В Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) разработан опытный образец студийных акустических мониторов ближнего поля, обеспечивающих высококачественное воспроизведение звука. Максим Шушнов, заведующий кафедрой цифрового телерадиовещания и систем радиосвязи СибГУТИ, поделился подробностями о проекте.

По словам Максима Шушнова, мониторы ближнего поля, в отличие от обычных акустических колонок, предназначены для работы со звуком на небольшом расстоянии (1,5–2 метра) и призваны выявить самые даже малозаметные недостатки записи. Это позволяет звукорежиссеру выполнять на высоком профессиональном уровне корректировку обрабатываемого материала.

Разработка СибГУТИ, созданная преимущественно на основе компонентов российского производства, по своим характеристикам сопоставима с зарубежными аналогами, а в некоторых аспектах даже превосходит их.

Он отметил, что идея создания собственных мониторов возникла в связи с увеличением стоимости профессионального оборудования из-за ухода с рынка иностранных брендов. А доступные к приобретению модели азиатских брендов часто не соответствуют требованиям к качеству. Команда СибГУТИ полностью с нуля разработала свой конструктив электронных схем и функциональных блоков активных мониторов: активные фильтры и усилители с минимальным уровнем искажений, корпус с вибропоглощением, выполнила модификацию динамических головок для их применения в проекте. Оптимальные решения, примененные в итоговом варианте прототипа, стали результатом опытно-конструкторской работы коллектива, которая сопровождалась многочисленными испытаниями различных решений.

«Основными проблемами были: отсутствие готовых методик проектирования студийных мониторов и крайне ограниченная доступность отечественных компонентов. В ходе работ мы использовали нестандартные схемотехнические решения для компенсации дефицита современных микросхем, тестировали компоненты, характеристики которых не всегда соответствовали заявленным, и, конечно же, самостоятельно разрабатывали печатные платы», – пояснил Шушнов. Результаты исследований будут включены в «справочник решений» — базу данных проверенных конструкций, актуальную в условиях санкций.

Для оценки качества акустических мониторов проведены объективные измерения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), уровня искажений различных видов, звукового давления и ряда других. Кроме того, звучание протестировано в акустически подготовленной студии для выявления нюансов, которые сложно обнаружить с помощью приборов. Например, оценивалась разрешающая способность системы и способность выявлять дефекты в записанном звуковом материале.

«Чтобы «выжать максимум» проекта, важно создать технически оснащенную лабораторию. Создание такой лаборатории открывает новые возможности. Мы сможем обучать студентов на современном оборудовании собственной разработки, готовить высококлассных звукооператоров и звукорежиссеров. Это, на мой взгляд, значительный потенциал для университета и отрасли в целом», – поделился начальник отдела технического сопровождения СибГУТИ Денис Ковалев.

На основе проведенных исследований по проекту опубликованы научные публикации, включая работы, посвященные анализу динамических головок. Полученные результаты уже применяются в образовательном процессе, предоставляя студентам возможность участвовать в разработке инновационных проектов. Созданный прототип полностью подготовлен к началу этапа предсерийного производства.

Александра Карафинка, руководитель Медиацентра СибГУТИ,

Мы уже неоднократно обращались к теме геотермальной энергетики. В наше время ее настойчиво поднимают сотрудники Института теплофизики СО РАН, выступая на различных форумах и конференциях. Особо интригующе для нас звучит проблема использования глубинного тепла Земли, поскольку, как выясняется, территории Западной Сибири как раз богаты этим энергетическим ресурсом.

К сожалению, на уровне руководства страны энергетические ресурсы сибирских недр в большей степени ассоциируются с нефтью и природным газом, чем с глубинным теплом. По этой причине у нас регулярно оглашаются планы по увеличению добычи углеводородов, в то время как прорывные проекты в области геотермальной энергетики никак не находятся в первых рядах. Нельзя сказать, что эта тема совершенно игнорируется. Однако очевидно то, что на данном этапе ее не связывают с магистральным направлением развития энергетической отрасли. И даже непонятно, связывают ли с ней энергетику будущего.

А ведь в послевоенные годы глубинное тепло Земли прямо рассматривалось как основной энергетический ресурс будущего (о чем мы также писали). Как утверждали советские ученые того времени, тепловые запасы нашей планеты настолько велики, что почти не поддаются учету. Считалось, что, если человеку удастся использовать хотя бы тысячную или даже миллионную долю глубинного тепла, энергетические ресурсы мира увеличатся многократно.

В то время это были не просто отвлеченные рассуждения теоретиков. Между СССР и США уже тогда разворачивалось соревнование за овладение этим энергетическим ресурсом. Как нетрудно догадаться, практические шаги в данном направлении были напрямую связаны с разработкой технологий сверхглубокого бурения. К началу 1970-х годов самую глубокую скважину удалось пробурить американцам. Речь идет о скважине «Юниверсити Е-Е-1» в Техасе. Ее глубина составляла 7 724 метра. В СССР самая глубокая на тот момент скважина была пробурена на территории Белоруссии. Ее глубина – 7 410 метров.

Задача, которую тогда ставили наши ученые – проникнуть на глубину 15 – 20 километров. Согласно расчетам, на таких глубинах температура должна составить 400 – 600 градусов Цельсия, что укладывается в параметры температуры пара самых современных угольных ТЭС. Вопрос заключался в том, как добраться до таких глубин? Эта проблема озадачивала ученых разных стран мира. И больше всего над этим работали в США и в СССР.

В начале 1970-х в мире сформировалось два основных проекта сверхглубокого бурения – американский и советский. Американцы сосредоточились на работах в районе Тихого океана, пытаясь через океанское дно добраться до зоны верхней мантии, чтобы изучить ее состав и свойства. Считалось, что под океанами земная кора очень тонкая – примерно 5 – 10 километров. Первую попытку сверхглубокого бурения американцы предприняли в самом начале 1970-х годов у берегов Южной Калифорнии. Здесь была установлена плавучая буровая вышка. Однако задачу решить не удалось. Пройдя первые двести метров, алмазный бур уперся в очень прочный базальтовый слой. Работы по непонятной причине были приостановлены. Параллельно начинались работы по сверхглубокому бурению в районе Гавайских островов.

В отличие от американского проекта, советский проект предусматривал сверхглубокое бурение не на в море, а на суше. Такие работы в начале 1970-х годов организовывались в самых разных регионах страны, в том числе и в Прикаспийской впадине в Азербайджане, где параллельно решалась и другая задача – выяснить наличие углеводородов в глубоких слоях. Ученые не исключали наличия нефти и газа на глубине 6 – 7 километров.

Аналогичные работы проводились на Урале, в Средней Азии, Забайкалье и на Курильских островах. По ходу проводимых работ наши ученые создавали и саму технологию сверхглубокого бурения. Под решение этой задачи, например, конструкторы Уралмашзавода разработали проект буровой установки, способной пробурить скважину на глубину 15 километров. Данная установка представляла собой целый комплекс со своей электроподстанцией, машинным залом, насосной и т.д. При этом ученые искали принципиально новые пути проходки сверхглубоких скважин. В то время на эту роль выдвигались два новых метода – взрывной и кавитационный. Первый заключался в том, что на забой скважины через колонну буровых труб спускаются заряды. Каждый обеспечивал последовательное углубление.

Кавитационный метод тоже был связан со взрывом. В скважину опускали стеклянные или пластмассовые шарики, содержавшие воздух при атмосферном давлении. На большой глубине при высокой температуре и огромном давлении оболочки шариков разрушались, и происходил взрыв.

Благодаря появлению указанных методик традиционный механический способ бурения уже тогда казался нашим ученым совершенно устаревшим. Некоторые вообще полагали, что в скором времени для бурения скважин будет использоваться ультразвук, пучок электромагнитных волн или электрогидравлический удар. Некоторые мыслили еще смелее, предлагая технологии с использованием искусственной шаровой молнии или струи плазмы. Перед таким «инструментом», полагали они, не устоят даже самые твердые породы. При этом затраты труда и времени должны были сократиться. Были даже размышления о создании специальных кораблей для бурения – «подземоходов». То есть сверхглубокому бурению у нас в стране придавали значение не меньшее, чем освоению космоса.

