Погодные аномалии последних лет постоянно вынуждают нас обращаться к теме сельскохозяйственного производства, оценивая реальные угрозы, связанные не только с природными стихиями, но и со сложившимися земледельческими практиками. Насколько они адекватны меняющимся условиям, и в состоянии ли мы смягчить ситуацию, создав более совершенные методы ведения сельского хозяйства? Как-никак, на кону стоит вопрос продовольственной безопасности, актуальный сейчас для всего мира.

Впрочем, эта тема была актуальна всегда, в том числе и для нашей страны. Тем интереснее будет вспомнить подходы к решению этой проблемы, применявшиеся еще в советские годы, начиная с довоенной поры. Речь идет о тех подходах, которые были реализованы в рамках так называемого сталинского плана преобразования Природы. Сегодня об этом плане начали подзабывать, и совершенно напрасно.

Если кто-то думает, будто руководители тех лет, замахиваясь на «преобразование Природы», собирались растапливать полярные льды или сравнивать горы с землей, то это далеко не так. Сталинский план был намного прозаичнее, но в том-то и заключалась его жизненная необходимость. Еще в 1924 году Сталин писал о том, что руководство большевистской партии приняло решение, чтобы в будущем застраховать себя от засухи. Как мы знаем, нехватка влаги была серьезной проблемой для степных и лесостепных территорий страны, богатых черноземом. Благодаря плодородным почвам здесь можно было выращивать лучшие сорта пшеницы, сахарной свеклы, подсолнечника и других культур. Проблему создавали частые засухи, суховеи и так называемые черные бури, несущие тучи пыли. Например, в Поволжье за 65 довоенных лет засухи повторялись не менее двадцати раз.

Советское руководство, разумеется, осознавало эту опасность. При этом, обладая поистине беспрецедентной верой в возможности науки и техники, тогдашние руководители страны считали возможным бросить вызов природной стихии, мобилизовав на это дело необходимый ресурс, находившийся в ведении централизованного государства. Поэтому не удивительно, что в 1934 году на XVII съезде ВКП(б) в качестве первостепенной задачи для советского сельского хозяйства было обозначено проведение мероприятий по борьбе с засухой. В 1938 году Совнарком СССР и ЦК ВКП(б) приняли постановление «О мерах обеспечения устойчивого урожая в засушливых районах юго-востока СССР». Реализация данной программы была прервана войной. Но после войны ее реализация возобновилась.

По инициативе Сталина Совет Министров СССР и ЦК ВКП(б) приняли 20 октября 1948 года постановление «О плане полезащитных лесонасаждений, внедрения травопольных севооборотов, строительства прудов и водоемов для обеспечения высоких и устойчивых урожаев в степных и лесостепных районах европейской части СССР». К данному постановлению прилагалась карта размещения государственных лесных защитных полос и полезащитных лесонасаждений, дающая общее представление о масштабе грядущих мероприятий. Так, за 15 лет планировалось создать восемь крупных государственных лесных полос общей протяженностью более 6 300 километров! Кроме того, создавались защитные лесонасаждения на полях колхозов и совхозов на площади 5 709 000 га. До 1955 года предусматривалось строительство в колхозах и совхозах 44 228 прудов и водоемов.

Примерно так в общих чертах выглядели планы преобразования Природы. Осуществление указанных мероприятий должно было обеспечить успешное развитие сельского хозяйства на площади свыше 120 млн. га. Подобная организация хозяйственной деятельности противопоставлялась капиталистической сельскохозяйственной системе, при которой (как утверждали советские ученые тех лет) невозможно было предотвратить хищническое использование природных богатств. Результатом становилось снижение плодородия почв. По словам наших ученых, повальное истребление лесов в капиталистических странах приводит к эрозии почвы, из-за чего некогда плодородные районы превращались в бесплодные пустыни. И в качестве наглядного примера приводилась ситуация в США.

Как видим, советское руководство намеревалось продемонстрировать прямо противоположный пример, который в наше время можно смело относить к первым реальным опытам по повышению так называемой «устойчивости» сельского хозяйства в масштабах отдельно взятой большой страны. Сталинский план преобразования Природы воспринимался как грандиозная задача, имеющая историческое значение. Ведь по замыслу, степь должна была превратиться в лесостепь, а вымирающая лесостепь покрыться мощными зелеными лесными полосами. В результате на громадной территории Советского Союза могли коренным образом измениться природные условия и (самое важное) сохраниться плодородие степи и лесостепи. Ученые предвещали, что благодаря указанным мероприятиям обширные территории, подверженные суховеям и почвенной эрозии, превратятся в цветущие районы, в которых земледелец уже не будет зависеть от капризов природы. Пройдут годы, утверждали они, и угрозы засух и суховеев исчезнут навсегда.

Подчеркнем, что сталинский план имел детальное научное обоснование и, по большому счету, являлся детищем отечественной науки. Теоретические основы данного плана были заложены еще Василием Докучаевым в конце XIX века. Напомним, что Докучаев и его коллеги наметили первые научно-производственные мероприятия по борьбе с засухой в степных областях России. Они же были создателями первых полезащитных лесных полос и лесонасаждений в степи. По сути, именно Докучаев указал нашим ученым и агрономам путь борьбы с засухой.

Последователем этой школы стал академик Василий Вильямс, проанализировавший теоретические выводы своих учителей. Под эти выводы он подвел свою основу – биологическое почвоведение, согласно которому основным условием образования плодородных почв являются определенные формации растительной жизни (совместное развитие высших и низших растений, включая микроорганизмы). На этой теоретической основе была создана травопольная система земледелия, считавшаяся в ту пору самой прогрессивной. В эту систему как раз входят посадки лесных полезащитных полос, регулирующих припочвенный климат и водный режим, а также орошение, основанное на использовании местного стока (для чего создавались пруды и водоемы).

Травопольная система земледелия академика Вильямса очень хорошо показала себя на практике еще в 1940-е годы. Совхозы, применившие данную систему, добивались очень высоких урожаев. Дополнительные доказательства представлял и Институт имени Докучаева, выросший на основе Каменностепной опытной станции (где проводились соответствующие эксперименты с лесопосадками). В итоге государство начало целенаправленно внедрять травопольную систему, выделяя на эти цели немалые финансовые ресурсы. Так, в стране была создана широкая сеть лесных питомников, где выращивался посадочный материал. Также было организовано производство спецтехники для механизации работ по лесонасаждению. В начале 1950-х годов существовало более пятисот лесозащитных станций. Как видим, реализация мероприятий по борьбе с засухой носило (выражаясь по-современному) комплексный характер.

Оценивая сталинский план преобразования Природы с позиции нашего дня, нельзя не обратить внимания на то, что он в самых важных моментах предвосхитил современные «зеленые» стратегии, включенные ныне в контекст климатической политики. В данном случае мы говорим о программах перехода к так называемым органическим методам сельского хозяйства, к регенеративному земледелию и т.п. В принципе, основные задачи ничуть не поменялись. И самое интересное, что планы лесопосадок очень сильно перекликаются с современными мероприятиями по высаживанию деревьев с целью депонирования углерода. Сходств достаточно много, хотя общий контекст поменялся. И, пожалуй, главное различие в том, что в Сталинском плане было гораздо меньше кампанейщины и гораздо больше государственной ответственности. Чего не скажешь о нашем дне.

