Отношения между Российской академией наук (РАН) и представителями Министерства образования и науки в последние годы кардинально изменились, теперь структуры плотно сотрудничают.

Об этом сообщил глава РАН Александр Сергеев на расширенном заседании коллегии Минобрнауки в среду.

"Мы работаем фактически в режиме еженедельных личных встреч, контактов, и с Ольгой Юрьевной [Васильевой], и с Григорием Трубниковым. И я должен сказать, что в этом отношении ситуация кардинально отличается от той, которая сложилась у нас в 2012-2016 годах, когда отношения скорее можно было характеризовать словами из эпохи холодной войны, чем конструктивного сотрудничества", - сказал глава РАН.

По слова Сергеева, у РАН и министерства много совместной деятельности и планов на будущее.

Как нас учили еще в школе, становление современной науки стало результатом пробуждения человеческого разума от религиозного сна, а начало этого пробуждения необходимо связывать с эпохой Возрождения – эпохой великих вольнодумцев. Наука, якобы, стала прямым результатом этих процессов, когда восставший титанический дух отринул «средневековое мракобесие». Однако так ли всё было на самом деле?

Вот образчик рассуждений одного из таких титанов Возрождения: «Краеугольным камнем великого искусства медицины является искусство астрономии, от которой следуют все болезни человека, здоровье его и смерть его. И всякий, кто будет помнить об этом, — не ошибется. Ибо целителя, не понимающего астрономии, нельзя назвать подлинным целителем, потому как более чем половина всех болезней обусловливаема небесами», - так писал Парацельс - знаменитый врач той эпохи - в одном из своих трактатов. Странно то, что ему очень часто приписывают новаторскую роль в вопросах лечения болезней. Данное обстоятельство дает некоторым исследователям основание рассматривать Парацельса «прогрессивным» мыслителем, пытавшимся покончить с устаревшими методиками. Иногда ему приписывают качества современного экспериментатора, исследующего природу без оглядок на авторитеты.

Полагаю, нам будет довольно трудно связать «прогрессивный» прорыв в медицине со ссылкой на небеса, понимаемые как источник более половины болезней. Возможно, Парацельс в чем-то превзошел Галена, однако вряд ли мы найдем в его трудах хотя бы намеки на научную рациональность, не говоря уже о научном прогрессе. Учение Парацельса о природе и человеке отражает взгляды типичного средневекового мага и алхимика. Всё живое, утверждает он, управляется звездами. Знание о природе также идет к нам от звезд. Овладеть в совершенстве той же медициной, с точки зрения Парацельса, невозможно без понимания «невидимого царства» и его влияния на человеческие тела. В трудах целителя всячески подчеркивается, что знание видимых физических явлений в обязательном порядке должно дополняться тем, что идет прямо от неба: «Все на земле имеют небесные качества в дополнение к тем, которые получаемы от стихий. Философ Искусный способен различать в земных предметах их небесные качества. Подобно тому как обычный философ описывает естественные качества растений, так Философ Искусный описывает небесные».

Надо сказать, что Парацельс был не одинок в своих оккультных изысканиях. Оккультизм в эпоху Возрождения был своего рода «писком моды». Мыслители, считавшие себя естествоиспытателями, привычно апеллировали к невидимым силам, описывая их влияние на природные объекты.

Оккультная традиция, конечно же, не появилась из ниоткуда. Она столетиями существовала под спудом церковной догматики, словно дожидаясь своего часа. Важно то, что по мере ослабления авторитета официальной христианской науки именно оккультизм в его натурфилософских и магических вариантах стал претендовать на роль абсолютно достоверного знания о природе.

Напомню, что в глазах последователей оккультной традиции вся природа пронизана тайными невидимыми силами, которые как раз и обнаруживают себя в видимых явлениях. Вся вселенная считалась одушевленной, а потому вполне допускалось взаимодействие между физическими объектами без непосредственного контакта – исключительно в силу симпатических связей. Ренессансную магию и натурфилософию невозможно представить без этой анимистической основы. Одушевленность природы понималась БУКВАЛЬНО. И это обстоятельство нельзя сбрасывать со счетов, когда мы говорим об умонастроениях позднего средневековья, особенно если речь идет о знаменитых мыслителях Ренессанса. Даже знаменитый Леонардо да Винчи, несмотря на свой интерес к механике, утверждал, будто Земля обладает душой, а сама структура планеты подобна структуре живого существа – с «плотью» в виде суши, с «костями» в виде скал, с «кровью» в виде водоемов, с «дыханием и пульсом» в виде приливов и отливов моря.

Таким образом, современная наука возникла не в пустыне, а в окружении древних языческих предрассудков и магических практик. Задолго до Галилея и Ньютона существовал целый легион «естествоиспытателей», претендовавших на объяснение природных явлений с откровенно оккультных позиций. Магия, алхимия, анимистическая натурфилософия – всё это необходимо принимать во внимание, чтобы понять, в каких условиях происходило становление математического естествознания. Причем, популярность оккультизма не снижалась вплоть до Нового времени, что вызывало ответную реакцию со стороны католической церкви. Дело доходило до того, что даже в математической формуле или в геометрической фигуре люди несведущие могли усмотреть тайный магический знак.

В этой связи новая наука старалась оставаться в границах человеческого рассудка, не выходя за рамки буквального и однозначного понимания своих формулировок. Соответственно, все чудесные свойства вещей, на которые ссылались адепты оккультных учений, выводились за рамки естествознания. Механистическое понимание природы вполне соответствовало этим условиям, поскольку естественные явления можно было описать в терминах вещества, движения и энергии, не прибегая к ссылкам на какие-то скрытые силы. Революционность математического метода состояла в переходе к количественным описаниям, что неизбежно вело к «прозаическому», рациональному использованию самой математики.

Даже Кеплер, несмотря на свои пифагорейские увлечения, осознавал четкую дистанцию между «нормальной», количественной математикой и мистическим подходом к числу, распространенным среди герметистов. К последним принадлежал Роберт Фладд, с которым Кеплеру пришлось вступить в нешуточную полемику.

Как отмечает известная исследовательница той эпохи Фрэнсис Йейтс, «он с абсолютной ясностью понимал, что корень различия между ним и Фладдом состоит в том, что они по-разному относятся к числу, он сам – как математик, опирающийся на количественные измерения, Фладд – как пифагореец и герметик. В ответах Фладду Кеплер дает блистательный анализ этого различия, впервые представляя эту проблему в ясном дневном свете и делая решающий шаг на пути к окончательному очищению подлинной математики от многовековых примесей нумерологии».

Как ни странно, но в этом качестве новая наука стала союзницей официальной религии, выступая против магических пережитков и прочей «языческой» чертовщины, включая анимизм. Стивен Шейпин в работе «Научная революция» пытается развеять известное заблуждение относительно антирелигиозной направленности новой науки о природе. Если природа изображается как великая машина, то, казалось бы, здесь исчезает всякий смысл обращения к Богу. Так считают многие из нас, и поэтому может показаться странным, что новая наука была в состоянии поддержать веру в Творца. «Но на самом деле, - пишет Шейпин, - как раз механистическое понимание природы породило самые влиятельные и убедительные аргументы в пользу того, чтобы новая наука стала верной служанкой религии». 

В чем суть этих аргументов? Дело в том, что, если мир подобен идеальному часовому механизму, значит должна быть некая внешняя сила, создавшая его и приведшая в движение. Здесь важно подчеркнуть, что механизм, ассоциируясь с ИСКУССТВЕННЫМ (то есть с рукотворным) предметом, предполагал аналогичное восприятие мира – как сложно организованной системы, в основу которой заложен разумный план Создателя. Иными словами, подобно тому, как любая искусственно созданная вещь свидетельствует о существовании разумного мастера, изготовившего ее, так и мир, по этой аналогии, должен свидетельствовать в пользу существования всемогущего Бога-Творца. По словам Шейпина, этот довод «позволял связать научную практику с религиозными ценностями». Причем, продержался он «от начала научной революции до XIX в. включительно». «Механистическое понимание природы, - утверждает Шейпин, - только подкрепляло веру в существование Бога как основополагающую интуицию для познания других сфер бытия».

Известно, например, восхищение Ньютона устройством глаза, в котором хрусталик и зрачок «столь превосходно сформированы и приспособлены для зрения, что никакой мастер не мог бы их улучшить». Отсюда следовал вывод, что столь совершенная конструкция не является игрой слепого случая и, скорее всего, имела своего Создателя.

Роберт Бойль писал о том, что красота и упорядоченность небесных тел, совершенное устройство животных побуждают непредвзятого наблюдателя сделать вывод о существовании разумного Создателя. Уильям Гарвей прямо признавался в том, что он не просто пытался узнать тайны природы, но и уловить тем самым отражение всемогущего Творца. Поэтому, как писал Джон Хедли Брук, нельзя исключать, что «мотивом для исследования природы могло выступать желание доказать существование Бога».