Одновременно с тем наши ученые размышляли о методах использования глубинного тепла для выработки электроэнергии и теплоснабжения. На подземном тепле, уверяли они, можно обеспечить работу очень мощной электростанции. Замкнутое кольцо из глубоких скважин будет подавать пар температурой более 300 градусов Цельсия под давлением в несколько атмосфер. Пар направляется в турбины для получения электрической энергии, в то время как отработанная горячая вода (из турбин) может использоваться для отопления или же возвращаться в глубинные слои для последующего нагрева. Подобные геотермальные электростанции могут иметь мощность более гигаватта (то есть равняться по мощности тогдашним атомным энергоблокам).

Как долго будет работать такая электростанция? Поскольку она отнимает мизерную часть глубинного тепла, ее работа может быть практически неограниченной. Преимущество геотермальных электростанций в том, что они не нуждаются в подвозе топлива. Для них не нужны котельные цеха, не нужны подъездные пути, склады для топлива (или газовые хранилища). Тепло Земли будет питать их без всяких перебоев. Так рассуждали наши ученые и, очевидно, во многом они были правы.

Однако несмотря на все указанные преимущества, геотермальная энергетика развивалась слишком медленно. Это досадное обстоятельство отмечалось еще полвека назад. Правда, тогда это находило свое объяснение, поскольку технологии сверхглубокого бурения только-только выходили на старт и были в то время относительно дорогими. И тем не менее, у наших ученых была абсолютная уверенность в том, что использованию глубинного тепла Земли принадлежит будущее. Причем, эти перспективы вырисовывались куда более отчетливо, чем в случае с управляемым термоядерным синтезом.

В этой связи перед нами встает один и тот же злободневный вопрос: почему спустя полвека на этом направлении у нас не произошло революционного прорыва, несмотря на то, что мы тогда шли след в след за американцами? Как мы уже успели показать, к технологиям сверхглубокого бурения у нас относились весьма серьезно, а значит, логично было бы ожидать ближе к нашему дню появления хотя бы одной экспериментальной электростанции, работающей на тепле земных глубин. Полагаем, что полвека назад в этом не видели ничего фантастического.

Тем не менее, с приходом «эффективных менеджеров», сделавших ставку на покупку готовых технологий, под вопросом оказалась не только тема глубинного тепла, но и наши лидерские позиции по части бурения скважин. Случалось так, что в начале нашего столетия нефтяные скважины в северных морях уже бурила приглашенная американская компания. После наложения санкций она вышла из проектов по освоению Арктики, и в итоге их реализация «подвисла».

В этой связи мы специально обращаемся к разработкам полувековой давности, чтобы было понятно, чем оборачивается для нашего экономического благополучия ставка на «готовенькое» - в ущерб собственному интеллектуальному потенциалу. Надеемся, что руководство страны уже сделало из этой истории надлежащие выводы. 

Николай Нестеров

7 июня 1957 года вышло постановление Президиума Академии наук СССР № 448 об образовании первых научных институтов в составе Сибирского отделения АН СССР. В их числе был и наш Институт цитологии и генетики, поэтому эта дата традиционно считается днем рождения института.

Но институт рос и менялся, в результате превратившись в федеральный исследовательский центр – самое крупное многопрофильное научное учреждение, занимающееся генетическими исследованиями в системе Российской академии наук. Приказ о реорганизации института в ФИЦ был подписан 31 декабря 2014 года и эту дату можно считать еще одним «днем рождения» ИЦиГ, теперь уже в новом формате – исследовательского центра.

В состав ФИЦ в момент его образования на правах филиала ИЦиГ СО РАН вошел Сибирский НИИ растениеводства и селекции (СибНИИРС) – одно из старейших научно-селекционных учреждений Сибири. СибНИИРС ведет свою историю с 1936 года, когда в соответствии с постановлением Совнаркома СССР, на территории Новосибирского района была организована Западно-Сибирская краевая опытная станция зернового хозяйства. В 1972 году на базе опытной станции был создан Сибирский филиал Всесоюзного НИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова. А статус самостоятельного научно-исследовательского института он получил в соответствии с постановлением Совета министров РСФСР № 160 от 21 марта 1977 года. И эту дату тоже можно отнести в список памятных дат для ФИЦ ИЦиГ СО РАН

В декабре 2016 года в состав ИЦиГ СО РАН также на правах филиалов вошли два медицинских научно-исследовательских института – НИИ клинической и экспериментальной лимфологии (НИИКЭЛ) и НИИ терапии и профилактической медицины (НИИТПМ).

НИИТПМ был организован приказом Министерства здравоохранения СССР № 976 от 21 сентября 1981 года. Коллективу института были пставлены задачи изучения особенностей распространенности в Сибири заболеваний терапевтического профиля, разработки новых методов диагностики, лечения и профилактики внутренних заболеваний, подготовки и усовершенствования врачебных и научных кадров.

НИИКЭЛ был создан приказом Министерства здравоохранения СССР № 183 от 10 июля 1991 года с целью проведения исследований в области реабилитации поврежденных структур организма, создания новых высокоэффективных индивидуализированных технологий восстановления нарушенных структур и функций лимфатической системы в комплексном лечении социально значимых патологий.

Эти две даты мы также можем смело отнести в список «дней рождений» Федерального исследовательского центра.

А сегодня – 7 июня – мы поздравляем всех сотрудников ИЦиГ СО РАН с днем рождением института и напоминаем, что именно здесь, почти семьдесят лет назад началось возрождение генетики в нашей стране! С праздником!

Старший научный сотрудник отдела синхротронных исследований ЦКП «СКИФ» Михаил Платунов совместно с коллегами из российских научных организаций изучил атомную структуру и свойства магнитных наноматериалов, образованных бактериями, обитающими в стоках промышленных предприятий. Исследование показало, что материалы обладают уникальными магнитными свойствами и имеют высокий потенциал применения для очистки сточных вод и хвостохранилищ, а также перспективны в качестве бионаночастиц, применяемых в таргетной терапии заболеваний.

В исследовании приняли участие ученые ЦКП «СКИФ», Томского государственного университета (ТГУ), НИЦ «Курчатовский институт» (Москва), Института физики СО РАН (Красноярск), Института ядерной физики СО РАН, Института химии твердого тела и механохимии СО РАН. Результаты опубликованы в международных журналах Inorganics https://www.mdpi.com/2304-6740/13/2/34 и Environmental Science: Advances  https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2024/va/d4va00040d

Ученые исследовали наноматериалы, синтезированные штаммами анаэробных сульфатредуцирующих (способных получать энергию в отсутствии кислорода за счет сульфатного дыхания – восстановления сульфатов до сероводорода) бактерий Desulfovibrio sp. Некоторые штаммы Desulfovibrio sp. относятся к магнитотактическим бактериям – микроорганизмам, способным ориентироваться вдоль силовых линий магнитного поля Земли благодаря наличию магнитосом – формирующихся внутри клеток нанокристаллов железосодержащих минералов, таких как грейгит или магнетит.

В процессе жизнедеятельности эти бактерии поглощают ионы металлов из окружающей среды и формируют биоминералы как внутри, так и вокруг клеточной оболочки. Эта способность делает Desulfovibrio sp. перспективным объектом для создания биосовместимых наноматериалов, применимых в медицине, электронике и промышленности.

Бактерии для экологии

«Зеленый» (биогенный) синтез наноматериалов имеет множество преимуществ перед химическим, включая отсутствие токсичных химикатов, экологически чистый процесс производства стабильных наноструктур и более низкую стоимость.

