Как учатся выращивать растения и утилизировать отходы для будущих марсианских и лунных баз, как работает процесс определения загрязняющих веществ в воде с помощью светящихся бактерий, для чего нужно моделирование пешеходного движения? Побываем в лабораториях Красноярского научного центра СО РАН и Сибирского федерального университета и узнаем, какие там сейчас ведутся разработки и исследования.
Сергей Трифонов, научный сотрудник лаборатории управления биосинтезом фототрофов Института биофизики Красноярского научного центра СО РАН:
— В нашей лаборатории мы работаем под руководством Тихомирова Александра Аполлинарьевича и занимаемся проблемами создания круговоротных массообменных процессов в замкнутых искусственных экосистемах. Зачем это нужно?
Это работы на дальнюю, далекую перспективу, когда будут работать автономные марсианские и лунные базы с людьми на их борту. Перед вами представлена установка, с которой мы работаем в рамках гранта, выигранного в Российском научном фонде. Суть работы заключается в том, чтобы создать уменьшенную физическую модель такой будущей космической базы («космической оранжереи»). Т.е. мы в герметичных камерах выращиваем высшие растения и подаем в эти камеры продукты, полученные различными разрабатываемыми нами способами. В частности, это физико-химический способ (сжигание отходов перекиси водорода) и биологический способ (компостирование растительных отходов с помощью калифорнийских червей и специальной микрофлоры).
Т.е. мы в этих камерах выращиваем растения, подаем туда эти минерализованные продукты переработки отходов, подаем туда газ, который выделяется после утилизации данных отходов, и смотрим, как растения себя чувствуют в таких условиях.
Иными словами, пытаемся понять, нужно ли нам еще каким-либо образом дорабатывать разрабатываемые нами системы и методы утилизации отходов.
Мы подбирали виды растений таким образом, чтобы можно было потом с их помощью добиться полноценной растительной диеты. Конечно, вегетарианская диета в целом в космос не пойдет. Там она еще будет дополнена белковой пищей. Но как бы этой проблемой мы пока что слишком глубоко не занимаемся. Так вот, например, в данной камере представлен возрастной конвейер растений пшеницы. Также здесь у нас растут такие салатные растения, как водяной кресс и солерос. Пшеница была выбрана как основной кандидат, потому что это злаковая культура, богатая витаминами и углеводами, клетчаткой, необходимой человеку. Салатные культуры мы здесь используем для того, чтобы решить одну из тех проблем, которыми занимается наша лаборатория. Проблема заключается в том, что при переработке отходов человека в ирригационные растворы, которыми мы поливаем растения, попадает большое количество NaCl (пищевой соли). Она туда попадает с жидкими выделениями человека. Т.е. вся органика после переработки в наших реакторах практически полностью окисляется, а вся минеральная составляющая остается в растворе. Так вот, если мы будем постоянно добавлять эти минерализованные отходы человека в наш ирригационный раствор, то концентрация NaCl в конце концов достигнет опасных для растений уровней. Поэтому мы отрабатываем способ биологического снижения концентрации NaCl в таких ирригационных растворах. Вот, в частности, выращиваем различные солелюбивые растения и культуры — такие, как водяной кресс-салат и растение солероса. Т.е. мы отрабатываем методику, при которой эти растения будут забирать излишки NaCl из ирригационного раствора, которым мы поливаем пшеницу.
В нашей лаборатории выигрывают и другие гранты, в том числе был выигран грант также РНФ на проведение инициативных исследований молодыми учеными. Он направлен на то, чтобы отработать технологию утилизации санитарно-бытовых отходов как раз в условиях вот таких замкнутых систем жизнеобеспечения. Т.е. суть данного гранта в том, чтобы научиться достаточно быстро и эффективно из санитарно-бытовых отходов получать те самые минеральные удобрения, которые могут быть безопасно вовлечены в массообменные процессы системы, и можно было бы на этих удобрениях вырастить высшие растения.