Мало того, Шейпин даже утверждает, будто в Англии функция ученого пересекалась с функцией клирика. На сей счет он приводит соответствующее высказывание Ньютона: «В задачи естественной философии входит судить о Боге по видимости вещей». Возможно, Шейпин несколько преувеличивает клерикальную направленность английского естествознания. Тем не менее, это отнюдь не отменяет того факта, что революционные изменения в науке отнюдь не означали неизбежного конфликта с христианской верой. Реальный идейный конфликт разгорался на другом поле – на поле борьбы с оккультными пережитками предшествующего поколения «естествоиспытателей».

Олег Носков

В романе Олега Куваева «Территория» и его экранизации геологи на Крайнем Севере открывали для страны новую золотоносную провинцию. Сегодня Арктика может насыщать Россию не только драгоценными металлами и камнями, но и сырьем для высокотехнологичной индустрии, тем самым становясь ближе к центрам наукоемкой промышленности Сибири — в этом уверен научный руководитель Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН академик Николай Петрович Похиленко.

— Чтобы сблизить регионы в контексте приоритета связанности программы по выполнению Стратегии научно-технологического развития РФ, надо понять, какие проекты имеют шансы быть привлекательными для внутреннего и внешнего рынков и наименее рискованными для инвесторов. Начинания по разработке источников новых ресурсов без просчета всей цепочки их использования бесперспективны и обречены на провал. Парадигма «добывать, чтобы добывать» осталась в прошлом.

Если говорить о Центральной Арктике, о пространствах между Таймыром и устьем Лены, то привлекательна территория, где есть заведомо востребованные виды минерального сырья. Административно это северная часть Красноярского края и северо-запад Республики Саха (Якутия). Наиболее перспективным здесь видится бассейн реки Анабар, включая распространяющееся на восток Уджинское поднятие. Здесь уже первоначально разведаны источники полезных ископаемых, необходимых для развития высоких технологий.  

— Можно ли конкретизировать?

Самый известный объект — Томторский массив, — гигантское месторождение редкоземельных элементов, которое занимает первое место в мире как по объему запасов, так и по концентрации полезных компонентов. Это, к примеру, ниобий (сегодня закупаемый в Бразилии), необходимый для современной металлургии. На Томторе содержание его оксида в тонне руды втрое выше, чем на бразильском месторождении Араша: 65 против 23 килограммов. Томтор может давать скандий, которым легируют алюминий, после чего он приобретает прочность стали, оставаясь таким же легким. Такой металл не корродирует, его можно сваривать в обычной (а не аргоновой) атмосфере, при этом шов становится прочнее листа, что очень важно в современном авиа- и ракетостроении, в автомобильной промышленности. А содержащийся в томторских рудах празеодим при добавлении в магнитный материал резко повышает точку Кюри — температурный барьер, за которым начинается размагничивание.

Это открывает путь к созданию буквально вечных сверхсильных магнитов для принципиально новых конструкций электродвигателей и генераторов. Сверхпроводники, оптика, электроника — всего не перечислить.

Томтор огромен: из 250 квадратных километров обследовано только около 40 в центральной части. Но в той же рудоконтролирующей зоне находятся еще три внешне схожих массива, фактически не изученных. Здесь прослеживаются и признаки выявления богатых коренных месторождений алмазов — таких же по качеству, что в затопленной трубке «Мир», то есть стоимостью более 100 долларов за карат. Найденные там в значительных количествах камни не с неба упали.

— С неба упали другие, попигайские.

— Совершенно верно. Попигайский кратер содержит огромные запасы алмаз-лонсдейлитового абразивного состава, востребованного промышленностью. Хотя, в отличие от редкоземельных элементов, этот материал еще предстоит встраивать в технологии. Выход видится в том, чтобы открыть опытную добычу для изготовления пробных партий инструментов (буровых коронок, резцов) и, возможно, композитных материалов. Высока, к примеру, вероятность применения последних в подшипниках скольжения для высокоскоростных турбин.

— Что еще видится перспективным в этом районе Арктики?

— На реке Анабар и ее притоках компания «Алмазы Анабара» добывает не только драгоценные камни, но попутно и платину — на периферии Уджинского поднятия. Геологи из якутского Института геологии алмаза и благородных металлов СО РАН обнаружили в платиновых самородках (до 1—1,5 см) присутствие минералов щелочных пород, что говорит о возможности обнаружения месторождений промышленного масштаба. Впрочем, и сегодня «Алмазы Анабара» добывают до 100 кг платины в год, но это является побочным результатом.

Еще один вид сырья, не вполне характерный для российской Арктики, — высококачественный антрацит, который уже начали добывать на Таймыре. Это угли не топливные, а металлургические.

— В предыдущей публикации нашего спецпроекта член-корреспондент РАН Валерий Анатольевич Крюков продвигал принцип булочной: недорогое сырье должно потребляться на месте, далеко стоит возить только продукты с высокой добавленной стоимостью. А как же таймырский уголь?

— Всё верно, но цена и продукта, и его транспортировки всегда конкретна и включена в ту или иную цепочку. Вполне оправдывают себя перевозки на многие тысячи километров нефти и сжиженного природного газа, минеральных удобрений, того же угля. Есть исторически сложившиеся центры добычи и переработки, зачастую удаленные друг от друга. Сравнительно дорогой таймырский антрацит вполне перевозим к потребителям по Северному морскому пути.

— Тем не менее когда мы говорим о рудных ископаемых, сразу возникает вопрос о строительстве горно-обогатительных мощностей вблизи месторождений.

— Вопрос избирательный и полностью завязанный на рентабельность. Вот пример: глава «АЛРОСА» Сергей Сергеевич Иванов на недавней встрече с президентом России рассказал об освоении Верхне-Мунского алмазного месторождения, руду с которого будут возить автопоездами за 180 километров на горно-обогатительный комбинат (ГОК) в поселок Удачный, для чего восстановят недостроенную дорогу по вечной мерзлоте. Первоначальные затраты, насколько мне известно, 23 миллиарда рублей. В тонне верхне-мунской руды алмазов содержится чуть меньше, чем на 60 долларов США, и, соответственно, при ежегодной переработке порядка трех миллионов тонн окупаемость этой стройки составит около 20 лет.

Томторские же руды настолько богаты, что их однозначно экономичнее вывозить. По сегодняшним оценкам, из тонны извлекается полезных элементов на 10 500—11 000 долларов! Красноярским Институтом химии и химических технологий СО РАН разработаны в двух вариантах технологии выделения 16 высоколиквидных продуктов, причем отход составляет только 30 %. В числе этих 16 есть металлы, которые в сырье из других стран (например, с китайского месторождения Боюн-Обо) присутствуют в минимальных концентрациях и всё равно извлекаются, потому что востребованы.

У нас же, по сути дела, это не руда, а природный концентрат. Такое сокровище хоть самолетом вози! Поэтому вблизи Томтора есть определенная инфраструктура, достаточная для добычи, а строить там ГОК — только добавлять себе проблем: экологических, инженерных, кадровых и так далее. Сегодня прорабатываются различные схемы транспортировки томторских руд. Специалисты институтов СО РАН предлагали зимой перевозить около 100 000 тонн в порт Урун-Хая в устье Анабара, затем судами ледового класса, порожними после восточного завоза, доставлять до Дудинки, а оттуда речными баржами по Енисею — до Железногорского горно-химического комбината (в прошлом Красноярск-26), где и перерабатывать по технологиям ИХХТ СО РАН. Компания «Восток Инжиниринг» — дочернее предприятие компании «ТриАрк Майнинг» (структура Госкорпорации «Ростех»), начавшая осваивать Томтор, пошла по другому пути — они собираются возить по суше руду в Хатангу, где ее также переваливают на водный транспорт. У этого варианта есть свое преимущество: дорога проходит в относительной близости от Попигайского кратера.

— Есть перспектива вывозить по ней и руды Попигая?

— Нет, я имею в виду обычную доступность для людей и грузов, поскольку здесь, на Попигае, требуется обогащение на месте. Там, к примеру, на месторождении Скальное содержание алмаз-лонсдейлитового сырья составляет 23 карата (то есть около 4,6 граммов) на тонну. Средний размер частичек — миллиметр-полтора. Перевозить на огромное расстояние большие объемы пустой породы для их извлечения — нерационально со всех сторон.

— То есть в целом проблема освоения Анабаро-Таймырского сектора Арктики — это проблема «длинных денег»?

— Именно так. Томтор можно «раскрутить» достаточно быстро, поскольку технологии уже разработаны, и на выходе мы получаем заведомо ценные и востребованные продукты.

Единственное, чего недостает, — это адаптировать разработки ИХХТ СО РАН к большим объемам, перейти от десятков килограммов к десяткам тонн. Но трансформация опытных установок в промышленные — процесс понятный, на это уходит два-три года.

За тонкую очистку готов был взяться Новосибирский завод химконцентратов, чтобы доводить чистоту, например, скандия от 99,5 % (цена 1 500 долларов за килограмм) до 99,999 % — такой стоит уже 15 000 долларов. Тем более что практический опыт на НЗХК тоже был. Рынок сверхчистых редких элементов не широкий, зато стабильный и перспективный. Однако «Восток Инжениринг» по своим соображениям решила наладить переработку томторской руды в Забайкалье. И дело, к сожалению, идет очень медленно.