Николай Нестеров

Из кожи найденного в Якутии шерстистого мамонта возрастом 52 000 лет впервые удалось извлечь остекленевшие древние хромосомы. Они намного крупнее известных ранее типов древней ДНК и сохраняют информацию о том, какие гены были активны. Как предполагают ученые, в дальнейшем это поможет собрать геномы вымерших видов. Хромосомы сохранились благодаря холодному и сухому климату Якутии, в котором естественным образом произошел процесс, аналогичный созданию вяленой говядины. Статья об этом исследовании опубликована в самом высокорейтинговом биологическом журнале Cell.

В 2018 году в Якутии была обнаружена хорошо сохранившаяся туша мамонта. Рядом с находкой оказался профессор Центра палеогенетики Стокгольмского университета Лав Дален, ему удалось взять кусочек мягких тканей со лба найденного животного. Дальнейшие исследования показали, что мамонту 52 тысячи лет. Лав Дален назвал его в честь английского футболиста Крисом Уоддлом — прически мамонта и футболиста были уж очень похожи. Однако в научном мире имя не прижилось, и животное стали величать «Тот самый мамонт». Тот самый мамонт помог ученым сделать открытие, которое предоставляет невероятные перспективы для изучения древних организмов.

«Незадолго до того, как разразилась эпидемия коронавируса, появился метод Hi-C — его изобрел американский ученый Эрез Либерман Эйден. Этот метод основан на изучении конформации ДНК, то есть ее расположения в ядре. Гомологичные участки генома находятся близко друг от друга, негомологичные — далеко. Кроме того, когда геном функционирует, внутри ядра могут появляться всевозможные вторичные и третичные структуры, например петли. Hi-C позволяет узнать, сколько и каких хромосом содержится в ядре, и одновременно прочитать их, то есть он совмещает цитологические методы и секвенирование. Доцент Центра геномной архитектуры колледжа Бэйлор доктор медицинских наук Ольга Дудченко придумала сделать с помощью Hi-C зоопарк ДНК всех возможных живых организмов. Филиал такого зоопарка появился и у нас — в Институте молекулярной и клеточной биологии СО РАН. Нам удалось накопить гигантское количество культур клеток, идеально подходящих для Hi-C, а совмещение его с нашими цитологическими методами дает поразительные результаты в плане изучения геномов», — рассказывает заведующий лабораторией цитогенетики животных Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН член-корреспондент РАН Александр Сергеевич Графодатский.

Зная, что крошечные фрагменты древней ДНК могут сохраняться в течение долгого времени, международная группа ученых под руководством медицинского колледжа Бейлора, Копенгагенского университета и Национального центра анатомии и регуляции генома решила попробовать исследовать с помощью Hi-C хромосомы мамонтов. Тот самый мамонт смог их удивить — в образце его кожи вплоть до миллиардных долей метра сохранилась структура древних, замороженных на десятки тысячелетий, хромосом.

«Ископаемые хромосомы — новый мощный инструмент для изучения истории жизни на Земле. Длина типичных фрагментов древней ДНК редко превышает 100 пар оснований, или 100 букв генетического кода, что намного меньше, чем полная последовательность ДНК организма, которая часто состоит из миллиардов букв. Напротив, ископаемые хромосомы могут содержать сотни миллионов генетических букв», — отмечается в пресс-релизе Cell.

«Ископаемые хромосомы меняют правила игры, потому что знание формы хромосом организма дает возможность собрать всю последовательность ДНК вымерших существ. Это позволяет получить информацию, которая была бы невозможна раньше», — рассказывает Ольга Дудченко.

Hi-C позволил показал, что у шерстистого мамонта было 28 пар хромосом. Это еще раз доказало, что его ближайшими родственниками из ныне живущих организмов являются современные индийские слоны. Кроме того, именно этот метод, способный отличить когда-то активные гены от неактивных, помог выяснить, что Тот самый мамонт был шерстистым. «Оказалось, что у шерстистого мамонта существуют ключевые гены, регулирующие развитие волосяных фолликулов, схема активности которых совершенно иная, чем у слонов», — говорит директор Центра гологеномики при Датском национальном исследовательском фонде Томас Гилберт.

Активность генов в древней ДНК помогло выявить и то, что в хромосомах мамонта сохранились петли хроматина, структуры размером 50 нм, которые были открыты всего десять лет назад. Эти петли приближают активирующие последовательности ДНК к их генным мишеням.

Пожалуй, главный вопрос, который волновал исследователей: как могли фрагменты ДНК древних хромосом сохраниться в течение 52 000 лет и при этом не растерять свою трехмерную структуру? Удалось выяснить, что окаменелости хромосом находились в совершенно особом состоянии, очень напоминающем положение молекул в стекле. «Хромостекло во многом похоже на стекло в вашем окне: оно жесткое, но это не упорядоченный кристалл. Если вы увеличите изображение отдельных частиц, то увидите, что они просто не смогут продвинуться далеко в такой ситуации, даже если вы будете ждать тысячи и тысячи лет», — отмечает директор Центра геномной архитектуры и профессор медицинского колледжа Бейлора доктор Эрез Либерман Эйден.

Сами того не осознавая, многие цивилизации разработали способы стеклования продуктов питания для их сохранения, обычно путем сочетания охлаждения и обезвоживания. Именно так были созданы чипсы тортилья и вяленая говядина. С телом Того самого мамонта, похоже, такие трансформации произошли естественным образом — благодаря сухому и очень холодному якутскому климату.

Свое предположение ученые, конечно же, проверили, правда не на мамонте, а на старом вяленом мясе сублимированной сушки.

«Мы выстрелили в него из дробовика. Мы переехали его машиной. Бывший питчер “Хьюстон Астрос”, выступавший в стартовом составе, бросил в него мяч. Каждый раз вяленое мясо разлеталось на мелкие кусочки, разбиваясь, как стекло, но хромосомы были целыми и неизменными. Вот почему эти окаменелости сохранились. Вот почему они были там 52 тысячи лет спустя и просто ждали, когда мы их найдем», — рассказывает научный сотрудник Центра геномной архитектуры и Центра теоретической биологии Университета Райса доктор Синтия Перес Эстрада.

Огромный вклад в эти исследования внесли российские ученые. Группа из четырех сотрудников Музея мамонта (Якутия) под началом руководителя отдела изучения мамонтовой фауны доктора биологических наук Альберта Васильевич Протопопова находила в архивах и предоставляла для исследования всё новые и новые материалы мамонтовой фауны. Кстати, в этой работе принял участие и знаменитый мамонтенок Юка, но его хромосомы оказались менее сохранны.

Команда гистологов из лаборатории морфологии и функции клеточных структур ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН», возглавляемая доктором биологических наук Николаем Борисовичем Рубцовым, описывала гистологическую структуру тех мест, откуда были получены ядра клеток.

Ученые лаборатории цитогенетики животных Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН извлекали ДНК образцов, выполняли для многих из них Hi-C, выделяли и изучали внутренние структуры хромосом. Сотрудники лаборатории сделали огромную трудоемкую работу, вручную исследовав цитологию несколько сотен образцов тканей мамонтов и слонов. Исследованию помогло то, что в ИМКБ собрана большая коллекция клеток афротерий — особой ветви плацентарных млекопитающих, к которой относятся все слоны.