Иван Денисов, научный сотрудник лаборатории биолюминесцентных биотехнологий Сибирского федерального университета:
— Вопросом о применении биолюминесцентных методов, т.е. использования фермента светящейся бактерии для каких-то прикладных вещей, занимаются уже очень много лет в Институте биофизики в Красноярске и на кафедре биофизики Сибирского федерального университета. Как применять данное явление, биолюминесценцию, свечение живых организмов, для какой-то практической задачи? Был разработан экспресс-метод определения содержания загрязняющих веществ в воде. И, соответственно, в различных водных и водно-ацетонных вытяжках. Как это работает? Почему вообще возможно с помощью фермента светящейся бактерии определять наличие загрязняющих веществ в воде?
Дело в том, что мы с вами состоим в очень большой своей доле из белков. Т.е. это такие биомолекулы, состоящие из аминокислот. У них есть правильная конформация, которая обеспечивает их корректную работу. Т.е. все наши ферменты, которые обеспечивают правильную работу нашего организма, наши строительные элементы, они все состоят из белков. И правильная работа белков определяет наш тонус, правильное здоровье и нашу работу в целом. Когда вредные вещества попадают в живой организм, то они нарушают работу этих ферментов. Т.е. они где-то ингибируют их работу, и у нас, собственно говоря, начинаются проблемы со здоровьем, с нормальной жизнедеятельностью.
Используя ферменты светящихся бактерий, мы можем быстро определить, есть ли в воде какие-то вещества, которые нарушают работу ферментов, или нет. На этом и основан весь принцип ферментативного биотестирования, когда мы используем ферменты светящихся бактерий как модель нашего организма.
Т.е. если плохо ферментам светящихся бактерий — значит, будет плохо и нам. Это не всегда так.
У каждого метода измерения есть свои ограничения. Например, есть такие особые ферменты у нас, которые нельзя смоделировать вот этими ферментами светящихся бактерий. Однако 95% загрязняющих веществ будут одинаково действовать что на ферменты светящихся бактерий, что на наши ферменты, обеспечивающие правильную работу организма. При нормальных условиях ферменты светящихся бактерий обеспечивают реакцию свечения, при котором мы видим в нашем приборе, что есть какой-то нормальный уровень свечения. Т.е. идет окисление альфатического альдегида, выделяется свет, мы его регистрируем. Когда мы видим, что света стало меньше, мы делаем вывод о том, что работа ферментов была нарушена. Т.е. оксидоредуктаза не подготовила субстрат для люциферазы. Люцифераза как-то плохо работает и больше не катализирует окисление альдегида. Итак, мы делаем вывод: фермент был поврежден либо его работа была заингибирована каким-то вредным веществом. И мы говорим: «По-видимому, здесь есть вредные вещества». Скорее всего, нужно эту пробу уже везти в химическую лабораторию и определять, какое именно вредное вещество имеет место быть, откуда оно взялось. Либо, если мы заранее знаем, что это предприятие делает выбросы конкретного вещества, загрязнителя окружающей среды, мы можем сделать вывод о том, что была превышена ПДК (предельная концентрация веществ). Если мы знаем, что обычно до превышения ПДК у нас свечение было хорошее, а мы зарегистрировали некое понижение свечения, мы можем сделать вывод о том, что концентрация вредных веществ возросла.
Поскольку метод биотестирования настроен на работу с жидкими пробами, много отдельных задач связано именно с проверкой почвы, воздуха, продуктов питания. Т.е. коллеги на кафедре биофизики сейчас работают над тем, чтобы проверять, как правильно готовить вытяжки из почвы, воздуха и продуктов, дабы проводить биотестирование не только воды или там сточных вод. Отдельная важная для Красноярска проблема — это мониторинг качества воздуха. Т.е. у нас в городе стоят различные анализаторы пыли. Есть передвижная станция. Однако дополнительный метод тестирования позволил бы определять даже такие вещества, на которые датчики пока еще не разработаны в существующих системах тестирования. Но требуется подготовить правильную вытяжку из воздуха. Т.е. есть уже специальная методика по ГОСТу. У них есть набор из 17 или даже более растворов. Они через эти растворы пропускают воздух и затем анализируют уже на специальных аккредитованных анализаторах. Отдельная есть перспектива для исследований именно применения биолюминесцентного метода для анализа таких вот экстрактов.