Штамм Desulfosporosinus sp. OL был выделен учеными Кафедры физиологии растений, биотехнологии и биоинформатики Томского государственного университета из хвостохранилища Комсомольского золоторудного месторождении в Кемеровской области. Полученные бактерии синтезировали нанокристаллы, которые были переданы для анализа в отдел синхротронных исследований ЦКП «СКИФ».

В результате исследований на источниках синхротронного излучения в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН и НИЦ «Курчатовский институт» было установлено, что данный штамм образует наночастицы железосодержащих минералов с выраженными магнитными свойствами, включая грейгит, ферригидрит, виванит и сидерит. Эти бактерии, живущие в шламах промышленных предприятий, действуют как биосорбенты, эффективно поглощая фосфор и формируя фосфорсодержащие минералы. Это подтверждает высокую перспективность использования Desulfosporosinus metallidurans в технологиях биологической очистки сточных вод и извлечения фосфора из промышленных отходов. Более того, магнитные свойства синтезированных частиц позволяют не только эффективно отделять фосфорсодержащие соединения, но и восстанавливать фосфор с последующим использованием в производстве сырья для фосфорных удобрений, компонентов для литиевых батарей и в катализе.

Таким образом, исследователям удалось показать, что использование Desulfosporosinus metallidurans обладает высоким потенциалом для создания экономически и экологически эффективных решений в области утилизации промышленных отходов и устойчивого фосфорного цикла.

Бактерии для медицины

Штамм Desulfovibrio sp. A2 также был выделен учеными Томского государственного университета в рамках изучения биомеханизмов синтеза наноматериалов.

Ученые исследовали наноструктуры, сформированные этими бактериями, и выявили, что они представляют собой смесь железосодержащего минерала вивианита, кристаллических фаз серы и наночастиц ферригидрита. Существенная доля серосодержащх минералов оказывает важное влияние на кристаллохимические и магнитные свойства полученного материала.

Исследования показали, что биогенные материалы обладают уникальными магнитными характеристиками. В частности, незначительные изменения в локальной атомной структуре этих материалов могут значительно влиять на такие параметры, как намагниченность насыщения и магнитная жесткость, открывая возможности для точной настройки магнитных свойств. Это может быть особенно важно при разработке функциональных материалов для биомедицинского применения, например в таргетной доставке лекарств или гипертермической терапии опухолей.

Таким образом, штамм Desulfovibrio A2 представляет собой перспективную биоплатформу для создания биосовместимых и управляемых магнитных наноматериалов с заданными характеристиками.

Справка:

Центр коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН» — проект класса «мегасайенс» с синхротроном поколения 4+, который создается в новосибирском наукограде Кольцово.

ЦКП «СКИФ» представляет собой комплекс из 34 зданий и сооружений, а также инженерного и технологического оборудования, обеспечивающий выполнение научных исследований на пучках синхротронного излучения (СИ).

Реализация проекта находится на особом контроле полномочного представителя Президента Российской Федерации в Сибирском федеральном округе Анатолия Серышева.

Уникальные характеристики нового источника СИ позволят проводить передовые исследования с яркими и интенсивными пучками рентгеновского излучения во множестве областей — химии, физике, материаловедении, биологии, геологии, гуманитарных науках. Также ЦКП «СКИФ» поможет решить актуальные задачи инновационных и промышленных предприятий.

Как мы уже неоднократно отмечали, тему «низкоуглеролного» развития советские и зарубежные ученые поднимали задолго до того, как ее подхватили политики и включили в свои экономические стратегии. Так, еще в самом начале 1970-х годов в научной периодике вовсю обсуждалась проблема парниковых выбросов и их влияния на климат. Уже тогда это вызывало некоторую тревогу. По расчетам американских ученых, только 10% выбрасываемого CO₂ может быть усвоено растениями. Остальное накапливается в атмосфере и приводит к глобальному потеплению.

Правда, для советских ученых данное обстоятельство не становилось поводом для паники. Они резонно замечали, что парниковый эффект частично компенсируется запылением атмосферы. А кроме того, в ближайшие 20-30 лет, по их мнению, приток углекислого газа в атмосферу может понизиться в силу того, что ископаемого топлива будет сжигаться намного меньше! Советские ученые еще в самом начале 1970-хгодов выражали уверенность в том, что в ближайшей перспективе на смену тепловым электростанциям начнут приходить атомные энергоблоки. А в недалеком будущем автомобили с двигателями внутреннего сгорания начнут вытесняться электромобилями. Подчеркиваем, что эти мысли высказывались более полувека назад. Поэтому современный «зеленый» энергопереход, целенаправленно осуществляемый в европейских странах, совсем не является каким-то недавним изобретением. Когда-то его обсуждали как вполне себе «нормальный» (и даже неизбежный) сценарий развития мировой цивилизации.

Тем не менее, даже указанные меры, по мысли советских ученых, не в состоянии полностью свести углеродные выбросы до нуля. Количество углекислого газа в атмосфере все равно будет возрастать, пусть и не такими темпами, как в наблюдаемое ими время. Свою лепту сюда должно вносить постоянно растущее население планеты, а также растущее поголовье скота (на что также обращали внимание более полувека назад). Однако это не должно становиться поводом для тревоги, поскольку рост концентрация CO₂ постепенно превратит атмосферу в… новую «кладовую» важного углеводородного ресурса.

Как отмечали ученые, углекислый газ – это, прежде всего, углерод, который является главным «строительным материалом» органического вещества, включая нефть и природный газ. Связь между углеродом и нефтью была очевидной. И что самое важное: в начале 1970-х годов путь от углекислого газа до нефти считался абсолютно понятным и реальным с практической точки зрения. Отсюда вытекала убежденность в том, что со временем, когда сильно истощатся нефтегазовые месторождения, человечество встанет на путь добычи нефти не из земных недр, а прямо из атмосферы!

Согласно ходу указанных рассуждений, именно в этих обстоятельствах возникнут объективные условия для осуществления энергетически емкого синтеза нефти из углекислого газа.  Прежде всего на этом пути придется решить одну принципиально важную задачу – найти рациональный способ выделения CO₂ (в виде углекислоты) из огромных масс воздуха, причем – в совершенно чистом виде, без всяких примесей. На тот момент уже существовало масса таких способов – как химических, так и физических. Например, вымораживание или разделение с помощью пористых мембран и т.д.

Не исключался вариант, когда воздух, содержащий углекислоту, после осушки будет соединяться с газообразным аммиаком. Аммиак, вступая во взаимодействие с углекислотой, образует углекислый аммоний. Данное соединение представляет собой белый кристаллический порошок, легко отделяемый механическим способом от всех газообразных компонентов. Такая операция может осуществляться в специальных аппаратах типа циклонов или центробежных сепараторов. Воздух, освобожденный от углекислоты (то есть лишенный углекислого газа) будет возвращаться обратно в атмосферу. Дальнейший этап – выделение углекислоты из углекислого аммония. Это вещество само по себе является термически нестойким, и под действием тепла оно легко разлагается на аммиак и двуокись углерода. После указанной процедуры аммиак возвращается на повторное технологическое использование, а углекислота поступает на дальнейшую переработку

Уже с этого технологического этапа углекислоту можно рассматривать в качестве потенциального «полуфабриката» для синтезирования нефти. Но для того, чтобы она стала реальным сырьем, ее надлежало разложить на окись углерода (так называемый «угарный газ») и кислород. К сожалению, такая реакция требует высоких энергетических затрат. По мысли советских «рационализаторов», для этого стоило бы подключить атомную энергетику. Так, не исключалось использование жесткого гамма-излучения. В любом случае, у наших ученых была уверенность в том, что техника «завтрашнего дня» обеспечит самый оптимальный вариант решения этой задачи.

Здесь их внимание сосредотачивалось на самой смеси окиси углерода и кислорода. Эту смесь также надлежало разделить, чтобы оставить чистую окись углерода. Собственно, она и является тем сырьем, из которого надлежало получить «небесную» нефть. Факты такого химического превращения были ученым хорошо известны. В свое время, еще в 1908 году русские химики показали возможность синтеза нефтяных углеводородов из окиси углерода и водорода.