«Мы хотим попробовать поискать такие же остекленевшие клетки в других замороженных организмах. В Якутии в этом плане богатство неизмеримое: там есть и копытные, например знаменитая ленская лошадь, которая непонятно как соотносится с нашими лошадьми, и хищники — замороженные львята, и множество других животных. Кроме того, интересно выяснить, почему остекленевшие хромосомы в разных частях организма сохраняются по-разному», — рассказывает Александр Графодатский.

В то же время он признается, что такого мощного открытия уже не будет — ведь в этом исследовании сохранность остекленевших хромосом в ископаемых организмах была показана впервые. «Кто знает, может, будут другие открытия? Вдруг появится метод, позволяющий извлекать хромосомы из костей? Сейчас это невозможно, но сохранение хромосом в ископаемых организмах тоже считалось невозможным, поэтому я уже ничему не удивлюсь», — улыбается Александр Сергеевич.

Диана Хомякова

Примерно лет восемь назад в мире было необычайное воодушевление в связи с так называемой «литиевой революцией». Как мы поняли, речь идет о массовом производстве литий-ионных накопителей электроэнергии, широко применяемых не только в радиоэлектронных устройствах, но также и в электромобилях. Возникла идея, будто благодаря аккумуляторам нового поколения можно будет полностью отказаться от двигателей внутреннего сгорания и тем самым совершить полное «озеленение» автомобильного транспорта.

Воодушевление не обошло стороной и нашу страну. Главным идеологом электрификации транспортных средств выступил в ту пору тогдашний руководитель «Роснано» господин Чубайс, который даже инициировал строительство завода по производству литий-ионных аккумуляторов в Новосибирской области (чему мы уделяли внимание в свое время). С подачи того же Чубайса озвучивались головокружительные планы по электрификации городских автобусных парков. Тема, напомню, была очень модной. Но, как всегда, энтузиазма надолго не хватило. Сегодня об этих планах уже не вспоминают, как, впрочем, не вспоминают и самого господина Чубайса, внезапно покинувшего страну в 2022 году.

Однако на Западе тема масштабного перехода на электромобили до сих пор является неотъемлемой компонентой проводимой там климатической политики. Правда, у экспертов с каждым годом появляется всё больше и больше вопросов относительно целесообразности отказа от ДВС. Но в некоторых ведущих странах руководство остается непреклонным в своем стремлении сделать автомобильный парк более «зеленым». Так, нынешнее руководство США регулярно напоминает о неизменности своих планов по электрификации автотранспорта. И ладно бы, если бы дело касалось исключительно гражданского сектора. Самое забавное, что администрация Байдена озвучила намерение «озеленить» … американские вооруженные силы!

Еще два года назад военное руководство США представило план по решению проблем, связанных с … изменением климата. Как нетрудно догадаться, ключевым моментом данного решения является создание армейского парка электромобилей. Согласно плану (имеющему красноречивое название «Климатическая стратегия») американская армия должна к 2030 году на 50% сократить выбросы парниковых газов, а к 2050 году выйти на нулевые показатели. Уже к 2027 году парк нетактических (то есть не принимающих непосредственного участия в боевых действиях) транспортных средств малой грузоподъемности должен полностью состоять из электромобилей. А к 2035 году будет электрифицирован буквально весь парк нетактических транспортных средств. Будут ли электрифицированы танки и прочая бронетехника, пока говорить рано, но исключать такой программы также нельзя.

Самое интересное, что такие перспективы с восторгом декларирует президент Байден, заявляя, что армия не должна оставаться в стороне от решения климатических проблем. Мало того, она должна показывать достойный пример гражданским. И  особо показательно здесь то, что министр энергетики США госпожа Дженнифер Грэмхольм не только не ставит такую политику по «озеленению» армии под сомнение, но считает озвученные планы вполне достижимыми. И миллиардные затраты на это дело считаются вполне уместными.

Всё бы ничего, но не так давно американские эксперты «неожиданно» обнаружили, что тема электрификации транспортных средств находится в серьезной зависимости от поставок критически важных компонентов со стороны главного геополитического конкурента США – Китайской народной республики.

В свое время мы уже писали о китайском доминировании на рынке редкоземельных металлов, без которых невозможно создание современных электродвигателей и ветряных генераторов. Доля китайских поставок доходит здесь почти до 80 процентов. Теперь выясняется, что Китай держит в своих руках основное производство графита, применяемого в литий-ионных аккумуляторах. Практически весь переработанный графит – природный и синтетический – производится в Китае, а затем отправляется на экспорт производителям аккумуляторов.

Напомним, что переработанный графит является важнейшим компонентом практически всех электрических батарей. Графитовые аноды – незаменимый компонент литий-ионных аккумуляторов, включая и те, что используются в электромобилях. Почти 40% веса таких аккумуляторов приходится как раз на графит. И как раз Китай является по факту монопольным производителем и поставщиком данного материала.

Уточним, что речь идет сейчас о специально переработанном и высокоочищенном графите. Здесь используется технология, с которой предпочитают не связываться в развитых странах, претендующих на статус «райского сада» (по выражению известного европейского чиновника Жозепа Борреля). Технология очень затратная и грязная, где используется много плавиковой кислоты – дорогой и токсичной. В Китае, как обычно, на экологические проблемы закрывают глаза рукой, а благодаря большому количеству дешевой рабочей силы удается компенсировать издержки, поэтому конечный продукт продается по относительно доступным ценам. Что касается развитых стран, то по давней привычке оставлять все грязные технологии за бывшими колониями, производство высокоочищенного графита было ими, мягко говоря, легкомысленно упущено.

По замечанию экспертов, удивляет то, что на Западе китайской графитовой монополии до последнего времени вообще не уделяли серьезного внимания. Если по литию, кобальту и редкоземельным металлам озабоченность высказывалась давно, то по переработанному графиту разговоры начались совсем недавно. А ведь грандиозные планы по электрификации транспортных средств в разы повысят спрос на этот материал, столь необходимый для производства электрических аккумуляторов. И что самое печальное, всё это происходит на фоне геополитического обострения между западными странами и Китаем.

Как назло, руководство КНР с 2023 года ввело новую систему контроля экспорта определенных марок графита. Любая китайская компания, производящая графит, не сможет теперь осуществлять поставки за рубеж без специального разрешения центральной власти. Фактически, Китай централизовал продажи аккумуляторного графита, следуя, по всей видимости, конкретным политическим целям. Соответственно, благодаря своему монопольному положению, он может опосредованно – через цены на аккумуляторы или тот же графит – влиять и на конечную цену электромобилей.

Разумеется, на Западе уже начинают осознавать крайнюю уязвимость от китайских поставок, в силу чего предпринимаются попытки создать такие производства у себя. Однако, как выясняется, в «цветущем саду» согласовать использование грязных технологий с жесткими экологическими нормативами не так-то просто. С одной стороны, это растягивает время запуска предприятий (что плохо сказывается на их инвестиционной привлекательности), с другой стороны, это повышает стоимость конечной продукции, что делает ее менее конкурентной (по цене) перед лицом аналогичных изделий из Китая.