В этой работе меня вдохновляет идея того, что у людей должна быть возможность проводить качественный анализ, медицинские тесты, некие экологические измерения (например, измерения загрязняющих веществ). И мы с коллегами такие устройства назвали «Сторожок». В английском языке есть такой термин Point of Care — это некое устройство, которое применяется по месту требования пациента, проведения измерения. Т.е. мы можем провести измерения где-то в путешествии — скажем, у озера. Мы можем провести нужный медицинский тест на дому так, как это сейчас делают люди с сахарным диабетом, делая анализ крови на сахар. Я думаю, что в будущем будут существовать устройства, которые позволят проводить вообще все анализы на дому.
И работа над этой идеей, некое движение нас в то самое светлое будущее, когда не нужно будет идти в больницу, общаться с врачами, стоять в очередях, а можно будет дома проверить на различные факторы опасных заболеваний, чтобы вовремя, превентивно, еще до того, как болезнь разовьется, попытаться ее остановить.
Это идея, работа над которой дает мотивацию, что ты работаешь над чем-то таким, что будет существовать в будущем. И эти биосенсоры для определения качества воды — некая понятная вещь, которую можно сделать уже сейчас, сегодня, чтобы затем сделать следующие шаги к медицинским тестам и пр. Потому что если у людей уже будет некая база приборов, которые измеряют свет очень точно, то с помощью этих же приборов можно делать и другие биомедицинские тесты, потому что получается так: измерение света — некоторое связующее звено между химией и физикой.
Получается, что многие тесты, которые основаны на измерении химических веществ, на их концентрации… с помощью биолюминометров химические сигналы могут быть оцифрованы, и мы можем узнать не только информацию о загрязняющих веществах или о каких-то таких экологических параметрах, но и в будущем проводить медицинские тесты. Это идея, которая действительно вдохновляет!
Евгений Высоцкий, к.б.н., заведующий лабораторией фотобиологии, Институт биофизики, Красноярский научный центр СО РАН:
— Светящиеся организмы встречаются как на суше… типичные представители, о которых я уже упоминал, — это светляки, светящиеся черви, светящиеся бактерии, светящиеся грибы, у которых светится в нашей стране только мицелий. Но основное количество светящихся организмов обитает все же в морях и океанах. Т.е. светящиеся организмы распространены как на севере, так и на юге, и в средних широтах. На глубинах, куда не попадает солнечный свет, 90% организмов являются светящимися.
В основе этого явления лежит ферментативная реакция, в которой участвует специфический белок, субстрат, окисление которого, собственно, и приводит к излучению кванта света. Белки разных биолюминесцентных организмов отличаются как структурой, субстратом, который они используют для биолюминесценции, так и аминокислотной последовательностью. Т.е. это совершенно разные белки.
Такое большое разнообразие светящихся организмов говорит о том, что биолюминесценция независимо возникала в разных таксонах в ходе эволюции. Сейчас считается, что биолюминесцентные организмы могут использовать это свойство в качестве защитного механизма.
Например, выделять светящееся облако и в это время убегать от хищника, использовать это умение в качестве камуфляжа. Допустим, некоторые морские организмы имеют расположенные фотофоры на нижней поверхности тела. И хищник, который плывет снизу, фактически видит вроде как голубое небо. Но на мой взгляд, многие признаки вторичны. Т.е. светящиеся организмы уже начали использовать это свойство биолюминесценции для каких-то других поведенческих свойств. Например, светляки, которые привлекают самок своим свечением (т.е. для коммуникации между особями). Скорее всего, первично биолюминесценция возникла как ответ на некий биохимический механизм, который регулирует некие процессы.