Позже этой возможностью воспользовались немцы. Так, во время Первой мировой войны Германия была отрезана от природных нефтяных источников. Тем не менее, немецкие химики нашли выход из ситуации, создав крупное производство синтетической нефти. Источником для получения водорода послужили бурые угли. Сам синтез нефти осуществлялся при контакте водорода при температуре 180 – 200 градусов Цельсия с окисными железно-цинковыми катализаторами.

Показательно, что в течение ряда лет Германия успешно эксплуатировала заводы по производству синтетического жидкого топлива, где использовался указанный метод. Лишь после того, как увеличилась мировая добыча нефти и последняя двукратно упала в цене, эти заводы уже не смогли конкурировать с природными углеводородами. Постепенно они были остановлены и задействованы для других целей. Значение технологии было утрачено. Однако, по мнению советских «рационализаторов», оно будет полностью восстановлено после того, как начнется массовое производство синтетической нефти на основе «атмосферного» сырья. То есть технология возродится, но у же в совершенно новых условиях и с использованием принципиально других сырьевых ресурсов.

Правда, такое производство потребует много воды и много дешевой электрической энергии. Однако на этот счет, как мы уже показали, у советских ученых особых переживаний не было, поскольку они жили в оптимистическую эпоху. В то время, о чем мы часто говорили, у многих людей существовала глубокая убежденность в том, что вхождение цивилизации в «атомный век» обещает энергетическое изобилие. Мы уже не говорим о создании термоядерных реакторов, в появлении которых полвека назад мало кто сомневался.

Конечно, может возникнуть вопрос: для чего в условиях энергетического изобилия осуществлять синтез «небесной» нефти? Судя по контексту указанных «рацпредложений», такую нефть в большей степени рассматривали как сырье для химической промышленности, чем в качестве топлива. Но главное – был показан путь снижения концентрации углекислого газа в атмосфере. Это именно то, чем сейчас активно занимаются в западных странах, разрабатывая немыслимо дорогие технологии улавливания и захоронения CO₂ (о чем мы в свое время много писали). Согласимся, что в этом контексте предложение от советских ученых полувековой давности выглядит куда более рационально. Ведь есть разница – «хоронить» атмосферный углерод в каких-то морских скальных породах или использовать его как сырье для химической промышленности. Вне всяких сомнений, второй вариант кажется намного практичнее.

Николай Нестеров

Как мы знаем, тема освоения северных территорий в течение последних десяти лет поднимается у нас на самом высоком уровне. В последнее время она стала еще более актуальной в силу того, что северные регионы планеты попали в поле зрения наших так называемых «геополитических» конкурентов, в первую очередь – США.

В ряду неотложных задач, связанных с указанной темой, находятся вопросы энергетического снабжения осваиваемых территорий (о чем мы говорили неоднократно). Далеко не последнее место занимает и вопрос продуктового снабжения жителей и работников Крайнего Севера. Он также поднимается, однако пока ему не придается слишком большого значения.

В этой связи нельзя не обратиться к опыту советских времен, когда Крайнему Северу придавали значение не меньшее, а скорее – большее, нежели в наши дни. «Продуктовый» вопрос был здесь одним из ключевых. Речь, как мы понимаем, шла о создании местных сельскохозяйственных предприятий. Завоз продуктов (как и завоз топлива) был слишком накладным делом. Поэтому советские ученые вполне ожидаемо попытались осуществить интродукцию растений в условиях Крайнего Севера.

Подчеркиваем, что это дело с самого начала было поставлено на научную основу. Началось это уже с 1923 года, когда в Хибинах возник первый опорный пункт, впоследствии реорганизованный в полярную опытную станцию Всесоюзного института растениеводства. Сразу же началась селекционная работа. За короткий срок ученым удалось вывести более пятидесяти сортов, пригодных для возделывания в северных условиях. В 1930 году был создан первый за Полярным кругом совхоз. В том же году в Калерии был создан совхоз «Полярный пионер».

В 1937 году в Ленинграде открылся Научно-исследовательский институт полярного земледелия, животноводства и промыслового хозяйства (впоследствии перенесенный в Норильск как НИИ сельского хозяйства Крайнего Севера). Институт имел девять опытных станций и девять опорных пунктов, расположенных во всех зонах Крайнего Севера. Разработкой близких к земледелию теоретических вопросов (почвоведение, микробиология, геоботаника, физиология растений) занимались также в Кольском, Коми и Якутском филиалах Академии наук СССР.

Как утверждали специалисты, важнейшим фактором, сдерживающим развитие земледелия в условиях Крайнего Севера, является вечная мерзлота. За короткое северное лето здесь оттаивает только верхний слой почвы толщиной от 10 -20 см до полутора метров. Мерзлота задерживает влагу, не пропуская ее внутрь. Поэтому громадные пространства Севера являются заболоченными. В болотистых почвах под влиянием водных микроорганизмов образуются соли железа, угнетающие растения. Аэробных микроорганизмов в северных почвах очень мало, и активность их весьма низкая. По этой причине все процессы разложения органических соединений протекают крайне медленно, в результате чего почвы бедны питательными веществами.

Из-за того, что летние температуры колеблются, вечная мерзлота то уходит вглубь, то подбирается к самым корням растений. Суммы активных температур (свыше 5 градусов Цельсия) крайне невысоки.  В арктической пустыне они едва достигают 500 градусов. Поэтому там практически ничего не растет. В тундре и лесотундре этот показатель находится в диапазоне 700 – 1300 градусов. В таежной зоне – от 1200 до 1900 градусов. Но этого также мало. Поэтому здесь вызревают только самые скороспелые сорта некоторых культурных растений.

Интересно, что борьба с вредителями на Севере не менее актуальна, чем в южных широтах страны. Правда, здесь есть свои специфические особенности. На Крайнем Севере отсутствуют многие вредители, которые характерны для юга. Однако те, что есть, встречаются здесь в чудовищных количествах. По подсчетам советских ученых, с одного квадратного метра почвы, засеянного луком, вылетает до пятисот луковых мух. С одного квадратного метра почвы, засеянного картофелем, было собрано свыше ста сорока проволочников – личинок жуков-щелкунов (злейших вредителей клубней и корней). На поле, засеянном рожью, на одном квадратном метре число проволочников могло превысить триста пятьдесят экземпляров. Для сравнения, в средней полосе их количество почти в семь раз ниже.

В то же время на Крайнем Севере у растений были определенные преимущества. В первую очередь это касается полярного дня. Если сопоставить сумму света, получаемую растениями за вегетационный период (складывая часы солнечной освещенности в течение трех летних месяцев), то мы получим следующую картину: на широте Москвы с июня по август солнце в среднем светит 1 498 часов; в Ленинграде – 1 585 часов; в Салехарде – 1 864 часа; к северу от Мурманска – более 2 000 часов. Как мы понимаем, чем больше светит солнце, тем больше длится фотосинтез, соответственно, тем больше органических веществ могут создать растения.

Как отмечали советские ученые, на севере процесс фотосинтеза идет быстрее, чем на юге. Объяснялось это тем, что в северном спектре преобладает красно-оранжевая (то есть длинноволновая) часть солнечного освещения. Именно эта часть спектра максимально поглощается хлорофиллом растений, поэтому рост идет очень быстро. К примеру, белокочанная капуста сорта Номер Первый в лесотундровой зоне в фазе формирования кочана может за одни сутки дать прирост урожая до 15 центнеров на один га!

После многолетних исследований ученые выявили два основных направления земледелия на Крайнем Севере: овощеводство (особенно выращивание ранней продукции) и производство кормов для животных. Последний момент особо примечателен тем, что северные территории оказались весьма благоприятными для развития молочного животноводства. К началу 1970-х годов около миллиона голов крупного рогатого скота уже разводили на территориях вплоть до Диксона. Практика показала, что овощи и корма для животных гораздо выгоднее выращивать на месте, чем завозить издалека.