В общем, лидеры Поднебесной опять переиграли своих западных конкурентов. Казалось бы, такое «неприметное» вещество, но каковы последствия для международной политики! И на фоне таких геополитических реалий пафосные заявления американских руководителей об электрификации автопарка своих вооруженных сил выглядят уже не просто забавно, но и откровенно смешно.

Константин Шабанов

Математическая модель выявила связь между риском послеоперационного тромбоза крупных сосудов нижних конечностей после эндопротезирования брюшной аорты и расположением этого отдела аорты относительно оси позвоночника. В совместном проекте участвуют механики Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, специалисты в области искусственного интеллекта из НГУ и сосудистые хирурги НМИЦ им. ак. Е.Н. Мешалкина.

Полученный результат командной работы – яркая иллюстрация возможностей искусственного интеллекта, над которым не довлеют общепризнанные инструкции и врачебные рекомендации, благодаря чему он обнаруживает совершенно новые факты. «На материалах большого объема данных удалось установить интересные взаимосвязи, о которых мы, врачи, прежде никогда не догадывались – их обнаружила машина, – рассказал заведующий научно-исследовательским отделом сосудистой и гибридной хирургии Центра Мешалкина Андрей Анатольевич Карпенко. – Раньше считалось, что высокий риск послеоперационных тромботических осложнений после эндопротезирования брюшной аорты связан с углом между центральной линией, построенной выше почечных артерий, и аналогичной линией, построенной ниже почечных артерий. А оказалось, что более значим другой морфологический признак: угол отклонения шейки инфраренального отдела аорты (расположенного ниже почечных артерий) от оси позвоночника. Машина обнаружила совпадение этого показателя и неблагоприятных исходов почти в 90% случаев. Ось позвоночника более постоянна и использовать ее как ориентир для оценки анатомических особенностей очень эффективно».

Исследование велось при поддержке гранта Российского научного фонда. Первый результат работы — алгоритм персонализированного прогнозирования неблагоприятных клинических исходов при эндоваскулярных методах хирургического лечения. «Разработанная программа позволяет за считанные минуты выполнить сегментацию снимка компьютерной томографии и восстановить геометрию аневризмы, причем как область течения крови, так и область кальцификации стенки и пристеночных тромбомасс, – объяснил старший преподаватель Механико-математического факультета НГУ Даниил Паршин. – Применение передовой методики speakle tracking позволило нам и количественно оценить удельный объем тромбомасс в просвете, благодаря чему механика всего комплекса «локация кровотока-тромб-стенка» предстала существенно более сложной с вариациями деформаций. Все это невозможно было бы оценить, не использовав нейронные сети».

Врачам-клиницистам такая программа при объединении с аппаратом компьютерной томографии даст возможность в дальнейшем на этапе планирования операции видеть отдаленные риски патологических изменений аорты в зонах предполагаемой фиксации стент-графта – таких, как протечки протеза из-за индивидуальной анатомии сосуда, тромбозы, риск разрыва или дальнейшее развитие аневризмы. Это позволит более прицельно не только выбирать метод протезирования, но и оптимизировать ведение пациентов после операции. Полученная возможность выделить группы наиболее высокого и низкого риска неблагоприятного события и разработать под них индивидуальную программу дальнейшего наблюдения – большой шаг вперед в прогнозировании будущего пациентов и развитии персонифицированной медицины.

Для справки:

Частота осложнений в отдаленном послеоперационном периоде после эндопротезирования брюшной аорты:

• «протечки» протеза из-за его смещения – у 22-26% пациентов (каждый 4-й!),
• тромбоз элементов протеза (стент-графта) – 18-20%,
• дальнейшее развитие и разрыв аневризмы брюшной аорты – 3-4 %,
• смертность при разрыве вне клинического учреждения - 70-80%
• тромбоэмболические осложнения периферического русла – 1-2%.

«Органические продукты», «органическое земледелие» - эти термины сегодня у многих из нас на слуху. В западных странах так называемые органические методы ведения сельского хозяйства вообще рассматриваются в качестве здоровой экологической альтернативы обычным методам интенсивного земледелия (иногда некорректно обозначаемым как «традиционные»). Кроме того, в этих странах на официальном уровне осуществляется сертификация «органических продуктов», выращенных с использованием указанных методов. Как правило, продукты с такой маркировкой стоят дороже, но на них есть спрос. Так, в США доля органических фруктов и овощей на рынке занимает уже 15 процентов, а объемы продаж составляют 57 миллиардов долларов в год.

Первым требованием к органическому земледелию является запрет на использование синтетических ядохимикатов. Этот запрет, безусловно, приводит к ощутимому снижению урожайности, что компенсируется более высокой ценой конечной продукции. Потребитель, конечно же, пребывает в уверенности, что доплачивает за здоровую еду. И, возможно, кто-то полагает, что совсем несложно перенастроить всё сельское хозяйство на «органический» лад. Во всяком случае, так полагают в руководящих структурах ЕС, где принимают решения о скорейшем ограничении пестицидной нагрузки и увеличении доли органических ферм.

Однако в этом деле не всё так просто, и нередко красивая теория расходится с практикой. Как показывают конкретные исследования, чем крупнее органическая ферма, тем меньше она отличается от обычной фермы по методам ведения хозяйства. По словам исследователей, когда речь заходит о крупных хозяйствах, вы не увидите никаких особых различий между теми и другими. Тем не менее, именно крупные фермы являются основными поставщиками «органической» продукции в торговые сети западных стран.

В данном случае потребители оказываются в плену некоторых мифов, созданных вокруг органического земледелия. Прежде всего, речь идет о методах защиты растений. Кому-то кажется, что на органических фермах используются какие-то особо щадящие биологические приемы – те, что описаны в руководствах по пермакультурному дизайну. Скажем, когда на участок привлекаются полезные насекомые или, когда растения опрыскивают экологически безопасными натуральными настоями. Да, отдельные энтузиасты, владеющие небольшими участками, так и делают. Но если речь идет о крупной органической ферме, то там, как ни странно, некоторые виды «химии» могут использоваться на вполне законных основаниях. Например, в качестве разрешенного фунгицида фигурируют препараты на основе медного купороса (чаще всего – так называемая бордосская смесь). Медным купоросом вовсю опрыскиваются «органические» фруктовые сады и виноградники. По нынешним меркам это есть старый дедовский способ борьбы с грибковыми инфекциями. Возможно, данный способ не очень эффективен - в сравнении с современными ядохимикатами. Тем не менее, нельзя сказать, что он совершенно безупречен с точки зрения экологии. По крайней мере, учеными установлено, что медь способна накапливаться в почве, снижая тем самым экологическую чистоту обрабатываемого участка.

Тревожным фактом является то, что владельцы крупных органических ферм, стремясь к увеличению выручки, начинают всё больше и больше отступать от «устойчивых» методов хозяйствования, что может в перспективе лишить потребителей доверия к «органической» маркировке. Мало того, не так давно выяснилось, что соседство органических ферм с обычными фермами приводит к увеличению пестицидной обработки для последних. Причина проста: органические фермы способствуют увеличению популяций вредителей и патогенов, из-за чего соседям приходится более интенсивно отражать атаки. Разумеется, здесь мы сталкиваемся с непреднамеренным вредом, но его также приходится учитывать. 