— Всё зависит от инвестиционных возможностей компаний?

— И от их экономической политики в целом. Та же «АЛРОСА» с большой неохотой идет на освоение классических месторождений алмазов в Арктике. Логика проста: успешным бывает в среднем один из десяти поисковых проектов (цифра общая для любого венчурного бизнеса). Пусть даже менеджмент добывающей компании в каком-то конкретном проекте полностью доверяет нам, геологам. Но всё равно от момента начала успешного поискового этапа до начала промышленного освоения выявленного месторождения проходит не менее 14-15 лет. Поэтому компании снижают инвестиционные риски и ускоряют отдачу вложений, приобретая пусть более скромные по масштабу, зато лучше проработанные активы за рубежом — «АЛРОСА» идет в Ботсвану и Анголу, «Роснефть» — в Венесуэлу, Ливию и Ирак, даже несмотря на политическую нестабильность в этих странах. К тому же для «АЛРОСА» характерна быстрая ротация руководства. Когда президент сменяет президента через три — пять лет, желание рисковать еще больше уменьшается.

— Выходит, для освоения ресурсов Арктики требуется российский Илон Маск, не боящийся риска и «длинных денег»?

— В общем, да. Но Россия не Америка, и у нас допустима другая стратегия. Первоначальным инвестором может выступать государство, вкладываясь в геологоразведку и первичную оценку запасов. Затем оно предлагает компаниям месторождения, подготовленность которых не хуже, чем за рубежом. Так сказать, карту за деньги. Но для этого власть должна выполнить одно базовое условие — восстановить промышленную геологоразведку. К примеру, в советское время на Крайнем Северо-Востоке (Чукотка, Магаданская и Камчатская области) работало Северо-Восточное геологическое управление с 10 000 специалистов, а на сегодня осталось порядка 300. Поэтому проблема решаема без условного Илона Маска, но в два больших этапа и с серьезным государственным финансированием. 

Беседовал Андрей Соболевский

Не так давно в ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» был представлен цикл презентаций «Как создаются современные лекарства». Поводом для выбора темы стали новые возможности, которые дало объединение «под крышей» одного Федерального исследовательского центра ведущего института СО РАН, занимающегося фундаментальными генетическими исследованиями, и двух НИИ медицинского профиля. Теперь в рамках одной организации стало возможным осуществление полного цикла создания лекарственного препарата, от компьютерных моделей до клинических испытаний и выпуска пробных партий готового препарата. О чем собственно и рассказали собравшимся (журналистам и студентам вузов Новосибирска) сотрудники ФИЦ ИЦиГ.

Сегодня путь на рынок для любого нового лекарства занимает много лет, а начинается он в научных лабораториях, где часто вместе работают молекулярные генетики и специалисты по биоинформатике.

Об этом этапе рассказала сотрудник лаборатории компьютерной протеомики Института цитологии и генетики Олька Сайк. А точнее – про поиск потенциальных генов-мишеней, перспективных для разработки новых лекарств с помощью анализа генных сетей.

В настоящее время медицине известно более 10 тысяч различных заболеваний и синдромов, от которых может страдать человек. В Госреестре зарегистрировано почти 40 тысяч лекарственных препаратов. И, тем не менее, для многих заболеваний существует только симптоматическое лечение (не устраняющее саму болезнь, а лишь ослабляющее ее воздействие), а уровень смертности населения остается высоким.

Не упрощают жизнь медикам и другие факторы: с годами многие бактерии и вирусы становятся устойчивыми к существующим лекарствам, сильнодействующие препараты имеют неприятные побочные свойства, а одновременный прием разных лекарств (при одновременном лечении разных болезней) может вести к новым осложнениям.

В этой ситуации требуются новые лекарства, более эффективные и в то же время безопасные, а еще лучше – персонализированные, учитывающие генетические особенности пациента. Ключевым этапом при их создании является правильный выбор фармакологической мишени, выбор белка, на который необходимо оказать химическое воздействие для предотвращения развития заболевания.

Сделать этот поиск более быстрым, эффективным и менее затратным позволяют методы биоинформатики, опирающиеся на анализ генных сетей.

– В начале прошлого века генетика исходила из парадигмы, что один ген определяет один фенотипический признак, - напомнила Ольга Сайк. – Но позднее ученые пришли к выводу, что отдельный признак обеспечивается функционированием группы взаимодействующих генов. К примеру, цвет глаз определяется группой из 5-10 генов. Так и возникла концепция генных сетей, каждая из которых определяет тот или иной признак организма. А сам ген при этом может быть включен в разные сети.

Анализ генных сетей, в частности, позволяет понять, каким образом воздействие вируса или мутации самого гена может приводить к развитию определенного заболевания. В качестве примера Ольга Сайк привела модель воздействия вируса гепатита С, ведущего к развитию цирроза печени. Известно, что белок вируса р56 может специфически активировать белок TLR4 в клетках печени человека. Также известно, что у людей, болеющих циррозом, уровень данного белка в печени значительно повышен. Далее, выстроив модель генной сети, в которой задействован пораженный вирусом ген, можно выделить гены-мишени, воздействие на которые позволит нейтрализовать негативный фактор.

Один из подходов предполагает выделение внутри сети отдельных кластеров, ответственных за те или иные процессы, затем выбирают те из них, что наиболее вовлечены в процесс развития заболевания (апоптоз клеток или наоборот – иммунный ответ и т.п.), после чего работают, в первую очередь, с ними. Затем внутри кластера ищут хабы (центральные вершины) – гены, через которые проходит больше всего связей внутри генной сети. Обычно это белки – регуляторные молекулы. Именно они и являются приоритетными генами-мишенями.

Дальнейший анализ позволяет также оценить риски развития у пациента побочного эффекта в результате воздействия на мишень лекарством. Ведь ген, выбранный мишенью, может участвовать во многих других процессах, в том числе, не связанных напрямую с заболеванием. И надо оценить, как это воздействие повлияет на другие процессы, в которые вовлечен ген. Исходя из этого, приоритет получают гены, которые имею меньше связей с иными биологическими процессами.

Звучит довольно просто, но на самом деле решение этой задачи занимает массу времени и сил. Ведь многие сети включают сотни генов и еще больше – регуляторных взаимодействий между ними. Для проведения всего этого объемного анализа разработан специальный математически аппарат. Изучая воздействие того же вируса гепатита С, сотрудники ИЦиГ выявили 900 белков человека, вовлеченных в этот процесс. А затем, проанализировав их работу в генных сетях, определили несколько потенциальных кандидатов в гены-мишени, причем, не только для лечения собственно гепатита С. Так, белок человека енолаза 1 (ENO1) может быть также мишенью для лекарств против воспаления легких, неходжкинской лимфомы и глиомы. И все же – это только первый (и не самый трудоемкий) этап на пути к новому лекарственному препарату.

Следующий шаг – компьютерное моделирование потенциальных ингибиторов: сначала строится модель белка-мишени, а затем подбирается химическое соединение, которое блокировало бы его работу. Более подробно об этой работе рассказал еще один сотрудник лаборатории компьютерной протеомики Никита Иванисенко.

– Если вы проанализируете, что вам выписывает терапевт, то вы увидите, что большинство лекарств – это низкомолекулярные соединения, - сказал он. – Фактически, задача молекулы лекарства – ингибировать конкретный белок (затормаживать или останавливать его работу), который ответственен за возникновение и развитие заболевания.

К примеру, установлено, что если удастся проингибировать (нарушить работу) белка протеаза ВИЧ-1, то сам вирус иммунодефицита человека также прекращает размножаться и поражать организм. Собственно, сегодня множество исследований по созданию лекарства против ВИЧ работают именно в этом направлении.

В описании такого рода исследований, ученые часто используют аналогию «ключ-замок». В ней белку отводится роль «ящика», который надо «открыть». «Замочной скважиной» в данном случае является некий сайт (место, через которое к нему может прикрепиться молекула лекарственного препарата).

И задачей ученых на данном этапе является смоделировать химическое соединение, которое смогло бы связаться с этим сайтом, создать «ключ» для этого уникального природного «замка».

Существует много способов подбора таких соединений, которые в фармацевтике классифицируют по двум подтипам. Это методы полного перебора (когда проверяются все возможные комбинации, а речь может идти о миллионах вариантов) и методы рационального подхода (когда сначала изучается устройство «замка», и на основе этого подбираются подобия «ключей»). Оба подхода сегодня широко используются в фармацевтике. Первый подход более понятен и методы поиска в его рамках хорошо отработаны, зато второй часто помогает значительно сэкономить ресурсы и время.

Каким же образом ученые изучают «замки» белков. Большой популярностью пользуется, в частности, метод рентгеноструктурного анализа. Для начала надо вырастить кристалл, который будет состоять из белка-мишени (что само по себе очень непростая задача). Затем проводится анализ дифракции рентгеновских лучей. И на его основе строится компьютерная модель белка-мишени, которая и предоставляет информацию об устройстве его «замка». Правда, в этой модели нет информации о том, какие части молекулы белка подвижны, а какие – нет. На этом этапе и начинается рациональный поиск «отмычки», с использованием компьютерных вычислений, таких как машинное обучение.