Во-первых, существует мнение, что биолюминесценция начала возникать, когда в атмосфере появился кислород. Потому что все биолюминесцентные реакции идут с участием этого вещества. Т.е. происходит окислительная реакция, сопровождающаяся излучением света. Вполне возможно, что это была первичная функция биолюминесценции. Но почему она сохраняется в ходе эволюции? Рядом, в одних и тех же экологических нишах, существуют не светящиеся организмы. Пока это, в общем-то, остается совершенно непонятно. Лаборатория фотобиологии в Институте биофизики занимается двумя типами биолюминесцентных систем. Это биолюминесцентные системы светящихся морских организмов, которые используют в качестве субстрата специфическую органическую молекулу, которая получила название «целентеразин». Эту молекулу субстрата использует разная группа организмов. Но белки, которые используют этот субстрат, в различных организмах имеют различную структуру, различный тип биолюминесценции. И вот одно из направлений наших исследований — это такие биолюминесцентные белки из различных морских организмов. Другое направление — это светящиеся черви.
Я вкратце расскажу о целентеразин-зависимых белках. Что мы с ними делаем? Существует два типа подобных белков. Это т.н. фотопротеины, которые представляют собой стабильный фермент-субстратный комплекс, свечение которого инициируется путем добавления ионов кальция. Другие — это типичные «люциферазы» (ферменты, которые окисляются целентеразином), которые приводят к излучению света. Мы начинаем процесс изучения со сбора морских организмов в различных акваториях — как в морях России, так и за рубежом, выезжая в экспедиции. Дальше мы пытаемся клонировать гены, которые кодируют эти биолюминесцентные белки. А дальше уже в лаборатории мы занимаемся экспрессией, получением достаточно большого количества белка для изучения как самой биолюминесценции (т.е. механизма этой реакции, самих этих белков, роли аминокислотных остатков этих белков в биолюминесцентной реакции), так и пытаемся кристаллизовать эти белки, потому что без этого этапа понять такой детальный механизм функционирования ферментов сейчас практически невозможно.
В лаборатории совместно с нашими зарубежными коллегами мы кристаллизовали несколько наших белков и определили их структуру. Это вот такая фундаментальная задача, которая перед нами стоит и которую мы решаем.
На самом деле, основной интерес биолюминесценции в принципе определяется прикладным значением биолюминесцентных белков для медицины, биологии, клеточной биологии. Потому что фактически биолюминесцентные белки являются инструментом для решения многих задач, которые стоят перед медициной и биологией.
Екатерина Кирик, старший научный сотрудник Института вычислительного моделирования Красноярского научного центра СО РАН, к.ф.-м.н.:
— К области моих научных исследований относится моделирование пешеходного движения. Модели пешеходного движения употребляются часто для решения задач разного рода, и в первую очередь это задача безопасности (как пожарной, так и комплексной).
Когда мы говорим про определение времени эвакуации из здания при пожаре, когда мы говорим про время загрузки больших объектов — спортивных например, когда мы говорим о времени выгрузки больших спортивных объектов, о перемещении людей во время перерыва на объектах, где присутствует большое количество людей, тогда перед организаторами стоит вопрос, связанный с тем, как грамотно распределить ресурсы, точки притяжения людей с тем, чтобы было обеспечено их комфортное пребывание на объекте. Минимизировать скопление в какой-то одной области и при этом обеспечить доступ к тем сервисам, которые организаторы предусмотрели для посетителей данного объекта.
Перед организаторами порой стоит вопрос о том, как грамотно и правильно разместить точки входа зрителей на прилегающую территорию к большому спортивному объекту. Как грамотно разместить точки выхода? На самом деле оказывается, что это задача, которая требует внимания, причем внимания еще на стадии проектирования, потому что, когда мы уже имеем построенный объект, конечно, применение компьютерного моделирования показывает ошибки, однако исправлять их уже труднее. А когда мы это делаем на стадии проектирования, исправления стоят намного меньше денег и легче эти ошибки исправлять. Тем не менее на стадии проектирования и уже на стадии эксплуатации можно применять компьютерное моделирование для того, чтобы корректировать какие-либо элементы, связанные именно с организацией перемещения людей.