В этой связи сторонники устойчивого сельского хозяйства внимательно следят за любыми обнадеживающими прецедентами, способными дать воодушевляющие (и в чем-то – знаковые) примеры для подражания. Одним таким воодушевляющим примером является использование так называемых натуральных пестицидов (биопестицидов) вместо синтетических ядохимикатов. Показательно, что биопестициды начинают применяться в такой стране, как Бразилия, являющейся на сегодняшний день одним из главных покупателей сельскохозяйственной «химии». Тем не менее, некоторые фермеры решились на использование биопестицидов, и пока что весьма довольны результатом.

Напомним, недавно мы рассказывали о том, как проходит разработка отечественных биопестицидов учеными Академгородка

Поясним, что основой натуральных пестицидов являются различные микроорганизмы (грибы и бактерии), способные противостоять вредителям и болезням. Микроорганизмы выращиваются в специальных чанах, а затем используются для обработки полей. Бразильские новаторы, применившие такой подход, уверяют, что производственные затраты упали на 61 процент, тогда как урожайность сои выросла на 13 процентов. По их мнению, биопестициды способны совершить настоящую революцию в сельском хозяйстве. Ее главным содержанием является то, что в борьбе с вредителями и болезнями земледелец начинает имитировать саму Природу.

Возможно, дело не ограничится переходом от ядохимикатов к их натуральным альтернативам. Дело в том, что вопрос органического земледелия требует более тщательного научного изучения. То есть переход к устойчивым методам – это не только задача для фермеров, но также и для ученых. По большому счету, сельскохозяйственная революция, о которой мы только что упомянули, должна иметь серьезную поддержку со стороны фундаментальной науки, включая и генетику. И такие исследования имеют место.

Совсем недавно были опубликованы результаты двадцатитрехлетнего исследования ученых Боннского университета, изучавших влияние органических методов земледелия на генетический материал ячменя. С этой целью были засеяны два больших участка. На одном ячмень обрабатывался так же, как и в обычных хозяйствах (то есть с использованием минеральных удобрений и ядохимикатов). На другом участке использовались только органические методы (никаких пестицидов, механическое уничтожение сорняков и удобрение навозом с конюшен). Внешне особых различий между посевами не заметно. Однако серьезные различия были выявлены с помощью молекулярной генетики.

Генетические тесты показали следующее. В течение первых 12 лет у ячменя с обоих участков совершенно одинаково менялась частота аллелей. Однако в последующие годы по этому признаку начались расхождения. Так, у органического ячменя появились варианты генов, благодаря которым у растений снижалась чувствительность к дефициту питательных веществ или к нехватке воды. Ячмень, выращиваемый обычным способом, со временем становился генетически более однородным, в то время как органический ячмень, наоборот, становился всё более и более гетерогенным.

Последнее обстоятельство ученые связывают с тем, что в органическом сельском хозяйстве окружающие условия колеблются в более широких пределах. Это касается и сопротивляемости болезням. Если определенные болезни закрепляются более одного сезона, то растение вынуждено полагаться не на внешнюю помощь, а на те аллели, которые обеспечивают защиту. То есть растения начинают самостоятельно адаптироваться к неблагоприятным изменениям среды. Соответственно, они становятся более выносливыми. По мнению исследователей, подобные испытания могут принести пользу даже распространенным высокоурожайным сортам.

Понятно, что пока еще недостаточно предпосылок для полного перевода всего сельского хозяйства на новые устойчивые методы. Но важно то, что поиск здоровых альтернатив интенсивному «химическому» земледелию вызвал интерес к органическим методам со стороны фундаментальной науки. Остается надеться, что российские генетики также не останутся в стороне от аналогичных исследований.

Николай Нестеров

Ученые ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» изучают влияние этнического фактора на мужскую фертильность. По их результатам, буряты и якуты оказались более близки между собой по основным антропометрическим (физическим) параметрам, но значительно отличались от славян по этим и другим показателям, например сперматогенезу и уровню репродуктивных гормонов. Кроме того, в ходе исследования биологи выяснили, что влияет на характеристики мужского репродуктивного потенциала популяции.

Практически во всех регионах мира отмечается снижение фертильности (способности воспроизводить потомство) мужского населения. За последние 50 лет у мужчин репродуктивного возраста продукция сперматозоидов снизилась вдвое, появилось больше морфологических нарушений репродуктивной системы, а количество зарегистрированных в России супружеских пар с бесплодием возросло до 20 %.

«Причин быстрого снижения мужской фертильности несколько: климатические и экологические факторы, связанные с загрязнением окружающей среды, стресс, неправильный образ жизни, вредные социальные привычки (курение, алкоголь, избыточное питание), генетические факторы (например, полиморфизм гена андрогенного рецептора). В связи с многонациональным составом РФ важно учитывать и этнические особенности репродуктивной функции. Проблема изучения и сохранения мужского репродуктивного потенциала становится всё глобальнее, а популяционных исследований мужской фертильности в РФ практически не проводится, наша работа на эту тему — одна из первых», — рассказала главный научный сотрудник сектора прикладных репродуктивных технологий человека ФИЦ ИЦиГ СО РАН профессор, доктор биологических наук Людмила Владимировна Осадчук.

В исследовании приняли участие 1 900 мужчин активного репродуктивного возраста из шести городов: Минска, Архангельска, Новосибирска, Кемерова, Улан-Удэ и Якутска. Новосибирск был выбран как начальная точка, родной город исследователей. В Кемерове изучалось влияние экологического фактора на мужскую фертильность, так как город имеет не очень благоприятную экологическую обстановку, этническое влияние — в Улан-Удэ и Якутске.

Исследование включало в себя более 45 параметров. Проводился осмотр наружных гениталий врачом-андрологом, анкетирование на национальные корни, вредные привычки и профвредность, взятие периферической крови для определения уровня репродуктивных гормонов (тестостерон, эстрадиол, ингибин B и другие), цинка, основных метаболитов (холестерин, глюкоза, мочевая кислота и другие), исследование эякулята (объем, рН, концентрация и доля подвижных и морфологически нормальных сперматозоидов). Основная доля участников состояла из студентов и преподавателей вузов.

Все этнические группы отличались по сперматогенезу. У славян отмечены более высокие показатели по сравнению с азиатскими этническими группами (общее количество сперматозоидов (СП): 201,3 млн/эякулят — у славян, 145,9 млн/эякулят — у бурятов и 105,1 млн/эякулят — у якутов). У якутов отмечали низкую долю морфологически нормальных сперматозоидов. По словам ученых, это может быть связано с климатоэкологическими условиями региона и этническим фактором. Интересно, что мужчины с хорошим сперматогенезом имеют лучшее общее здоровье — репродуктивная функция сильно коррелирует с его состоянием, и если есть нарушения в этой системе, то есть и целый ряд других, например сердечно-сосудистых, легочных и прочих заболеваний.