Как видно из описания, несмотря на то, что такой подход заметно сокращает число кандидатов на роль «отмычки», сам по себе он подразумевает решение сложных задач и привлечение для этого весьма компетентных специалистов. Поэтому, несмотря на очевидные «слабые места», методы полного перебора по-прежнему пользуются высокой популярностью у фармацевтических компаний.

Впрочем, формирование некоего списка кандидатов на роль нового лекарства – это лишь первый шаг. Далее в работу включаются исследователи другого профиля, о которых мы подробнее расскажем в следующих частях нашего мини-цикла.

Наталья Тимакова

Специалисты Института геологии и минералогии СО РАН (ИГМ СО РАН) при участии коллег из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) проанализировали элементный состав твердых осадков снежного покрова в парковых зонах Новосибирска и его окрестностях. Ученые сравнили данные исследований 2005 и 2016 гг. – на левом берегу г. Новосибирска в пределах Бугринской рощи в техногенных аэрозолях резко снизилось содержание некоторых тяжелых металлов, что указывает на улучшение качества городского воздуха и экологической ситуации в целом. Результаты опубликованы в журнале «Интерэкспо Гео-Сибирь», работы проведены при поддержке гранта РФФИ.

Выбросы промышленных предприятий – это один из основных факторов загрязнения окружающей среды.

Информацию об экологической ситуации можно получить, изучив городскую растительность, снег и почву, которые аккумулируют в себе техногенные аэрозоли.

Кристаллы снега зимой и капли дождя летом, проходя через толщу воздуха, очищают его: они захватывают твердые частицы и газообразные соединения, в то же время крупные и тяжелые частицы оседают и в сухих условиях – под действием силы тяжести. В Сибири устойчивый снежный покров, который формируется с ноября по март, накапливает аэрозольные частицы в течение всего зимнего периода. 

Пробы снега. Таблетки из осадков 

Все источники техногенного загрязнения, будь то промышленное производство или, скажем, автотрасса, имеют свои уникальные геохимические индикаторы выбросов, которые выявляются в процессе анализа проб снега. Точки сбора определяются с учетом розы ветров и места расположения «объекта». На качество проб может повлиять близость автомагистралей, которые тоже имеют свои индикаторы, кроме того, важно, чтобы человек не нарушал целостность снежного покрова. Таким образом, идеальный снег для исследований можно найти только, в буквальном смысле, в чистом поле, вдали от шоссе и жилых кварталов, но, если такой возможности нет, «территориальные особенности» обязательно учитываются в дальнейшем.

«В конце марта мы собрали крупнообъемные (до 200 литров) пробы снега на всю глубину, до поверхности земли. Пробы отстаивались в течение трех дней, затем в ходе фильтрации из них выделялись твердые осадки – частицы техногенных аэрозолей, – рассказывает доктор геолого-минералогических наук, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник ИГМ СО РАН Светлана Артамонова. – Такие частицы можно изучать по-разному: в данном случае твердые осадки прессовались в специальные таблетки для последующего исследования на экспериментальной станции рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) на ускорителе ВЭПП-3 Центра коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» ИЯФ СО РАН. С помощью этого метода определялся как элементный состав в целом, так и степень концентрации отдельных веществ».

Новосибирск. Индикаторы загрязнения

В городских аэрозолях преобладают полые сферические частицы муллита, состоящего из алюминия и кремния – ученые связывают это со сжиганием угля. По мере удаления от города техногенная нагрузка уменьшается, а в воздухе повышается содержание природных минералов, таких как кварц, плагиоклаз и другие – это частицы почв, поднятые ветром.

На Левом берегу геохимическими индикаторами долгое время служили, как правило, олово, свинец, медь, мышьяк и хром. В 2016 году в аэрозолях Бугринской рощи содержание элементов-индикаторов (по сравнению с 2005 г.) снизилось в среднем в 2,5 раза: содержание некоторых тяжелых металлов, например, свинца – примерно в 2 раза, хрома и кадмия – в 4 раза.  Это указывает на улучшение качества городского воздуха и, значит, экологической ситуации в целом. По сравнению с 2005 г. в пыли стало гораздо меньше металлсодержащих частиц, только изредка присутствуют микрочастицы оксидов олова. В то же время, на правом берегу Новосибирска появляются другие индикаторы: здесь становится разнообразнее распределение редкоземельных элементов. Например, в аэрозолях правобережья среднее содержание тория составило 11,3 мг/кг, что в среднем на 30 % больше, чем в аэрозолях левобережья.

Рентгенофлуоресцентный анализ на синхротронном излучении (РФА-СИ). Принцип действия

РФА – это высокочувствительный метод исследования, который применяется в различных областях науки и промышленности, и включает в себя сбор и последующий анализ спектра, возникающего при облучении материала рентгеновским излучением. Он позволяет с высокой точностью определить элементный состав и обнаружить даже очень незначительные концентрации вещества, и кроме того, не разрушает и не деформирует объекты исследования. Под воздействием излучения атомы возбуждаются и испускают кванты энергии (строго определенное значение для каждого элемента), которые регистрируются специальным детектором. Проанализировав шкалу энергии, с одной стороны, и интенсивность пиков спектра (зависит от количества квантов) – с другой, можно сделать вывод о составе исследуемого образца.

В качестве источника рентгеновских квантов можно использовать рентгеновские трубки или радиоактивные изотопы. Однако в этих исследованиях более предпочтительно использовать синхротронное излучение (СИ), которое генерирует ускоритель. «СИ имеет ряд преимуществ, – рассказывает кандидат физико-математических наук, ученый секретарь ИЯФ СО РАН Яков Ракшун. – Для сравнения: на традиционных источниках предел обнаружения (минимальная концентрация вещества, которую можно определить в ходе анализа) – 10-5, а для синхротрона – до 10-9. Кроме того, благодаря широким возможностям фокусирвки, область анализа сравнительно легко можно уменьшить до нескольких микрон. Высокая интенсивность СИ существенно сокращает время набора экспериментальной статистики, а значит, и время исследования каждого образца (от 2-3 и до 20 минут в зависимости от размера и сложности состава), широкий спектр излучения позволяет вести панорамное исследование большего числа элементов. И наконец, синхротронное излучение дает возможность провести комплексное исследование материалов с использованием не только РФА, но и, например, рентгеноструктурного и других методов спектрального анализа».

Понятие «пермакультура», или «перманентное сельское хозяйство», несмотря на то, что появилось оно примерно сто лет назад, мало что говорит среднестатистическому жителю нашей страны, включая самых увлеченных садоводов-любителей. Напомню, что этим словом принято обозначать особый подход к ведению сельского хозяйства, где во главу угла поставлена естественная связь экосистем. Слово «перманентный» указывает на непрерывный цикл хозяйствования, на естественный «круговорот», когда вы не выжимаете «соки» из земли ради одной конкретной агрокультуры, а берете со своего участка много чего поочередно, по мере роста и созревания разных культур (каждая – на своем месте). С академической точки зрения в этих подходах достаточно много «экзотики», тем не менее, ввиду нарастающего интереса к «органическому» земледелию, игнорировать накопленный здесь опыт было бы не правильно.

Видным авторитетом в области пермакультуры стал австрийский фермер Зепп Хольцер, заслуживший репутацию «агрария-революционера». В нашей стране было переведено на русский язык несколько его книг. Можно сказать, что российская публика знает пермакультуру как раз по Хольцеру.

Отметим, что у себя на родине его долгое время воспринимали как чудака, а иной раз – как шарлатана, поскольку пропагандируемые им методы ведения сельского хозяйства очень часто расходились с законодательно утвержденными требованиями. В результате чего у Хольцера нередко случались судебные тяжбы с бюрократами.

В своих книгах он резко критикует принятые способы интенсивного земледелия и животноводства, которые, на его взгляд, наносят непоправимый ущерб природе и превращают само сельское хозяйство в подобие каторги. Хольцер показывает, что вся система подготовки будущих аграриев вколачивает в их головы вредные принципы, в силу чего сельский труженик лишается здравого восприятия тех естественных процессов, которые могут дать ему массу положительных результатов – без всякого экологического ущерба. «На различных курсах, в сельскохозяйственной академии, за время приобретения многочисленных квалификаций, а также из профлитературы я познакомился с основами современного земледелия. Сельскохозяйственная Палата со своими односторонними системами и различными хозяйственными экспертами объяснили мне, молодому крестьянину, как применять современные техники хозяйствования. Меня приучили быть «прогрессивным земледельцем» и не оставаться «деревенщиной». Я тоже позволил себя переубедить, в силу односторонней информации на курсах повышения квалификации, и шел некоторое время неверным путем», - вспоминает Зепп Хольцер.

