: отличаются ли эти сигналы у разных людей и можно ли их использовать как биометрические маркеры? Основные признаки биометрии известны ― это отпечатки пальцев, распознавание радужки или сетчатки глаза. Мы подтвердили возможность идентификации человека по частотной динамике волн головного мозга, то есть появилась возможность определить, кому именно принадлежали те или иные мысли. Обмануть сканер радужки глаза или отпечатков пальцев сегодня возможно, но подделать образ мышления гораздо сложнее. Это позволит ограничивать человека для работы на конкретном устройстве и при различных состояниях».

Для самой идентификации людей и анализа полученных сигналов электроэнцефалограммы были использованы искусственные нейронные сети AlexNet и Mobile Net 2, обученные с помощью частотно-временных характеристик. Созданные классификационные модели способны определить человека с точностью до 70%. В работе автор подчеркивает, что 70-процентную вероятность идентификации возможно увеличить за счет дополнительной настройки архитектуры нейронной сети с добавлением различных математических блоков. Однако в рамках поставленной задачи важно было не добиться абсолютной точности, но показать, что данные ЭЭГ действительно уникальны, а нейросети способны их различить.

Суть эксперимента

Эксперимент проводили в 2023 г. Участие приняли 30 человек от 17 до 23 лет ― и мужчины, и женщины. Обязательно с нормальным зрением, без неврологических и психиатрических заболеваний и не употреблявшие наркотики ― это важно для чистоты эксперимента.

Во время фотостимуляции на определенных частотах записывались данные электроэнцефалограммы участников в отведениях О1, О2, ОZ, Р3, Р4 и PZ. Полученные данные сгруппировали по частотам фотостимуляции и по группам отведений для каждого участника. Ученые использовали динамику изменения частоты во временном масштабе как признаки для обучения нейросетей и последующей классификации. С помощью кратковременного преобразования Фурье были получены наборы спектрограмм для каждого участника эксперимента, которые и анализировались с помощью нейросетей.

Если проще: данные ЭЭГ каждого испытуемого представили в виде изображений частотного спектра (спектрограмм), различия в которых и искали искусственные нейронные сети.

Д.А. Вольф: «Для поиска различий мы использовали архитектуры искусственных нейронных сетей AlexNet и MobileNet 2. Во-первых, они эффективно работают с изображениями. Во-вторых, мы намеренно использовали популярные и доступные архитектуры нейросетей, чтобы эксперимент могли повторить другие ученые и подтвердить гипотезу. В научной работе я полностью описал шаги исследования, указал, какие именно нейросети использовал и где их взял».

В процессе обучения нейросетей выяснилось, что AlexNet обучается быстрее, чем MobileNet: 300 эпох против 600. Впрочем, на итоговый результат это не влияет, и в результате нейронные сети показывают практически одинаковую точность распознавания человека и его психоэмоционального состояния по ЭЭГ.

Области применения

В феврале этого года Илон Маск рассказал, что первый пациент с вживленным чипом Neuralink полностью выздоровел и учится пользоваться новыми возможностями — например, передвигать курсор компьютерной мыши, просто думая об этом. Создание возможности управлять устройствами без физического взаимодействия ― одна из приоритетных задач науки. И перспективные области применения интерфейсов «мозг ― компьютер» огромны: от повышения комфорта в быту и развлечений до частичного восстановления утраченных органов и протезирования. Это возможность развития когнитивных функций, например концентрации и внимания, реабилитация после инсультов, управление экзоскелетами или инвалидными креслами.

Д.А. Вольф обращает внимание, что, кроме управления системами и устройствами с помощью нейроинтерфейсов, важно научить компьютер идентифицировать людей по сигналам мозговой активности, а также определять их состояние. Это позволит ограничить в действиях человека, находящегося в состоянии аффекта, а также не допустить другого человека к некоторым функциям.

Д.А. Вольф: «Развитие технологий позволяет исследовать новые биометрические параметры, которые могут быть надежнее с точки зрения подмены пользователей и действий злоумышленников. Применение средств идентификации выходит далеко за рамки привычных систем безопасности десятилетней давности. Сегодня технологии биометрического распознавания человека активно внедряются и продолжают усиливаться в системах умного города, предотвращении правонарушений и раскрытии преступлений, медицинских манипуляциях, многофакторных системах предоставления доступа к закрытым данным и помещениям и т.д.

Системы определения личности по мозговой активности могут быть важны для отраслей, заинтересованных в нетрадиционных методах идентификации. Например, это финансовая безопасность. Или их можно использовать вместо ключей зажигания в автомобилях ― система сможет самостоятельно узнать владельца».

Новый способ, позволяющий определять конкретного человека, одновременно открывает возможности более широкой классификации: мужчина ― женщина, старик ― ребенок, трезвый ― пьяный. Но каждое исследование требует отдельного сбора материалов и анализа данных. Такие задачи бинарной классификации ― возможное будущее продолжение исследований. Но и на нынешнем этапе развития методы российских ученых в области интерпретации и классификации сигналов мозговой активности с использованием нейросетей ― одни из передовых в мире.

Д.А. Вольф: «Рано или поздно Neuralink Илона Маска или их австралийский конкурент Synchron придут к тому же самому ― идентификации человека по мозговой активности. И громко заявят об этом всему миру. Поэтому так важно, что сегодня мы рассказываем о своих исследованиях».

Изображение создано при помощи нейросети Kandinsky

Александр Бурмистров