«В ходе работы мы увидели, что сперматогенез снижается к восточным районам РФ. Славяне значительно отличаются от бурят и якутов, тогда как буряты и якуты близки по антропометрическим показателям: масса тела, размах рук, рост, окружность бедер, трохантерный индекс (отношение роста к длине ноги), — славяне имели более высокие значения. Размах рук — очень важный показатель, он должен приблизительно равняться росту человека. Нарушение этого соотношения говорит об андрогенной недостаточности в пубертатный период. Дело в том, что репродуктивные гормоны (тестостерон, эстрадиол) участвуют не только в функционировании семенников, формировании половой дифференцировки и так далее, но и влияют на развитие костей», — отметила Людмила Осадчук.

Половые гормоны коррелируют с антропометрическими показателями и являются главным опосредующим звеном, определяющим рост и пропорции тела. У бурятов и якутов основной гормон, который отвечает за формирование скелета, регуляцию продольного роста костей, — это эстрадиол, в то время как у славян эту функцию выполняет тестостерон. Исследователи предполагают, что повышенный уровень эстрадиола и пониженный уровень тестостерона (по сравнению со славянами) в период пубертата способствуют замедлению роста костей скелета и закрытию эпифизарных пластинок (зон роста) трубчатых костей.

Отличия в разных группах есть и по реактивности на социальные факторы среды, например курение.

«Оказалось, что доля курящих славян меньше. Однако курят они в среднем больше 13 сигарет в день, тогда как буряты — 9, якуты — 8. У курящих резко меняется метаболизм, уровень липидов и глюкозы превышает норму, снижается уровень цинка, ухудшается антиоксидантная система организма. Славяне больше привержены курению, негативный эффект курения на их репродуктивную функцию проявляется наиболее сильно, у бурятов же он не выражен совсем. Возможно, это связано с тем, что у них очень сильные антиоксидантные свойства организма», — прокомментировала Людмила Осадчук.

По предположениям ученых, основные причины этнических различий связаны с генетическим бэкграундом (генетическим фоном). Например, важную роль играют полиморфизмы гена андрогенового рецептора, поскольку большинство физиологических эффектов андрогенов (стероидных мужских половых гормонов) опосредуется через этот рецептор, а нарушение регуляции репродуктивных процессов андрогенами может являться одной из причин мужского бесплодия и субфертильности.

В дальнейшем исследователи намерены провести межэтнические сравнения ассоциированных с мужской фертильностью спектров SNPs и генной изменчивости, которые идентифицированы с помощью полноэкзомного секвенирования. «Мы будем анализировать ассоциации однонуклеотидного полиморфизма (SNP) с показателями сперматогенеза и уровнями репродуктивных гормонов. Планируем выявить генетические факторы, определяющие этнические различия, сравнивая этнические группы по множествам ассоциированных генов и их SNPs с индикаторами сперматогенеза и гормонального профиля», — сказала Людмила Осадчук.

Ученые выражают благодарность коллегам, которые помогали в проведении исследования — это Институт физики им. Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси (А. И. Линник, В. А. Кульчицкий), Новосибирский государственный медицинский университет (А. А. Еркович, Н. А. Ворошилова), Институт физиологии природных адаптаций Уральского отделения РАН (Е. В. Типисова), Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН (Л. Н. Шантанова), Медицинский институт Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова (И. П. Троев, В. В. Остобунаев), ООО «Медицинский центр “Эргин”» (Н. Н. Кузнецова) и другие.

Полина Щербакова

В апреле этого года стало известно, что Колыванский районный суд наложил арест на имущество крупнейшего в Новосибирской области свинокомплекса «Кудряшовский» на сумму свыше трех миллиардов рублей. Напомним, что арест был наложен по ходатайству прокуратуры на директора АО «Кудряшовское» по экологическим статьям. Предприятию инкриминировалось загрязнение вод, порча земли и повреждение лесных насаждений. Как уверяет следствие, работники предприятия сливали воды, загрязненные продуктами жизнедеятельности животных, за пределы отведенной зоны, чем нанесли вред речной экологии.

Говоря откровенно, мы давно ждали, когда правоохранители обратят внимание на столь вопиющие факты безответственного отношения к природе. И вот, вроде бы, процесс пошел.  Однако есть один момент, которые оказался за кадром и вообще не освещался местными СМИ. Дело в том, что этих нарушений могло бы и не быть, а сам нарушитель имел шанс создать поистине современное предприятие, способное предотвращать экологические ущербы и грамотно, вполне по-научному, решать вопросы со стоками. Три миллиарда рублей, назначенных теперь в виде штрафа, в свое время с лихвой хватило бы на то, чтобы создать инновационную систему очистки стоков, и потом демонстрировать ее как пример передовой «зеленой» технологий, выводящей подобные предприятия на более высокий технологически уровень. Подчеркиваем, шанс у АО «Кудряшовское» был. Но им не воспользовались.

Мы обратились к этой истории не случайно. Несколько лет назад мы подробно писали об эксперименте, проведенном на одной из производственных площадок указанной компании на территории Новосибирского сельского района. Эксперимент был связан с биологической очисткой сточных вод с помощью водного растения гиацинта. В роли разработчиков данного инновационного проекта выступили ученые-биологи Института цитологии и генетики СО РАН. Дело происходило еще в «нулевых» годах. Прежнее руководство предприятия отнеслось к проекту с пониманием. На территории свиноводческого комплекса были построены очистные пруды, засаженные гиацинтом. Дело в том, что гиацинт и подобные ему водные растения, словно насосы, пропускают через свои корни воду, «отфильтровывая» мелкую взвесь и поглощая различные элементы. В итоге вода становится кристально чистой. Потом гиацинт можно было использовать в качестве животного корма (его, например, хорошо поедали дикие утки, водившиеся в местной речке) или в качестве биомассы для органических удобрений. Разрастался он в очистных прудах очень хорошо, прямо как на дрожжах. Часть этой зеленой массы даже доставлялась в Новосибирский зоопарк, где его мгновенно съедали водоплавающие птицы.

Параллельное участие в проекте принимал Институт ядерной физики СО РАН, предложивший использовать для обеззараживания воды промышленные ускорители собственного производства. В общем, проект был комплексный и научно обоснованный. В случае его успешной реализации выиграло бы не только предприятие, но и Новосибирский научный центр, позиционируя данную разработку как реальный вклад в реализацию стратегии устойчивого развития (о чем тогда начинали много говорить во всем мире). Однако приход нового собственника поставил на проекте крест.

Повлияет ли на «экологическую сознательность» нынешних руководителей предприятия вынесенный вердикт, сказать не беремся. Проблема в том, что со времен закрытия проекта много что поменялось, и самое обидное, что очень ценная инновация слишком плохо известна нашей общественности. Еще обиднее то, что аналогичные эксперименты теперь начинают проводить в других странах, позиционируя их как новое слово в области «зеленых» (очень модных ныне) технологий, необходимых для устойчивого ведения сельского хозяйства.