«Неверным путем» здесь названы современные технологии интенсивного земледелия. Хольцер решил действовать по-своему, полностью рекультивировав свое хозяйство на тех принципах, с которыми принято связывать пермакультуру (он поначалу даже не знал такого термина). «Я начал самостоятельно жить и воплощать свои представления крестьянского бытия» - пишет он.

Профессионалы, верные «прогрессивным принципам», смотрели на него, как на безумца, полагая, что его хозяйство в скором времени разорится и будет продано с молотка. Однако, к их удивлению, хозяйство Хольцера не только не разорилось, но и увеличилось вдвое (с 20 га – до 40 га). В целом, считает Хольцер, планировка ландшафта в пермакультуре – есть не что иное, как рекультивация частично разрушенного природного ландшафта.

«Речь идет, - пишет он, - о восстановлении небольших участков земли по примеру естественных экосистем. Это выход из разрушающего почву и заражающего грунтовые воды монокультурного хозяйствования».

Ландшафт в пермакультуре организован так, что позволяет сосуществовать всем организмам. В земледелие включаются буквально все имеющиеся в наличии ресурсы: и скалы, и лес, и здания, и пруды, и родники, и озера. Биомасса не выбрасывается и не сжигается, а также используется как ценный биоресурс. Это противоречит «прогрессивному земледелию», где любое поле стремятся выровнять и расчистить буквально от всего – и от камней, и от биомассы, не говоря уже о сорняках. Хольцер же находил пользу и от камней, и от склонов. Даже сорняки в его понимании не были врагами, коих нужно регулярно и безжалостно уничтожать любыми способами. Ландшафт он организовывал так (создавая специальные гряды и террасы), что растения не конкурировали друг с другом, а дополняли друг друга, находя себе особо благоприятное место. Благодаря специально созданному рельефу возникало множество зон со своим микроклиматом, что позволяло использовать большое разнообразие культур. Варианты оформления пермакультуры безграничны, считал Хольцер: «Допустимо всё, что позволяют ландшафт и качества почвы».

Особое неприятие со стороны революционера-агрария вызывали монокультура и узкая специализация. Хольцер приводит ужасающие последствия монокультуры в странах Латинской Америки, где ради наживы небольшой кучки людей уничтожаются тропические леса, и при этом масса населения живет впроголодь. Хольцер пытался применить там свои приемы к организации сельского хозяйства. На его взгляд, пермакультура позволила бы увеличить производство продуктов питания для крестьян как минимум втрое. Однако общественно-политическое устройство этих стран (Колумбия и Бразилия) не располагало к таким переменам. Жизнь простых людей там ничего не стоила, а бесправие и беззаконие были нормой. Поэтому, несмотря на благодатный климат, где можно снимать обильные урожаи по нескольку раз в год, народ прозябал в нищете.

По существу, книги Хольцера – эта ода свободному крестьянину. Свобода здесь ключевое слово, поскольку труд на земле, по глубокому убеждению автора, должен приносить радость созидания, радость творчества. Труд на земле для него не являлся банальным средством извлечения прибыли. Это, собственно, и есть сама жизнь во всей ее полноте, когда человек своими руками создает на ограниченной территории подобие Эдемского сада. А сбыт продукции – лишь «побочный эффект».

Современное высокоинтенсивное монокультурное хозяйство ориентировано исключительно на прибыль. В итоге идет постоянное наращивание количества продукции, которое, по мнению Хольцера, вступает в прямое противоречие с качеством. Появляется много невкусных овощей, ягод и фруктов, зачастую напичканных «химией». А параллельно наносится ущерб природе. Мало того, треть урожая чуть ли не ежегодно намеренно уничтожается ради стабилизации рыночных цен. Для Хольцера это есть форменное безумие. Для интереса он испытал у себя старинные  (якобы «непродуктивные») сорта различных культур, обнаружив там кладезь полезных для здоровья компонентов.

Как видим, возникает дилемма: идти ли нам «прогрессивным» путем интенсивного земледелия с его механизацией и химией, или же воскрешать дедовские способы, творчески применяя их в сельском хозяйстве? Хольцер не скрывает своего пиетета перед очень старыми, «проверенными» подходами к агротехнике. В этом смысле его правильнее было бы назвать «консервативным революционером». Он даже выступал против прямых углов и прямых линий при разбивке участка. Ландшафт должен выглядеть совершенно естественно, считал он. Его система в этом плане совершенно не ассоциируется с техническим прогрессом, с современной техникой.

Но можем ли мы полностью повернуть вспять, махнуть рукой на технические инновации в области сельского хозяйства? К сожалению, среди сторонников «органического» земледелия появляются фанатичные консерваторы, которые под флагом борьбы за экологию начинают проклинать научно-технический прогресс. Кажется, еще немного, и эти фанатики не только откажутся от тракторов, но и начнут воспевать деревянную соху.

Впадать в крайности мы не имеем права. Скорее всего, указанная дилемма появляется только при однобоком подходе к проблеме. На самом же деле противоречий между принципами пермакультуры и техническими инновациями можно с легкостью избежать, если мы попытаемся применить эти принципы там, где ведение сельского хозяйства считается «невозможным». Например, в городских условиях. Как ни странно, но сити-фермерство создает почву для такого союза. Городской ландшафт с его многообразием микроклиматов дает массу вариантов для оформления пермакультуры. Мало того, даже обычная городская квартира может стать местом для творческих решений подобного рода! И именно здесь на помощь нам придут различные технические новинки: автоматизированные системы полива, подсветки, подогрева.

Пожалуй, еще больше творческих решений в соответствии с принципами пермакультуры, соединенными с техническими инновациями, нам предоставит обычный дачный или приусадебный участок. Понятно, что это совсем далеко от промышленного производства. Однако, как ни странно, но именно на любительских участках реализуется главный принцип пермакультуры, сформулированный Хольцером: занятие сельским хозяйством должно быть творчеством и частью здорового образа жизни. К тому же, если таким путем наши дачники сумеют хотя бы вдвое повысить продуктивность своих небольших участков, то проблема обеспечения населения сельхозпродукцией в любом случае станет уже не столь острой.

Олег Носков

Нейросети уже давно научились узнавать возраст человека по фотографии, а авторство художника — по его картине. Эта технология применяется и в научных исследованиях: благодаря ей сибирские ученые точно определяют степень разупорядочения клеточных стенок растений, чтобы выяснить эффективность последующих процессов переработки сырья.

В растительном сырье содержится масса полезных соединений: катехины, флавоноиды, терпеноиды, нафтодиантроны. Чтобы «упаковать» их в таблетку, биологически активную добавку или компонент функционального питания, данное вещество следует экстрагировать (извлечь) из растительного сырья. Однако существующие технологии не всегда позволяют провести процедуру эффективно. Например, экдистероиды, содержащиеся в травянистом растении левзея, добывают из его подземной части (корня), но у этого представителя флоры есть еще и надземная часть — ботва, откуда тоже можно экстрагировать необходимые соединения. Для этого сырье требуется модифицировать: подогреть, растворить и т.д.

— Мы получили грант РНФ, чтобы попробовать механохимические методы для интенсификации экстракции, — рассказывает старший научный сотрудник Института химии твердого тела и механохимии СО РАН кандидат химических наук Алексей Леонидович Бычков.

— Иными словами, если изменить супрамолекулярную структуру сырья, а еще лучше — провести механохимическую реакцию, целевые вещества станут лучше растворяться и выходить «наружу»: быстрее проникать через частично разрушенные, местами разупорядоченные клеточные стенки.

Эти стенки являются основным препятствием при экстрагировании веществ. Чтобы ускорить диффузию, надо разупорядочить клеточную стенку. Для этого сначала определяется ее плотность, характер супрамолекулярной организации, степень упорядоченности. Самый простой, общепринятый в науке способ — сделать ультратонкий срез алмазным ножом и изучить его с помощью электронного микроскопа, как делают в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, в лаборатории, возглавляемой Еленой Ивановной Рябчиковой.

— В крайних случаях всё понятно, но для часто возникающих пограничных ситуаций человеческий фактор никто не отменял: один видит на микрофотографии упорядоченную структуру, а другой — разупорядоченную, — добавляет химик. — Здесь нужен бесстрастный инструмент, который давал бы количественную оценку по этому показателю — тогда можно будет сравнивать степени «порядка» в стенке.

Кроме того, необходимо упростить рутинную работу специалистов, анализирующих каждый снимок вручную, ведь машины уже давно способны оперировать большими объемами данных. В этом ученым ИХТТМ СО РАН помогли коллеги из Института систем информатики им. А.П. Ершова СО РАН, предложившие использовать алгоритмы, с помощью которых текстуры на микрофотографиях различались бы друг от друга по какому-то признаку. Специалисты проанализировали 19 различных текстурных признаков и даже привлекли методы, которые обычно применяют для анализа степени хаотичности процессов на рынках. Однако классические способы не справлялись с данной задачей — поэтому ученые обратились к нейросетям.