Если соотнести возможность моделировать пешеходное движение с возможностью развития пожара, то мы получаем еще более мощный инструмент для решения задач безопасности. В данном случае мы уже говорим конкретно о пожарной безопасности. Моделирование развития пожара позволяет нам определить, как скоро развивается пожар в здании. Моделирование в данном случае именно эвакуации нам позволяет ответить на вопрос: а сколько времени есть у людей или сколько времени им требуется для того, чтобы покинуть здание? Притом очевидно, если мы говорим про места массового пребывания, путь эвакуации не один — их несколько. Какие-то могут быть заблокированы, и тогда следует организовывать перераспределение зрителей по тем путям, которые оказываются все еще безопасными. Так вот, ответить на вопрос, какие пути будут безопасными, сколько времени они останутся безопасными, сколько потребуется на то, чтобы покинуть тот или иной участок здания во время пожара, — на все эти вопросы можно отвечать с помощью компьютерного моделирования.
У нас с самого начала строится трехмерная модель здания, подкладывается подложка и по ней в точности восстанавливается объект. В данном случае мы наблюдаем модель стадиона на 3000 зрителей. Сценарий был следующий: в фудкорте возникает пожар. Сейчас мы видим закрашенную область — от синего «безопасного» к красному «опасному» состоянию. В данном случае мы видим поле задымления. Т.е. оптическая плотность дыма, которая изменяет свое значение от 0 до 0,12 неперов на метр. Это значение, которое соответствует критическому в соответствии с действующими нормативными документами. Оно считается уже небезопасным для людей. Все, что ниже, является неопасным. И вот, у нас возникает задымление в зоне фудкорта. Начинается эвакуация. Очевидно, что использовать центральные выходы с трибуны мы не можем, потому что они непосредственно ведут в зону задымления. Поэтому люди пользуются боковыми выходами. На первом этапе мы обнаруживаем, что объемно-планировочное решение этого здания таково, что у нас здесь имеется отсечка, здесь стоят двери, которые отделяют одну зону коридора от второй зоны коридора. И эта самая отсечка, двери, спасают зрителей, выходящих через один из боковых выходов, от зоны, в которой происходит непосредственное развитие пожара. А вот с другой стороны ситуация иная: та же самая дверь чуть сдвинута, и зона пожара — развития, где у нас находится очаг и, собственно говоря, происходит массовое задымление, — не отделена от бокового выхода. И что мы видим? Вот уже на 155-й секунде мы видим, что у нас ситуация задымления возникла на путях эвакуации. Предвидеть этот факт о том, что здесь будет задымление в момент начала эвакуации, люди не могли. Очевидным выводом является следующее: вот такое применение, такое явление можно наблюдать заранее, когда мы применяем компьютерное моделирование, исследуем особенности в данном случае объемно-планировочного движения объекта.
И уже путем инструктирования персонала, который работает на объекте, прописывания в инструкции конкретных действий по управлению эвакуацией можно избежать такой ситуации.
Скопление людей само по себе, как таковое, даже без какой-то внешней причины уже само является элементом риска. Потому что какой-либо крик, стрессовая ситуация — кто-то упал, кто-то споткнулся — при таком массовом перемещении может являться причиной организации паники и нерационального движения, перемещения и действий людей. Вот отвечать на вопросы: «Сколько времени будет возможно такое скопление? Где оно может находиться? По причине чего оно может быть таковым?» — можно с помощью компьютерного моделирования пешеходного движения.
"Мы все время хотим мир поломать до основания, а потом построить что-то новое. Но раз мы уже двинулись по этому пути, и есть позитивные изменения… Россия показывает лучшую динамику в мире по всем предметам! Хватит революций!" – вступился за единый госэкзамен замглавы Рособрнадзора Анзор Музаев.