В конце прошлого года на сайте Science Direct  вышла весьма примечательная публикация на эту тему. В Майами, недалеко от Международного университета Флориды, был проведен эксперимент по очистке загрязненных стоков с помощью водных растений. Для этой цели были созданы специальные резервуары, куда помещались плавучие пластиковые платформы с высаженными на них растениями. Исследователи остановили свой выбор на гигантских бархатцах. Как они сами объяснили, гигантские бархатцы не только способствовали очистке воды, но одновременно являлись хорошим товаром, который легко сбывался на цветочном рынке. Получалась двойная польза: затраты на биологическую очистку компенсировались дополнительной товарной продукцией. До многих предпринимателей, кстати, до сих пор не доходит, что, используя подобные технологические приемы, вы отходы превращаете в доходы. По сути, речь идет об использовании так называемых природоподобных технологий, а в природной системе (о чем мы много писали) вообще нет понятия отходов.

Как утверждают исследователи, урожайность гигантских бархатцев вполне соответствовала нормальной урожайности обычной цветочной фермы. То есть фактически очистные сооружения данного типа вполне можно рассматривать как отдельное сельскохозяйственное производство. Отсюда вытекает мысль, что такие цветочные фермы весьма хорошо «стыкуются» с животноводческими предприятиями, а также с поселениями, где используются септики. Тем самым мы устраняем экологический ущерб не через дополнительные затраты, а через получение дополнительного дохода! В этом, пожалуй, подлинная суть подобных «зеленых» инноваций.

Надо сказать, что проблема грязных стоков не решена не только у нас, но и в США. По словам авторов указанного эксперимента, загрязнение воды является возрастающим кризисом для Южной Флориды. Напоминанием об этой экологической проблеме служит крупнейшая массовая гибель рыбы в заливе Бискейн в 2020 году. Загрязнение воды вызвано, в основном, стоками с ферм, а также с городских газонов и даже септиков (отметим, что многочисленный «частный сектор» Флориды использует именно септики). Когда идет дождь, то избыточное количество фосфора и азота смывается в реки и озера. Затем эти вещества создают питательную среду для водорослей, что приводит к их повсеместному опасному цветению, снижающему уровень кислорода в воде.

Биологические методы очистки привлекательны именно тем, что указанные питательные вещества своевременно «перехватываются» плавучими платформами с растениями вроде тех же гигантских бархатцев.  Интересно, что исследователи, предложившие данный метод, вдохновлялись традиционными системами плавучих ферм типа чинампас, применявшимися когда-то ацтеками в доколумбовой Мексике. Используя такой подход, ученые решили протестировать идею использования цветов на плавучих платформах, способствующих удалению излишков питательных веществ из водных путей. Параллельно решалась и социально-экономическая задача, а именно – создание рабочих мест на подобных цветочных фермах Майами (главном центре торговли цветами в США). 

Для плавучих платформ использовался вспененный полиэтилен. Состав воды в испытательных резервуарах соответствовал составу сточных вод, содержащих избыточное количество питательных веществ. В течение 12 недель, по мере роста сеянцев, измерялось качество воды. После первых успешных опытов с гигантскими бархатцами испытания были перенесены на близлежащие каналы, где плавучие платформы с растениями закреплялись с помощью специальных грузов. Исследование пока что продолжается, но ученые уже сейчас совершенно уверены в том, что таким способом можно решать проблемы со сточными водами по всему миру.

Как видим, американские исследователи в этом деле «застолбили» себе место пионеров, возможно, не подозревая о том, что их коллеги в Западной Сибири проводили схожие эксперименты еще двадцать лет назад. Мы часто иронизируем о самих себе, говоря о России как о «родине слонов». И, тем не менее, в некоторых вопросах мы и в самом деле предвосхищали то, что становилось мейнстримом спустя десятки лет. Пожалуй, это относится и к методам биологической очистки стоков.

 Олег Носков

Исследователи из Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН создают электронные гибкие сенсоры глюкозы, не требующие прокола кожи. Сегодня готов лабораторный образец, работающий на низкой скорости записи (время накопления сигнала 10-30 мин). Устройство определяет уровень глюкозы в поту и будет полезно для больных сахарным диабетом.  А также для тех, кому важно контролировать уровень глюкозы в организме — например, спортсменам или людям, соблюдающим специализированную диету

Чувствительный элемент сенсора (площадью несколько квадратных миллиметров) печатается на обычной офисной бумаге. Но чернила необычные – авторская разработка ученых ИФП СО РАН. В результате на бумагу ложатся слои толщиной в единицы нанометров, из графена и проводящего полимера PEDOT:PSS. При нанесении такого композита на бумагу в слое формируются вертикально расположенные частицы графена, и они выступают как катализаторы окисления глюкозы, а уровень сигнала сенсора (его проводимость) зависит от количества продуктов окисления. Это первый в России образец сенсора такого типа.

Сенсор можно разместить на запястье или практически в любом месте, где удобно пользователю. Сейчас к сенсору разрабатывается небольшой модуль для быстрого считывания (за доли секунды), преобразования, усиления сигнала и передачу данных на телефон через Bluetooth канал.

Подробные результаты работы ученых опубликованы в журналах Physical Chemistry Chemical Physics, Российские нанотехнологии (принято в печать), Успехи физических наук. Кроме того, на изобретение получен патент РФ №2811305. Недавно Роспатент включил разработку в рейтинг ТОП-10 изобретений в медицине, которые были запатентованы с 2023 года.

 «Неинвазивные (не требующие прокола кожи) сенсоры глюкозы разрабатываются во всем мире. В качестве чувствительного элемента создается, как правило, многослойная структура, довольно толстый “пирожок”. В таком случае, чтобы обеспечить высокий уровень сигнала, требуется обильное потоотделение и нужен дополнительный подогрев кожи.

Мы выбрали другой путь — сделали очень тонкий слой с определенной структурой, которая обеспечивает селективность, и получили высокую чувствительность сенсора. Но нужно было решить многопараметрические задачи, начиная от разработки состава чернил, соотношения компонентов, их вязкости, концентрации и заканчивая подбором режима печати и основы для нанесения чернил», — комментирует руководитель научной группы, ведущий научный сотрудник лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Ирина Вениаминовна Антонова.

В качестве оптимальных материалов для печати гибкого сенсорного слоя, ученые выбрали офисную бумагу и нетканое полотно (спанлейс). Но тестировалось множество тканей — от шелка до хлопка, полимерные материалы, разные виды бумаги.

Созданный учеными сенсор — резистивного типа: его электрическое сопротивление меняется при попадании молекул глюкозы на чувствительный элемент. В результате взаимодействия с потом проводимость сенсора увеличивается, что можно зафиксировать, подавая напряжение и измеряя электрический ток. Показано, что проводимость сенсора пропорциональна содержанию глюкозы в крови. В этом случае важна чувствительность, от нее зависит абсолютная величина сигнала и скорость его появления после начала тестирования и, самое важное, — диапазон изменений сигнала: чем он больше, тем меньшие колебания глюкозы можно измерить.

«Отличие нашего сенсора от разрабатываемых другими группами в России и за рубежом — в том, что мы нашли простой и дешевый способ получить высокий отклик с использованием графена, как основной чувствительной матрицы. Другие авторы выбирали в качестве чувствительного элемента иные компоненты, графен же только усиливал сигнал.