— Мы задаем нейросети определенные критерии, на основе которых она «раскрашивает» однородные части структуры на микрофотографии, — поясняет заместитель директора по науке ИСИ СО РАН кандидат физико-математических наук Фёдор Александрович Мурзин. — Со временем нейросеть «запомнит», что признаки отображают конкретные химические свойства. Можно будет прогнозировать характеристики — пористость, реакционную способность и другие — на множестве образцов, а потом с помощью алгоритмов машинного обучения получить гипотетические ответы относительно данных характеристик и степени упорядоченности структуры. Обучение используется для упрощенного принятия решений, получения прогнозов — без лабораторных опытов, реактивов и т.д.

В мире существуют аналоги подобных приложений, но они не соответствуют задачам сибирских ученых. Их нейросеть уже безошибочно раскрашивает клеточные стенки, выделяет структурные слои с различным химическим составом, и каждый раз делает это всё точнее. Теперь задача специалистов — выразить представляющие интерес характеристики в количественной степени. После этого можно будет достоверно выявить зависимости между различными параметрами изображений и степенями экстракции, скоростью протекания механохимических процессов и доступностью востребованных компонентов в перерабатываемом сырье.

 Алёна Литвиненко

Большие дела нередко начинаются с мелочей. История науки тут не исключение. Физик и науковед Алексей Левин рассказывает о том, как технические модификации отдельных формул или методов вычислений впоследствии оборачивались теоретическими прорывами в физике ХХ века.

Первыми приборами, позволившими изучать одноклеточные организмы, стали микроскопы Левенгука, представлявшие собой просто очень короткофокусные линзы. Циклотрон Лоуренса, с которого началась экспериментальная физика высоких энергий, был похож на банку от шпрот диаметром 11 сантиметров. Рентгеновская астрономия началась со счетчиков Гейгера, которые в 1949 году сотрудники вашингтонской Военно-морской лаборатории отправили в космос на трофейных немецких ракетах. И подобные примеры можно перечислять очень долго.

Пока речь шла об эксперименте. Однако крупнейшие теоретические прорывы тоже иногда начинались с технических модификаций отдельных формул или методов вычислений. Я остановлюсь на трех случаях, каждый из которых с разных сторон иллюстрирует это наблюдение.

Case 1. Вильгельм Вин, Макс Планк и излучение черного тела

В конце XIX века одной из ключевых проблем физики стал поиск формулы, определяющей спектр излучения абсолютно черного тела. Термодинамика позволила доказать, что он зависит только от частоты и абсолютной температуры излучения, однако конкретная форма этой зависимости оставалась неизвестной.

В 1896 году Вильгельм Вин предложил (фактически угадал) формулу для спектральной плотности, которая отлично соответствовала тогдашним экспериментальным данным. Однако продержалась она недолго. К осени 1900 года две группы берлинских экспериментаторов доказали, что для теплового излучения с длинами волн в несколько десятков микрометров она заведомо не работает. Интересно, что летом того же года лорд Рэлей вывел другую формулу, которая хорошо описывала именно этот участок спектра, но для коротковолновой области не имела смысла.

Тогда за дело взялся профессор теоретической физики Берлинского университета Макс Планк. 7 октября он ознакомился с последними результатами спектральных промеров, выполненных его хорошими знакомыми Генрихом Рубенсом и Фердинандом Курлбаумом, которые наглядно демонстрировали отклонения от формулы Вина. В тот же день он придумал собственную формулу для спектральной плотности излучения черного тела, которая в ультрафиолетовой зоне переходила в виновскую и в то же время хорошо соответствовала результатам Рубенса — Курлбаума для инфракрасного излучения (о работе Рэлея он тогда, судя по всему, не знал). Ее нахождение было чисто математической задачей, которую Планк решил за один вечер.

Внешне формулы Вина и Планка очень похожи. У Вина спектральная плотность дается дробью, в числителе которой стоит численная константа, умноженная на третью степень частоты, а в знаменателе — экспонента от отношения частоты к абсолютной температуре, умноженному на другую константу. Интерполяционная формула Планка в этой записи имеет такой же числитель, но в знаменателе стоит та же самая экспонента минус единица. Однако в концептуальном плане различие было гигантским, ибо в этой поправке скрывалась квантовая теория излучения.

Это скоро понял и сам Планк, который занялся выводом своей формулы на основе электродинамики Максвелла и больцмановской статистической механики. Нуждаясь в конкретной модели источника излучения, он рассмотрел в этом качестве одномерное колебательное движение электрических зарядов (в его терминологии — линейных осцилляторов). Эта модель позволила Планку получить его формулу, но только на основе предположения, что энергия осциллятора всегда равна его частоте, умноженной на некоторую константу. Эту константу размерности «энергия на время» он назвал квантом действия, нам она известна как постоянная Планка. Такая гипотеза полностью противоречила классической электродинамике, позволяющей осциллятору иметь любую энергию. Так что квантовая физика формально началась с вроде бы скромной модификации формулы Вина. Case 1 closed.

Case 2. Матричная механика

В отпускное время летом 1925 года 23-летний сотрудник Физического института Геттингенского университета Вернер Гейзенберг придумал новый подход к описанию динамики внутриатомных электронов. Тогда было ясно, что возможности полуклассического-полуквантового описания этих явлений, разработанного Нильсом Бором и Арнольдом Зоммерфельдом, практически исчерпаны. Требовалась новая наука, для которой Эйнштейн уже успел придумать ныне общепринятое имя — квантовая механика. Название имелось, но науку еще предстояло создать.

Первый шаг в этом направлении как раз и сделал Гейзенберг. Он взял за основу полуфилософское (и в контексте тогдашних знаний весьма рискованное) предположение, что в будущей теории не должны фигурировать ненаблюдаемые величины типа электронных орбит. Поэтому вместо классических координат электронов он использовал амплитуды вероятности переходов между различными орбитами (точнее, стационарными состояниями), которые сопровождаются излучением или поглощением световых квантов. В качестве модельного источника излучения он, подобно Планку, выбрал линейный гармонический осциллятор.

И вот тут возникла проблема. Энергия классического осциллятора определяется квадратом скорости заряженной частицы и квадратом ее смещения от положения равновесия. Однако у Гейзенберга не было ни координат, ни скоростей, только амплитуды вероятности квантовых переходов. Каждая такая амплитуда зависит от двух целочисленных индексов, первый из которых задает начальное состояние, а второй — конечное. Гейзенбергу надо было решить, как сконструировать осмысленные выражения для квадратов (и более высоких степеней) этих величин. Например, если есть набор величин Xmn, то какой смысл следует придать выражению X2mn? Гейзенберг придумал специальное правило для выполнения таких операций — просто потому, что оно показалось ему самым простым и естественным. (Например, вычисление второй степени производилось так: X2mn = Xm1X1n + Xm2X2n + …). С его помощью он получил знаменитую формулу для энергетического спектра квантового гармонического осциллятора, которую можно найти в любом учебнике. Из нее следует, что осциллятор имеет бесконечно много равноотстоящих энергетических уровней, причем минимальное значение его энергии равно не нулю, а половине произведения частоты на постоянную Планка. Это чисто квантовый эффект, невозможный в классической физике.

 Как уже говорилось, Гейзенберг счел свой способ вычисления квадратов амплитуд просто удобным техническим приемом. Вернувшись в Геттинген, он узнал от директора Физического института Макса Борна, что его двухиндексные амплитуды — это хорошо известные из алгебры квадратные матрицы, а найденный им способ вычисления их степеней — это умножение матриц. Результат такого умножения зависит от порядка сомножителей (выражаясь формально, оно некоммутативно). Из работы Гейзенберга вытекало, что произведение матрицы координат на матрицу импульсов не равно тому же произведению, выполненному в обратном порядке. Разность диагональных элементов этих произведений (то есть элементов с одинаковыми индексами) равна мнимой единице, умноженной на так называемую усеченную постоянную Планка. На основе этого результата Гейзенберг двумя годами позже вывел свое знаменитое соотношение неопределенностей, которое особо наглядно демонстрирует отличие квантовой механики от классической.

Что же в сухом остатке? Вроде бы узкая работа Гейзенберга по вычислению квадратов амплитуд привела к появлению первой версии последовательной квантовой теории микромира, которую назвали матричной механикой. Хотя по вычислительным возможностям она сильно уступала появившейся годом позже волновой механике Шредингера, в концептуальном плане она знаменовала радикальный разрыв с классической физикой. И в основе этого разрыва лежало придуманное Гейзенбергом вроде бы чисто техническое правило перемножения амплитуд. Case 2 closed.

Case 3. Странность элементарных частиц

В середине 1930-х годов экспериментаторы доказали, что внутриядерные силы не делают различий между протонами и нейтронами. Осмыслив сей факт, две группы теоретиков в 1936 году предложили описывать связь между этими частицами с помощью той же самой группы симметрии, которая ранее была найдена для описания электронных спинов. Годом позже Юджин Вигнер назвал это новое квантовое число изотопическим спином, сокращенно — изоспином. Точности ради стоит заметить, что впервые к этой идее (точнее, к ее зародышу) пришел Гейзенберг еще в 1932 году, сразу после открытия нейтрона. Для ядерной физики концепция изоспина оказалась очень плодотворной. В частности, она позволила найти формулу, которая позволяла вычислить электрический заряд частицы на основе значений ее барионного числа и изоспина.