Если говорить конкретно о том, что выращивалось на Крайнем Севере, то здесь всё зависело от конкретной широты. В арктической пустыне ничего не возделывалось. В тундровой зоне различные овощи выращивались в теплицах, часть овощей – в пленочных укрытиях. На наиболее защищенных участках в открытом грунте возделывались некоторые местные травы. Южнее, в лесотундре, выращивали некоторые овощи и овес на зеленый корм. В зоне северной тайги набор овощей увеличивался. В открытом грунте выращивался еще и ячмень на зерно. В зоне средней тайги набор овощей и трав оказался уже довольно обширным.

Причем, благодаря высокой интенсивности фотосинтеза, травы и овощи растут здесь очень быстро. Так, травы за сутки могут вырастать на 2 – 2,5 сантиметра, а в особо теплые дни – до восьми сантиметров! Урожаи овощей оказались примерно такими же, как и в средней полосе. В советские годы с одного гектара поля собирали 450 центнеров картофеля, свыше 1 000 центнеров капусты и до 600 центнеров силосных культур. И хотя затраты на выращивание здесь были заметно выше, овощеводство все равно оказалось рентабельным.

Интересны и некоторые наблюдения, особо важные для фундаментальной науки. Так, простое перенесение на Север южных сортов приводило к изменению признаков внешнего и внутреннего строения. Например, у картофеля, перенесенного с юга, вес клубней начинал превышать вес ботвы, причем на корешках образовывалось громадное количество мелких клубеньков. У ячменя изменчивость шла в сторону уплотнения колоса. Даже у тепличных растений наблюдались отклонения от нормы. Таких наблюдений было сделано достаточно много. По этой причине большое значение придавалось выведению новых, специфических как раз для Севера сортов.

В этом смысле Крайний Север можно назвать гигантской естественной генетической лабораторией. По мнению советских ученых, развитие сельского хозяйства на Крайнем Севере должно напрямую сопрягаться со становлением северной промышленности. Дело в том, что избыточное тепло предприятий рассматривалось как источник обогрева теплиц. Первые примеры уже появились к началу 1970-х годов. Так, в Воркуте был построен гигантский тепличный комбинат. Такие же комбинаты строились в Норильске, Мурманске и Магадане. Планировалось создать тепличные хозяйства для каждого района. К указанному времени население Крайнего Севера примерно на 25 – 30% обеспечивалось продуктами местного происхождения. По мнению ученых, были все предпосылки к тому, чтобы добиться стопроцентного собственного обеспечения некоторыми овощами. В этом виделось важнейшее условие для дальнейшего освоения северных территорий.

В принципе, в наше время указанные идеи переживают ренессанс. Причем, на более высоком технологическом уровне, где планируют задействовать атомные реакторы малой мощности (о таких проектах мы уже сообщали ранее). Насколько эти замыслы воплотятся в жизнь, время покажет. Как раз в этой связи мы и обращаемся к советскому опыту, чтобы обозначить здесь некоторую преемственность, которая, безусловно, имеет место.

Николай Нестеров

Очередное намерение властей США выйти из Парижского соглашения может иметь куда более серьезные последствия, чем прекращение строительства ветряков. Как уже стало окончательно известно, за этим решением просматривается стремление новой команды радикально «переформатировать» науку о климате, полностью отказавшись от нагнетания страхов по поводу климатических изменений. Замах весьма серьезный, который уже взбудоражил определенную часть американского научного сообщества (и не только американского).

Отметим, что в сообществе ученых-климатологов давно уже установился консенсус по двум принципиально важным пунктам: 1) климатические изменения имеют причины антропогенного характера (промышленный выброс парниковых газов); 2) наблюдаемые изменения происходят очень быстро по историческим меркам и могут иметь катастрофические последствия для всего человечества. Этих взглядов теперь придерживается большинство ученых, так или иначе исследующих данную проблему. И лишь небольшое число аутсайдеров (назовем их этим словом) не разделяют этой позиции. Однако их голоса никак не влияют на установившийся консенсус, а тем более – на мировую политику.

Так вот, команда Трампа намеревается перечеркнуть оба пункта, выдвинув на первый план позицию аутсайдеров. По сути, Трамп и его соратники вторгаются в «святая святых» современной науки о климате, что не может не вызвать ропота среди статусных представителей научного сообщества. Стоит напомнить, что исследования климатических изменений и их негативных последствий (именно негативных) с определенных пор щедро финансируются как на уровне отдельных государственных программ, так и на международном уровне (по линии ООН). Конкретно в США в эту работу вовлечены сотни ученых, и потому крутой «климатический» вираж новой администрации может запросто оставить их не у дел. В первую очередь это касается научных сотрудников таких известных правительственных учреждений, как NASA и NOAA (Национальное управление океанических и атмосферных явлений), а также сотрудников сети национальных лабораторий Министерства энергетики США.

Американские климатологи забили тревогу уже в конце прошлого года – после победы Трампа на выборах. Участники конференции Американского геофизического союза высказали опасения, что приход нового президента угрожает им потерей работы. Беспокойство вызывала как сама позиция Трампа в отношении климатической угрозы, так и реальный подвижки, осуществленные им во время первой каденции. Трамп в этом плане оказался «крепким орешком», чьи скептические взгляды на проблему невозможно пошатнуть никакими цифрами и фактами.

Еще до своего президентства Трамп позволял себе насмешливо-ироничные высказывания по поводу глобального потепления. Так, в 2012 году, находясь в Нью-Йорке, он написал у себя в Твиттере, что, мол, сейчас здесь так холодно, что глобальное потепление совсем не помешало бы. Год спустя он прямо объявил глобальное потепление «мистификацией», сославшись на арктический шторм, докатившийся до Техаса. В 2016 году он заявил о том, что климатические изменения в реальности являются лишь очень дорогой формой налога.

В общем, Трамп изначально выступал как типичный климатический скептик, мало разбирающийся в климатологии (что очень характерно для климатических скептиков). Однако с тех пор его взгляды претерпели заметную эволюцию. Теперь он и его команда уже не отрицают самого факта климатических изменений – они просто отметают утверждения насчет негативных последствий этих изменений. И именно этот момент больше всего вызывает обеспокоенность у статусных климатологов. Ведь одно дело – не разбираться в фактах (что очень легко разоблачить), и совсем другое дело – не соглашаться в оценках. Если в привычной трактовке глобальное потепление связывается с грядущими апокалиптическими ужасами, то новая команда, наоборот, исходит из того, что климатические изменения пойдут на пользу человечеству. То есть администрация Трампа просто поменяла минусы на плюсы. Причем, она не ограничилась решением чисто теоретических вопросов. Незамедлительно последовали и практические шаги. В первые же недели началось увольнение климатологов и удаление правительственных веб-страниц, посвященных климатической проблеме. Логика нового руководства совершенно понятна, поскольку в свете данной трактовки глобального потепления так называемое «климатическое регулирование», на которое тратились огромные бюджетные суммы (ввиду предполагаемых угроз), становится совершенно ненужным. В самом деле: если нет никакой угрозы, то тогда не с чем бороться.

Как видим, Трамп и его команда решили «бить в корень». Причем не важно, насколько глубоко новая администрация проникает в суть проблемы. Реально ощутимым бонусом для нее является сокращение государственных расходов. Противники Трампа прекрасно осознают этот меркантильный аспект проводимой политики, что только лишний раз подтверждает серьезность намерений новой команды. Ведь у нее есть материальный стимул для осуществления такой «климатической ревизии»! К примеру, Агентство по охране окружающей среды (EPA) еще с 2009 года сформулировало в отдельной декларации основные опасности, связанные с выбросами парниковых газов.  Посредством данного документа научно обосновывались меры по упомянутому климатическому регулированию. Как нетрудно догадаться, в число этих мер входили все мероприятия по сокращению углеродных выбросов, что выразилось в принятии соответствующих правил и нормативов.

Фактически, EPA претендовало на ключевую роль в этом процессе, поскольку именно его сотрудники – в силу своих официально признанных компетенции в области климатических изменений – определяли упомянутую нормативную базу. Учитывая «актуальность» такой работы, она имела солидное бюджетное финансирование. Мало того, в рамках «зеленого» энергоперехода EPA обладало реальными рычагами влияния на целые сектора экономики. И, похоже, его сотрудники уже свыклись с этой ролью, считая себя «спасителями» планеты. Приход Трампа поломал им всю игру.  И дело даже не в том, что он взялся за урезание расходов. Самым ошеломляющим решением стало назначение нового главы Агентства - откровенного климатического скептика Ли Зельдина. В свое время Ли Зельдин писал у себя в социальных сетях о том, будто теорию глобального потепления выдумали… китайцы, чтобы снизить конкурентоспособность американской промышленности! Правда, не понятно, говорил ли он об этом серьезно или просто так пошутил (подобные шуточки о «китайском» влиянии в свое время отпускал и сам Трамп). Сути дела это не меняет. Важно то, что новый администратор EPA решил аннулировать документ об опасностях, связанных с парниковыми выбросами. Тем самым Агентство выказало намерение наступить «на горло собственной песне». Белый дом уже принял соответствующие рекомендации, предлагающие ревизию установленных федеральных нормативов по климатическому регулированию.

В свете сказанного борцы с глобальным потеплением уже забили тревогу, объявив посягательства на упомянутые нормативы «самым агрессивным» действием команды Трампа в отношении всех предыдущих усилий американского руководства по предотвращению климатических изменений. Естественно, американское научное сообщество выступает теперь чуть ли не единым фронтом против такой политики, обвиняя новую команду в некомпетентности, граничащей с мракобесием. Особое раздражение, как мы понимаем, вызывает попытка властей заручиться поддержкой ученых-аутсайдеров, выступавших против консолидированной позиции статусных климатологов.

В числе этих аутсайдеров на первое место выдвигается Дэвид Легатс – бывший директор Центра климатических исследований Университета Делавэра. Он получил скандальную известность категоричным отрицанием антропогенных причин климатических изменений. По его логике, если климатические изменения имеют естественные причины, то меры по борьбе с глобальным потеплением окажутся ненужными, неэффективными и даже вредными в с точки зрения экономики. По убеждению этого ученого, паника вокруг глобального потепления разгоняется исключительно ради того, чтобы правительства вводили ограничительные нормативы, которые приведут к значительным экономическим последствиям. Сам Легатс считает, что климатические изменения не только не несут угрозы, но даже полезны для человечества, в то время как климатическая политика не принесла людям ничего, кроме вреда.

В общем, совершенно понятно, кто теперь является для администрации Трампа главным научным консультантом по климатическим вопросам. Интересно отметить, что Легатс сотрудничает с так называемым Корнуоллским альянсом – группой консервативных христианских ученых, посвятивших себя делам просвещения общественности и просвещения политиков относительно Библейских принципов управления Землей. Судя по всему, как раз таких ученых администрация Трампа намерена вывести из «маргинального» состояния, повысив их статус и, возможно, наделив кого-нибудь из них определенными полномочиями.

Пока что мы находимся в самом начале этой захватывающей эпопеи. Чем она завершится, говорить пока еще сложно. Но ясно одно: намерения новой президентской администрации по данному пункту вполне серьезны, и все ее действия продиктованы не вопросами пиара, а вполне искренней убежденностью в своей правоте и столь же искренним неприятием сложившегося «климатического консенсуса». Насколько прочным окажется сопротивление научного сообщества, покажет время.

Константин Шабанов

Председатель Сибирского отделения Российской академии наук академик Валентин Николаевич Пармон, перечисляя выдающиеся результаты сибирских ученых за 2024 год, привлек внимание к новому диагностическому методу, предложенному в Институте физики полупроводников им А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН). Речь шла об оптическом методе локального спектрального анализа для нанодиагностики элементной базы микроэлектроники.

Предложенный подход позволяет очень точно измерять (на уровне нескольких нанометров) механические деформации и дефекты в полупроводниковых структурах.

В методе используется особый эффект — так называемое усиление ближнепольного комбинационного рассеяния света в режиме щелевого плазмона. Упрощенно говоря, — это способ сделать очень слабые световые сигналы намного ярче с помощью специальных «нанощелей» между металлами. В таком режиме свет проходит через узкий промежуток между металлическими нанообьектами и сигнал комбинационного рассеяния света усиливается за счёт колебаний электронов (щелевых плазмонов). Так появляется возможность увидеть изменения в структуре и дефекты даже в атомарно тонких материалах, с очень высоким разрешением — около 10 нанометров.

Но, чтобы применять метод, требуется специальное оборудование – атомно-силовой микроскоп, совмещенный со спектрометром комбинационного рассеяния света, а также подготовленные подложки, включающие металлические нанообъекты, например, нанодиски.

«С помощью нового подхода, можно обнаружить сверхмалые деформации, напряженные состояния в структуре материалов. Ближнепольное усиление комбинационного рассеяния света в режиме щелевого плазмона позволяет на порядки увеличивать оптический сигнал именно в области контакта материала с металлическими нанодисками, что делает измерения локальными и очень точными. В отличие от некоторых других диагностических методов, новый подход не повреждает образец, что особенно важно для деликатных наноматериалов. С другой стороны, метод подразумевает использование иглы атомно-силового микроскопа, которой можно контролируемо наноструктурировать материал — “вырезать” объекты нужной формы, или формировать рисунок на поверхности образца.

Подход особенно эффективен для исследования деформаций и дефектов в двумерных материалах (графене, селениде молибдена и подобных), где традиционные способы не всегда подходят из-за малой толщины структур.

Метод пригодится ученым и технологам, работающим с наноматериалами, исследователям в области физики полупроводников, разработчикам новых электронных компонентов и микроэлектронных устройств. Он позволит лучше понять свойства наноструктур, повысить качество и характеристики создаваемых приборов», — комментирует один из авторов подхода, заместитель директора по научной работе ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Александр Германович Милёхин.

Первые результаты, полученные с помощью оригинального подхода, связаны с исследованием графена, помещенного на золотые нанодиски. Ученым ИФП СО РАН удалось «увидеть» графеновые наноскладки, образующиеся при «расстилании» моноатомного слоя графена поверх нанодисков.

 Новый метод позволил добиться локального 150-кратного плазмонного усиления основных колебательных мод графена при высоком пространственном разрешении 10 нанометров и обнаружить локальные области, подверженные механической деформации растяжения до 1,5%. Результаты работы опубликованы в журнале Royal Society of Chemistry Advances.

Пресс-служба ИФП СО РАН

Автор иллюстрации Илья Милёхин

Современная медицина постоянно обращается к фундаментальной науке в поисках решений для лечения тяжёлых заболеваний. Генетика, клеточная биология, биоинженерия — эти направления являются сегодня ключевыми для понимания природы болезней и разработки новых препаратов. И в нашем цикле, посвященном 10-летию ФИЦ ИЦиГ СО РАН мы снова рассказываем о работе, которую его сотрудники ведут в этом направлении.

Тема сегодняшней публикации – коллекция уникальных клеточных моделей заболеваний человека, над которой работает команда ученых под руководством профессора Сурена Закияна. Эти модели позволяют буквально «заглянуть внутрь» патологических процессов, происходящих в клетке, и находить мишени для будущих лекарств.

В основе этой работы лежит несколько буквально революционных результатов, полученных мировой наукой в нынешнем веке. Один из прорывов в этой области произошёл в 2006 году, когда японский учёный Синъя Яманака показал, что клетки взрослого организма могут быть перепрограммированы в так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПСК).