Через два десятка лет после открытия нейтрона природа подкинула теоретикам весьма серьезную задачку. В первой половине 1950-х годов физики открыли несколько заряженных и нейтральных частиц, которые по массе превосходили протоны и нейтроны. Они явно заслуживали внесения в семейство барионов, однако «зарядовая» формула для них не работала. Чтобы преодолеть эту трудность, американец Марри Гелл-Манн и японцы Тадео Накано и Казухико Нишиджима в 1953 году ввели новое квантовое число, которое позднее было названо «странностью». Для «старых» частиц типа протонов, нейтронов и пионов странность равнялась нулю, а для новых — плюс или минус единице. Это позволило сохранить формулу для электрического заряда путем простого сложения барионного числа со странностью (их сумма была названа гиперзарядом). Поначалу это нововведение опять-таки выглядело чисто техническим и не особенно глубоким.

Однако скоро ситуация изменилась. Хотя формально странность присутствует в этой формуле на равных правах с барионным числом, ее роль в превращениях частиц оказалась иной. Анализ новых экспериментальных данных показал, что сильное и электромагнитное взаимодействия сохраняют оба эти числа, в то время как слабое взаимодействие сохраняет только барионное число, но меняет странность. В 1950-е годы этот результат много способствовал прогрессу физики элементарных частиц.

Но самое интересное было еще впереди. В это время специалисты, работавшие в этой области, начали осваивать методы теории непрерывных групп, они же группы Ли. Одна из таких групп описывает симметрию изотопического спина, а другая — симметрию, отвечающую за сохранение барионного заряда и странности. В ретроспективе очевидно, что кто-то должен был попытаться объединить эти две группы в единой математической структуре — иначе говоря, найти третью группу, которая включала бы эти две в качестве подгрупп. Эту задачу в 1961 году решили Гелл-Манн и работавший в Лондоне израильский физик Ювал Неэман. На этой основе они не только классифицировали все известные в начале 1960-х годов барионы и мезоны, но и предсказали существование еще двух частиц, которые вскоре обнаружили экспериментаторы.

Впрочем, и это был еще не конец. Не прошло и трех лет, как Гелл-Манн и постдок из ЦЕРН Джордж Цвейг показали, что описываемая этой группой симметрия допускает существование трех частиц с половинным спином (фермионов) и дробными электрическими зарядами 2/3, -1/3 и -1/3, причем один из членов этого триплета обладает ненулевой странностью. Гелл-Манн назвал эти частицы кварками (он нашел слово в книге Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза: «Три кварка для мистера Марка!»), а Цвейг — тузами (но это имя не прижилось). Из их модели вытекало, что барионы состоят из трех кварков, а мезоны — из кварка и антикварка. Эти опубликованные в 1964 году работы открыли путь к созданию теории кварков, которая радикально преобразовала физику элементарных частиц. А ведь началось-то все с вроде бы не особо важной замены барионного заряда на гиперзаряд (гиперзаряд равен барионному числу плюс ароматы: странность и открытые позже прелесть, истинность и очарование). Case 3 closed.

Мораль сей басни такова: не пренебрегайте мелочами! Кто знает, что за ними скрывается.

Алексей Левин

27 февраля в Департаменте промышленности, инноваций и предпринимательства мэрии Новосибирска состоялась очередная презентация инновационных разработок для малого и среднего бизнеса. На этот раз мероприятие было посвящено вопросам цифровой экономики, открывающей новые возможности для отечественного предпринимательства. Надо сказать, что эта тема сейчас у всех на слуху. Цифровые технологии, действительно, постепенно меняют нашу жизнь. И если говорить конкретно о Новосибирске, то нельзя не заметить, что малый бизнес нашего города достаточно уверенно открывает для себя новые рыночные ниши, возникающие благодаря бурному развитию цифровых технологий.

Как мы учили еще в школе, количество постепенно переходит в новое качество. В этой связи интересно было понять, какие качественные изменения ожидают нашу экономику в связи с цифровой революцией. Ждет ли нас кардинальный перелом существующего уклада или инновации станут всего лишь интересным дополнением к тому, что сформировалось уже давно? Иначе говоря, создаст ли цифровая революция принципиально новую экономику, либо всего лишь привнесет некоторое разнообразие в нашу жизнь, и не более того?

Судя по той информации, которую мы получили во время упомянутого мероприятия в Новосибирской мэрии, нас ожидают очень серьезные перемены. Это вытекает из анализа работы крупных компаний, задающих сейчас основные тренды в сфере «цифровых» услуг или сумевших радикально перевести свою работу на «цифру».

Понятно, что цифровую экономику специально никто по указке сверху не формирует. Она формируется сама благодаря развитию цифровых технологий. Интересно, что поначалу эти веяния никто не связывал с радикальными переменами. Как заметила директор Центра дополнительного образования НГУ, зав. сектором  ИЭОПП СО РАН Вера Маркова, проникновение цифровых технологий в нашу жизнь началось с музыки, с цифровых камер и видео, с Интернета.

Затем неожиданно – на стыке 2006 и 2007 годов – появляется «Интернет вещей» как принципиально новое для экономики явление. Говоря по-простому, был зафиксирован факт, что к глобальной сети подключено больше физических устройств, чем людей. Далее появляется цифровое телевидение и цифровой маркетинг. И относительно недавно начали активно внедряться так называемые «умные технологии» - в медицине, на транспорте, в сфере ЖКХ, в энергетике и даже в сельском хозяйстве.

Иначе говоря, мы отмечаем четкую динамику развития цифровых технологий и фиксируем полученные эффекты. В этой связи не приходится сомневаться, что впереди нас ожидают очередные нововведения, пока еще считающиеся фантастическими. Тем не менее, сама тенденция выражена настолько отчетливо, что даже самые смелые футуристические фантазии начинают меркнуть на фоне возникающих реалий. Цифровая трансформация экономики и бизнеса – считает Вера Маркова, - это новый тренд развития, в котором ключевую роль сыграли новейшие операционные системы и сервисные интернет-платформы, имеющие мировое значение. Сейчас бурно развиваются облачные и «туманные» технологии, появляются высокопроизводительные компьютеры, всевозможные датчики, передающие потоки информации. Все это является базой для цифровой экономики.

В нашей стране, к сожалению, до сих пор (даже на официальном уровне) неверно трактуют указанный тренд, отождествляя цифровую экономику с электронной экономикой. По словам Веры Марковой, это не одно и то же. Не нужно путать системы автоматизации отдельных процессов с «цифровизацией». Скажем, диспетчерские службы, которые обеспечивают работу тех или иных систем, пользуются автоматизацией, но это еще не переводит такие службы в разряд цифровой экономики. Цифровая экономика – это когда диспетчер как таковой отсутствует, а обслуживание осуществляется через сервисную платформу. Или, скажем, интерне-магазин, принимающий заказы от покупателей, также является примером автоматизации. В условиях же «цифровизации», поясняет Вера Маркова, на платформах накапливается информация о покупках, а потом эта информация открывается для ее обработки. На базе этих данных могут работать тысячи компаний. Такой пример демонстрирует всемирно известный интернет-сервис Amazon. В настоящее время примерно 140 тысяч (!) компаний пользуются данными с этого сервиса. В этом конкретном случае «цифровизация» связана с тем, что вы втягиваете в свою орбиту массу разных организаций, пользующихся вашими услугами.

Еще один показательный пример, показывающий различие между автоматизацией и «цифровизацией». Скажем, вы внедряете в свою компанию автоматизированную систему управления (АСУ). Этим давно никого не удивишь, и это как раз есть пример автоматизации, когда внедренная система не выходит за границы вашего предприятия. К цифровой экономике это не имеет никакого отношения (хотя у нас, еще раз подчеркну, пока еще подобные вещи отождествляются).

Наглядный пример «цифровизации» производства показывает сегодня компания Boeing. Компания демонстрирует прямо-таки рекордные сроки сборки авиалайнеров – на один самолет уходит не больше недели! Как им такое удалось? Всё дело как раз в «цифровизации».

Как объясняет Вера Маркова, у этого производителя есть своя цифровая платформа и цифровой «двойник» самолета. Благодаря цифровой платформе организовано партнерство с массой других производителей. На основе цифровой модели осуществляется аутсорсинг по производству необходимых комплектующих (кстати, Россия также представлена на этой платформе). Далее все элементы самолета привозятся в одно место, где осуществляется быстрая сборка (в настоящее время Boeing способен собрать самолет за три дня!). 

Таким образом, «цифровизация» предполагает более глубокий процесс, нежели обычная автоматизация. Как выразилась Вера Маркова, это есть «умная» автоматизация с выходом на принятие управленческих решений. Такой же подход, кстати, демонстрируют сегодня некоторые российские компании, стремящиеся идти в ногу со временем. Так, компания «Русагро» недавно установила датчики во всех хранилищах для сахарной свеклы, идущей на переработку. Датчики собирают всю необходимую информацию об условиях хранения продукта. Также собирается и вся информация о внешних условиях. В штате этой компании, отмечает Вера Маркова, уже есть… математики, разрабатывающие соответствующие алгоритмы для обработки информации. Благодаря этим нововведениям менеджеры в автоматическом режиме получают на свои смартфоны предписания, из какого конкретно хранилища нужно отправлять свеклу на переработку. Причем, этот проект, по словам руководства компании, окупился всего за год. Потери продукции снизились на целых 20 процентов!