Такие клетки обладают теми же свойствами, что и эмбриональные стволовые клетки: из них можно получить практически любой тип клеток, которые аналогичны таковым во взрослом организме. Однако, в отличие от эмбриональных, иПСК не требуют использования эмбрионов — они создаются из клеток кожи, крови или других тканей взрослого человека. Эта технология произвела революцию в клеточной биологии и открыла принципиально новые возможности для изучения болезней и тестирования лекарств.

Учёные получили инструмент, позволяющий моделировать заболевания прямо в лаборатории: взять клетки пациента, перепрограммировать их в иПСК, а затем направленно дифференцировать в нужный тип клеток – например, в нейроны или кардиомиоциты, чтобы изучать болезнь на клеточном уровне.

В ИЦиГ СО РАН такие технологии начали активно развиваться с 2009 года. Под руководством Сурена Закияна силами сотрудников лаборатории эпигенетики развития ИЦИГ СО РАН была создана целая библиотека клеточных линий на основе иПСК. Эти линии происходят от пациентов с различными наследственными заболеваниями — от нарушений ритма сердца до нейродегенеративных патологий. Работа велась при тесном взаимодействии с лечебными учреждениями нашей страны (Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска, Томска и т.д.). Каждая линия тщательно охарактеризована и прогенотипирована, то есть для неё составлен «генетический паспорт».

Еще более широкие возможности для исследовательской работы открылись с внедрением системы CRISPR/Cas9, которая позволяет с высокой точностью изменять определённые участки ДНК. Эта технология произвела революцию в генетике: в нужной точке генома можно удалить, заменить или вставить участок ДНК. Причём сделать это можно не только в геномах модельных организмов, но и в человеческих клеточных линиях. Таким образом, стало возможным создавать в лаборатории мутации, которые встречаются в клинической практике — даже если у самих исследователей нет прямого доступа к пациентам с такими редкими вариантами.

Это особенно ценно при изучении нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Пика, боковой амиотрофический склероз или лобно-височная деменция. Эти патологии часто связаны с очень редкими и слабоизученными генетическими вариантами, и теперь их можно моделировать «на месте» — в клетках, уже находящихся в коллекции лаборатории.

Кроме того, современные методы позволяют внедрять в клетки специальные молекулярные сенсоры, которые работают как внутренние детекторы.

«Известно, что при ряде нейродегенеративных заболеваний в клетках накапливается перекись водорода, что в итоге приводит к гибели клетки. Мы создали конструкции для наработки белка-сенсора, который позволяет измерять ее концентрацию в живых клетках в режиме реального времени. А потом, с помощью CRISPR/Cas9 внесли данные конструкции в геномы клеток, моделирующие развитие бокового амиотрофического склероза. И получили возможность изучить количественные параметры этого накопления, причем при разных сценариях протекания болезни», - рассказал ведущий научный сотрудник лаборатории эпигенетики развития ИЦИГ СО РАН, к.б.н. Сергей Медведев.

Технологии редактирования генома тоже не стоят на месте и их развитие открывает перед учеными новые возможности для экспериментальной работы. Особый интерес представляет технология прайм-редактирования, которую команда ИЦиГ СО РАН освоила совсем недавно. Она позволяет вносить точечные изменения в ДНК без создания разрывов в обеих цепях — это более мягкий, но при этом высокоточный метод редактирования. С его помощью можно, например, взять здоровую клеточную линию и модифицировать её, чтобы получить нужные редкие генетические варианты — вплоть до мутаций, встречающихся у одного пациента на сто тысяч, а то и реже.

«Получение аналогичного материала от реальных пациентов из клиник сопряжено с массой проблем – организационных (пациент может проживать на другом конце страны), этических (надо еще уговорить врачей и пациентов сотрудничать с учеными), технологических (обеспечить доставку образцов на большие расстояния, сохранив их при этом). В конце концов, людей с таким вариантом мутации может просто не быть выявлено в стране. Прайм-редактирование позволяет создавать нужные нам варианты непосредственно в лаборатории», - отметил Сергей Медведев.

Такие модели особенно ценны еще и потому, что в остальном их геном идентичен: это позволяет минимизировать влияние посторонних генетических факторов и изучать последствия конкретного изменения «в чистом виде». Фактически, это уже инженерный подход: исследователь может спроектировать клеточную систему под конкретную задачу, встроить в неё интересующие мутации и трансгены, отладить систему считывания нужных параметров.

Затем на полученной клеточной модели можно проводить точные измерения: как изменяется экспрессия генов, как ведут себя белки, не образуются ли патологические агрегаты, как клетка реагирует на потенциальное лекарство. Такой подход особенно важен при изучении нейродегенеративных заболеваний, например, болезни Паркинсона или бокового амиотрофического склероза. Учёные создают клеточные культуры с заданными мутациями и исследуют, как эти изменения влияют на поведение клеток, метаболизм, экспрессию генов, образование токсичных белковых агрегатов. Это позволяет делать открытия, которые ранее были невозможны: ведь таких моделей раньше просто не существовало. А новые знания, в свою очередь, могут привести к созданию новых препаратов.

Клеточные модели востребованы не только в фундаментальной науке, но и на начальных этапах разработки лекарств. С их помощью можно тестировать сотни и тысячи соединений на токсичность, влияние на предполагаемую мишень, способность проникать в клетки. На этом этапе отсеиваются заведомо неэффективные кандидаты, что позволяет значительно сократить расходы и ускорить разработку. Это особенно важно, если учитывать масштабные ресурсы, которые фармацевтика тратит на создание новых препаратов.

По словам Сергея Медведева, пока что исследования лаборатории носят фундаментальный характер. Однако они создают прочную базу для будущих прикладных разработок. Учёные надеются, что накопленные знания и созданные модели в перспективе приведут к созданию лекарств от заболеваний, которые сегодня считаются неизлечимыми. «Мы уверены, что первые ощутимые результаты в этом направлении появятся уже в следующем десятилетии», – отметил исследователь.

Работа коллектива ИЦиГ СО РАН — это пример того, как фундаментальная биология может стать опорой для медицины будущего. Здесь, в лабораториях федерального исследовательского центра, создаются технологии, которые, возможно, уже через несколько лет помогут спасти чью-то жизнь.

Программно-аппаратную систему мониторинга жизненных показателей и двигательной активности для людей с ограничениями здоровья разработал студент 4 курса Факультета информационных технологий Новосибирского государственного университета Михаил Евдокимов. Она позволяет дистанционно отслеживать у пользователя показатели частоты пульса, насыщения крови кислородом, температуры тела, а также его перемещение в пространстве. Прототип комплекса уже собран, проводится тестирование.

— Увеличение численности пожилого населения и пациентов, страдающих различными заболеваниями, связанными с образом жизни, делают критически важной разработку систем, которые облегчают отслеживание состояния здоровья этих людей вне больниц, что позволяет им оставаться дома или на работе. Имея различные ограничения здоровья, эти люди нуждаются в постоянном мониторинге физического состояния. Нередко родные в силу разных причин не могут обеспечить им постоянное наблюдение и отрицательные изменения наступают, когда больные остаются в одиночестве и оказываются не в состоянии своевременно обратиться за помощью, что порой может привести к печальным последствиям. Существующие средства мониторинга редко совмещают в себе автономность и мобильность, компактность и низкую себестоимость, поэтому мы решили создать такую систему мониторинга, которая отслеживала бы основные показатели физического состояния пользователя и при их отклонении от нормы сообщали об этом медицинским работникам, под наблюдением которых находится пользователь, — рассказал Михаил Евдокимов.  

Молодой исследователь уверен, что его проект, над которым он работает в рамках выпускной квалификационной работы под научным руководством советника ректора НГУ, профессора Александра Шафаренко, поможет пожилым людям, в том числе с некоторыми формами деменции, упрощая мониторинг здоровья за счет передачи динамики показателей в медицинские организации для своевременного оказания медицинской помощи.