Важный момент: наличие цифровых моделей и развитая система коммуникаций позволяет размещать конкретные производства в непосредственной близости к потребителю или просто рассредоточивать их на больших расстояниях друг от друга. То есть вы рассылаете программные продукты, по которым будут «штамповаться» изделия на местах их реализации. «Эти технологии, - специально отметила Вера Маркова, -  ведут производства к децентрализации: производить надо там, где потребляют. Тогда не надо будет ничего возить, не надо будет никакой логистики: оцифровал «двойника», послал, а там уже его либо напечатают на 3D-принтере, либо произведут на местных заводах. Поэтому цифровая экономика ведет к развитию локальных производств».

Пожалуй, именно курс на децентрализацию является главным выводом, к которому мы приходим, анализируя неуклонный рост «цифровизации» экономики. Надо сказать, что это обстоятельство разрушает устойчивые стереотипы, сложившиеся еще в годы централизованной индустриализации. Похоже на то, что в скором времени привычная для нашего руководства концентрация производств в одном месте будет восприниматься как анахронизм и явное несоответствие инновационным трендам. Безусловно, нам придется пережить период жесткой ломки шаблонов. Поэтому подобные мероприятия, где наглядно разъясняются современные тенденции в экономике, важны сегодня как никогда.

Олег Носков

Если посмотреть промо-ролики «космошахтерских» компаний Planetary Resources или Deep Space Industries, создается впечатление, что это реклама компьютерной игры: красивая графика и фантастический сюжет про добычу в космосе полезных ископаемых. Разберемся, что в проектах извлечения прибыли из разработки недр астероидов пока остается полной фантастикой, а что уже приобретает реальные черты.

Почем астероид?

Рассуждать, сколько всего ценного можно добыть на астероидах, — задача приятная и увлекательная, поскольку цифры получаются астрономические, а подсчеты за нас уже провел Ян Уэбстер, создатель сайта Asterank (ныне принадлежит Planetary Resources). Он уже рассчитал приблизительную ценность недр тысяч астероидов и примерную стоимость их разработки с поправкой на то, насколько доступен тот или иной астероид для миссий с Земли. Самым экономически выгодным, по его расчетам, является астероид Рюгу — тот содержит никеля, кобальта, железа и воды на $ 83 миллиарда, а его разработка может принести до $ 30 миллиардов чистой прибыли. В этом году до него как раз должен долететь японский космический аппарат «Хаябуса-2».

Из чего состоят астероиды, с Земли можно установить по спектру света, который они отражают. Особенно интересны с точки зрения содержания воды, редкоземельных элементов и платиноидов астероиды, состоящие из углистых хондритов. Однако спектральный анализ, конечно, не абсолютно точен.

Например, недавно выяснилось, почему спектр астероидов, которые состоят из углистых хондритов, отличается от тех хондритов, которые находятся в нашей метеоритной коллекции и могут быть исследованы в лаборатории. Оказалось, что в результате облучения солнечным ветром в частицах реголита на поверхности этих астероидов разрушается кристаллическая решетка и образуется аморфная пленка, а в ней — наносферы железа, которые придают спектру красноватый оттенок. Это стало понятно благодаря тому, что японский аппарат „Хаябуса“ доставил образцы реголита с поверхности астероида Итокава на Землю», — говорит в беседе с «Чердаком» Евгений Слюта, заведующий лабораторией геохимии Луны и планет Института геохимии и аналитической химии имени В.И. Вернадского.

Однако экономическая целесообразность разработки астероидов пока остается под вопросом. «Платиноидов и редкоземельных элементов еще вполне достаточно и на Земле. Например, в России есть так называемые „забалансовые“ запасы, которые были разведаны еще в советское время. Как инженер-геолог по образованию, могу сказать, что этих месторождений хватит еще не на одну сотню лет», — считает Слюта.

К тому же сама технология доставки полезных ископаемых с астероидов на Землю — дело пока темное. Технологию захвата астероидов и доставки их на лунную орбиту разрабатывало НАСА, однако в прошлом году этот проект агентства был закрыт из-за отсутствия финансирования.

Основные энтузиасты космической добычи, те самые Planetary Resources и Deep Space Industries, пока зарабатывают не бурением шахт в далеких астероидах, а разработкой спутников. Так, в 2016 году Planetary Resources получила $ 21 миллион от инвесторов на программу дистанционного зондирования Земли Ceres, а Deep Space Industries поставляет спутники для компании, HawkEye 360, которая также разрабатывает систему мониторинга Земли из космоса.

Пока что на правду больше похоже использование добытых в космосе ресурсов на месте. Причем первым космическим месторождением, по всей видимости, станут не астероиды, а Луна, а добываемым ресурсом — вода.

Дотянуть до заправки

Точнее, не сама по себе вода, а кислород и водород, на которые вода разлагается под действием электрического тока. «Водородные двигатели уже существуют, и КПД у них высокий», — говорит Анна Плотникова, преподаватель МИСиС, старший научный сотрудник научно-образовательного центра «Инновационные горные технологии». Основным потребителем этого топлива могут стать заправочные станции для спутников. Запуск спутника — дело дорогое, а когда на нем кончается топливо, он превращается в космический мусор. С технологиями дозаправки в космосе экспериментируют и NASA, и Китай, и частные компании.

«Как только найдутся компании, которые станут заниматься дозаправкой спутников, добыча ресурсов в космосе станет очень экономически привлекательна. Сейчас вывести на орбиту Земли килограмм груза — это 10-30 тысяч долларов. А если добывать воду на Луне, то ее доставка будет стоит менее тысячи долларов. Как только появятся заправочные станции, найдутся желающие покупать эту воду», — уверена Плотникова.

При участии МИСИС, ТГУ, ТУСУР, НП «ЦИГТ» и ряда частных компаний ведутся работы над развитием технологий, связанных с добычей ископаемых в космосе: испарением воды из грунта, похожего на лунный реголит, технологией холодного бурения. «На Луне небольшое изменение температуры грунта из-за вакуума ведет к интенсивному испарению. Если при бурении порода нагреется больше, чем на несколько градусов, то все, что нас интересует, просто испарится», — объясняет Плотникова. Также ученые и инженеры работают над созданием имитаторов лунного грунта, чтобы тестировать на Земле космическую технику, — иначе получится как с марсоходом Curiosity, поверхность колес которого разрушается быстрее, чем планировалось.

Сейчас мы вместе с Томским государственным университетом хотим запустить следующий проект: испарить кусок грунта, „разобрать“ его на атомы, после чего сконденсировать чистые материалы для строительства или производства деталей аппаратов непосредственно в космосе. С ТГУ — научные обоснования, с нас — изготовление оборудования и эксперименты», — рассказывает Анна.

Еще одна проблема, которую нужно решить, чтобы сделать разработку месторождений на Луне былью, — медленная связь. Сигнал до Луны идет где-то секунду с небольшим и столько же обратно. Если робот на ее поверхности совершит неудачный маневр, он может застрять в какой-нибудь расщелине прежде, чем на Земле успеют отдать ему команду поменять траекторию.

«Мы хотим сделать прототип разведочного робота и поставить его на Земле, например во дворе МИСиС, и через ЦУП ТУСУРа посылать сигнал в космос на спутник, а со спутника — на этот „лунный трактор“. Это поможет проработать проблемы со связью, которые могут возникнуть в ходе реальной экспедиции», — рассказала инженер.

В более отдаленных планах — прототип разведочного робота с искусственным интеллектом, который сможет сам принимать решения и самообучаться.

Подобный «трактор» разрабатывает и НАСА. Предполагается, что он полетит на Луну в начале 2020-х годов.

«Когда мы начинали этим заниматься в 2011 году, на этот проект реагировали неоднозначно. Основной вопрос, который мы слышали: „Ребят, вам что, на Земле делать нечего?“ А сейчас прошло семь лет и началась настоящая гонка. Европа активно занимается вопросами добычи воды, Китай изучает вопросы бурения в космосе. Думаю, что до реальной добычи ресурсов в космосе пройдет еще максимум еще 10 лет», — считает Плотникова.

Интересно, что при всем этом мировое законодательство запрещает использовать космические ресурсы в коммерческих целях. Но в США в 2015 году был принят закон, который дает право частным компаниям добывать минералы и другие вещества, в частности воду, на астероидах и Луне с коммерческими целями. А в прошлом году подобный закон появился в Люксембурге. Россия пока что следует международному законодательству. «Однако это ведет к тому, что еще чуть-чуть — и мы начнем очень сильно отставать в вопросах освоения ресурсов в космосе», — предупреждает ученый.

Екатерина Боровикова