Важным элементом системы является наручный браслет, считывающий пульс, температуру тела и относительные координаты пользователя. Другие элементы — это микроконтроллер с магнитным датчиком (один или несколько), а также центральный микроконтроллер, куда и направляется вся информация с датчиков и браслета.

Браслет устройства внешне очень похож на обычные смарт-часы, а если в ходе дальнейшего развития проекта размер устройства уменьшится, он будет напоминать фитнес-браслеты. Но если «умные часы» частично или полностью реализуют функции мониторинга здоровья, то распознавать аномальные состояния они в силу ограниченности своего функционала не способны, и тем более не имеют функций передачи тревожной информации медицинским работникам. К тому же устройство «умных часов» привязано к конкретному производителю и является закрытым, а значит, не допускающим доработки провайдером медицинских услуг. Эти недостатки устранены разработчиками данного проекта.

По замыслу Михаила Евдокимова, система мониторинга жизненных показателей должна быть открытой и независимой. Поэтому он изучил и проанализировал устройство и функционал нескольких модификаций «умных часов» в поисках удачных идей и формирования требований к своему проекту. Молодой исследователь пришел к выводу, что решение, соответствующее всем его требованиям, в данный момент отсутствует, а категория «умных часов» имеет лишь косвенное отношение к мониторингу здоровья и не подходит для использования в качестве компонента создаваемой им системы мониторинга. Поэтому был собран и запрограммирован собственный «умный браслет», обладающий необходимым для системы мониторинга набором функций.  С использованием языка Си написан программный код для работы встроенного акселерометра, датчика пульса, передачи данных через модули связи, управления питанием и анализа собранных данных.  Для связи между узлами системы был выбран протокол ESP-NOW. Он разработан специально для передачи информации между микроконтроллерами на основе процессора ESP-32 и является более эффективной версией классического Wi-fi. Взаимодействие узлов имеет клиент-серверную архитектуру: браслет и магнитные датчики отправляют свои показания на центральный микроконтроллер со статическим IP адресом.

Работает данная система следующим образом: на дверях в квартире устанавливается магнитный датчик. Он передает на центральный микроконтроллер информацию о том, открыта или закрыта дверь. Центральный микроконтроллер использует эти данные для анализа.

Магнитный датчик можно установить, например, на двери туалетной комнаты. Если ее длительное время не открывали, это тревожный сигнал. Возможно, человек находится без сознания или в беспомощном состоянии, и нужна срочная помощь. О том же может предупредить аналогичный датчик, установленный на кухне, — если человек долгое время не приходит сюда даже чтобы выпить воды, система выдаст предупреждение. Предусмотрены ситуации, когда пользователь держит двери открытыми и не закрывает их за собой, или открывает, но в помещение не заходит. Для этого разработано комплексное решение для задачи по отслеживанию перемещения, при котором несколько датчиков работают сообща.

В таких случаях к отслеживанию передвижений пользователя подключается акселерометр. Совместная работа его системы координат и магнитных датчиков полностью решает эту проблему. Налаживается она техническим специалистом при начальной калибровке.

Для отслеживания передвижений пользователя в пространстве в «умный браслет» встроен акселерометр. Его показания представлены тремя относительными координатами x, y, z. Анализируя изменения координат, устройство определяет, передвигается пользователь или находится в состоянии покоя. Падение человека, на руку которого надет «умный браслет», фиксируется по резкому изменению показаний датчика акселерометра. Сначала, чтобы отличить падение от передвижения в направлении по одной из осей координат, оценивалась разница не каждой координаты по отдельности, а среднее арифметическое их изменений. Позже Михаил Евдокимов заменил эту формулу на более точную, в которой используется корень суммы квадратов изменения координат. А в качестве порога, отделяющего падение от равномерного движения, было выбрано экспериментально вычисленное значение, являющееся средним между значением формулы при ходьбе и при падении. При фиксации такого состояния пользователя, информация поступает на центральный микроконтроллер, а в итоге – и в медучреждение, откуда ведется мониторинг состояния пользователя.

И далее после первоначальной настройки системы пользователь живет своей обычной жизнью. Ему не нужно находиться в больничном стационаре под круглосуточным наблюдением. Пребывая дома, он находится под пристальным вниманием системы мониторинга, которая оповестит медицинских работников об отклонениях жизненных показателей пользователя от нормы. Важно, чтобы данная система была надежной и работала в автономном режиме.

— Преимущество и ключевая особенность моей разработки состоят в ее направленности на автономность системы, имеющей собственный источник питания и обладающей максимальной энергоэффективностью. И в отличие от «умных часов» это открытая система, которая при необходимости может быть дополнена другими датчиками. У нее присутствует возможность улучшения алгоритмов анализа и передачи данных медицинскому персоналу. На аппаратном обеспечении, которое имеется в настоящее время, система может работать без подзарядки источника около недели. При использовании более узкоспециализированного и продвинутого аппаратного обеспечения ожидается, что срок работы оборудования без подзарядки увеличится до одного месяца. Это очень важно, поскольку многие пожилые люди часто забывают ставить свои мобильные телефоны, смарт-часы и другие устройства на подзарядку. При таком подходе наше решение будет иметь минимальную зависимость от деятельности пользователя, внешнего энергоснабжения, каналов связи и сторонних платформ. Поскольку все узлы обладают достаточной автономностью, техническое обслуживание системы будет необходимо производить не чаще, чем раз в полгода. Для этого на аппаратном уровне мы решили использовать батареи большой емкости, а на программном — создали энергоэффективный программный код, — рассказал Михаил Евдокимов.  

Важной задачей проекта стала организация энергоэффективной работы программируемого «умного браслета» путем изменения режимов работы процессора и периферии в зависимости от ситуации. Акцент был сделан не на аппаратном, а на программном снижении энергопотребления. Михаил Евдокимов изучал программные возможности по управлению режимами энергопотребления микропроцессора ESP-32, который стоит на браслете. Дальше студент спроектировал систему, регулирующую режимы сна, в которые может уходить процессор в зависимости от ситуации.

— В случае длительной потери соединения с центральным микроконтроллером браслет переходит в режим модемного сна, при котором отключается питание модулей связи. Через определенный промежуток времени устройство выходит из сна для проверки связи и в случае неудачи снова засыпает. Для минимизации потери информации собранные показания датчиков частично хранятся в памяти браслета и отправляются на центральный микроконтроллер сразу после восстановления связи. В результате энергопотребление уменьшается в несколько раз, — пояснил Михаил Евдокимов.  

О том, что пользователь снял часы, можно узнать из показаний инфракрасного датчика пульсометра. В этом случае, поскольку данных для отправки больше нет, система сначала переходит в режим модемного сна, а через несколько секунд, если пользователь не вернулся, включается режим легкого сна. Периодически часы просыпаются чтобы проверить, не надеты ли они на руку пользователя, и либо возобновляют свою работу, либо возвращаются обратно в сон. Если в показаниях акселерометра нет значительных изменений, например, когда пользователь спит, основной процессор переходит в режим глубокого сна. В это время обработкой данных занимается Ultra Low Power сопроцессор. Он может выводить основной процессор из сна по таймеру или в случае активного движения пользователя, когда тот проснулся. Михаил Евдокимов уточнил, что реализация данной архитектуры потребовала работы с языком ассемблера.

Для сборки узлов устройства студент приобретал готовые внутренние компоненты и детали, а корпус «умного браслета» выполнил на 3D принтере. Разработанный прототип системы мониторинга жизненных показателей и двигательной активности уже подтвердил свою работоспособность и выполнимость требований по энергетической автономности в лабораторных условиях, а также показал высокий потенциал для дальнейшего развития благодаря открытости и расширяемости системы. Разработка подобных решений может повысить качество жизни людей, здоровье которых требует особого внимания.

Пресс-служба Новосибирского государственного университета