В самом начале нам казалось, что увеличение толщины печатного слоя (в разумных пределах – до 10 нанометров), приведёт к увеличению сигнала, и получатся более воспроизводимые результаты. Мы пробовали делать более толстые слои, но добиться значительного изменения их проводимости, даже при намокании сенсора было очень сложно. Толстые слои позволяли получить хороший сигнал и быстрый отклик, но при этом, изменение сигнала при изменении сахара было относительно низкое, примерно 30 %. В мире у многих сенсоров именно такой отклик.

Но нам хотелось большего, и мы пришли к оптимальному соотношению состава слоя, его толщины и структуры. Выяснилось, что наилучшие характеристики дают два - три печатных слоя. При этом графеновое покрытие должно быть сплошным. Чтобы его таким сделать, пришлось подобрать около десяти разных параметров», — поясняет научный сотрудник молодежной лаборатории нанотехнологий и наноматериалов кандидат физико-математических наук Артём Ильич Иванов.

В задачи Артёма входило создание чернил, поиск компонентов для них, определение соотношений последних, подбор режимов печати, выбор подложек, на которых производилась печать. Все перечисленные процессы играют решающую роль при создании сенсора.

В разработке устройства сейчас участвует научная группа из пяти человек, включая студентов Новосибирского государственного технического университета (НГТУ НЭТИ), для которых результаты исследований ложатся в основу квалификационных работ.

Например, Анна Андреевна Бузмакова, магистрантка факультета радиотехники и электроники (РЭФ) НГТУ, в рамках бакалаврского диплома исследовала зависимость электрического сопротивления от состава композитного материала, меняя размер частиц графена, концентрацию полимера. Представив результаты работ на конференции «Дни студенческой науки НГТУ–2024», Анна победила в конкурсе студенческих грантов и получила грант НГТУ–2024. Также Анна занимала призовые места по итогам других студенческих научных конференций.

Руслан Саятович Кумарбаев, магистрант 2 курса РЭФ НГТУ отвечает за проектирование и сборку модуля для считывания, преобразования и передачи сигнала сенсора на смартфон. Кроме того, Руслан создал и отрабатывает мобильное приложение, которое отвечает за обработку полученных от сенсора данных.  Студент демонстрирует креативный подход к выбору параметров схем и считывающего устройства. Сейчас он ищет способы сделать модуль считывания гибким и миниатюрным.

Исследователи подчеркивают, что новое устройство не является медицинским прибором, это датчик для бытового использования. Специалистам предстоит отработать параметры считывания, чтобы каждый пользователь мог соотнести значения сигнала датчика с уже известными ему — например, показателями глюкометра или результатами медицинских анализов.

«Наш план максимум на ближайшие несколько лет — сделать так, чтобы прибор работал легко и надежно, а получаемые результаты были понятны любому человеку, без специального погружения в тему. Преимущество наших сенсоров, кроме чувствительности — дешевизна, сохранение работоспособности при хранении сенсора более двух лет, возможность многократного использования — на одном сенсоре мы делали порядка 30 измерений. А когда понадобилось уточнить результаты, провели еще десяток измерений на той же структуре и увидели хорошую воспроизводимость результатов. Сенсоры являются сменными и в случае нарушения одного, используется следующий», — добавляет Ирина Антонова.

Она подчеркивает, что несмотря на очевидную перспективность разработки (постоянный мониторинг уровня глюкозы требуется все большему количеству людей), существует не так много мер поддержки, которые позволяют финансировать исследования. Сейчас работа ведется в рамках проекта Российского научного фонда № 22-19-00191, но не является главной задачей проекта.

«Пока мы еще далеки от стадии создания коммерческого продукта. Научные, поисковые исследования требуют и времени, и затрат. А большинство программ поддержки, которые мы смогли найти, предлагают профинансировать доработку практически законченного продукта или прототипа», — поясняет руководитель научной группы.

В данный момент ученые набирают статистику изменения сигнала сенсора в зависимости от индивидуальных особенностей человека. Например, при быстром считывании сигнала (миллисекунды) можно определить время между приемом пищи, повышением уровня глюкозы в крови (определяется при помощи глюкометра) и изменением содержания глюкозы в поту. Также исследуется отклик сенсора на небольшие физические нагрузки.

Пресс-служба ИФП СО РАН

«XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм» — четвертая по внутренней нумерации станция первой очереди Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов». Станция предназначена для исследования локальной пространственной, электронной и магнитной структуры широкого класса объектов: химических, физических, геологических, биологических, археологических и других материалов. Установленный в качестве источника синхротронного излучения сверхпроводящий ондулятор, генерирующий излучение высокой яркости и интенсивности, позволит также проводить in situ/operando исследования функциональных материалов, в том числе катализаторов, используемых в химической промышленности.

«Инициатором создания станции «XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм» стал ФИЦ “Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН”, так как изучение катализаторов и каталитических процессов сегодня практически невозможно без применения методов спектроскопии рентгеновского поглощения. Помимо этого, особенность станции в том, что она дает возможность исследовать объекты без привязки к их структурной упорядоченности и в любом агрегатном состоянии: различные твердые материалы, сплавы, кристаллы, растворы, наночастицы и так далее. Метод полезен и для решения экологических задач, когда необходимо определить химические формы тяжелых элементов-загрязнителей в почве, сточных водах. Важно отметить, что спектроскопию рентгеновского поглощения практически невозможно реализовать в условиях лаборатории и на лабораторном оборудовании, поэтому XAFS — исключительно синхротронный инструмент», — отметил заместитель директора ЦКП СКИФ по научной работе доктор физико-математических наук Ян Витаутасович Зубавичус.

Кто занимается созданием станции и оборудования для нее?

Созданием станции и ее инженерных систем, обеспечивающих стабильную и непрерывную работу, а также основной частью научно-экспериментального оборудования занимается Институт сильноточной электроники СО РАН (Томск). Одна из основных задач при конструировании станции — обеспечение синхротронного излучения с заданными параметрами и доведение его до изучаемого объекта. В объем работ по созданию станции сотрудниками ИСЭ СО РАН входит разработка эскизного проекта, конструкторской документации, изготовление и закупка необходимой техники, монтаж и пусконаладочные работы, а также инструктаж будущего персонала станции по вопросам ее функционирования и радиационной безопасности. По словам ученых, все этапы будут завершены к концу 2024 года.

«Станция включает более сорока элементов различных инженерных систем, куда входит оборудование ограничительных конструкций, — оптического и экспериментального хатча (от англ. hutch — бункер/хижина), а также контрольной кабины и комнаты пробоподготовки. Есть держатель исследуемого образца, блок размещения образца сравнения, чтобы можно было сопоставить спектры эталона со спектрами изучаемого образца, а для записи спектров применяются кремниевые дрейфовые детекторы и ионизационные камеры. Мы разрабатываем мониторы положения пучка синхротронного излучения, вакуумную систему, опорные конструкции и виброзащиту. Некоторые узлы изготавливают наши коллеги из других научных и образовательных организаций, среди которых Томский политехнический университет и Новосибирский государственный технический университет, а также ряд других партнеров», — рассказал руководитель работ по созданию станции заведующий лабораторией пучково-плазменной инженерии поверхности ИСЭ СО РАН кандидат технических наук Владимир Викторович Денисов.

Как отмечают ученые, станцию «XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм» справедливо назвать самой универсальной из всех станций СКИФ. Ее универсальность обусловлена тем, что предъявляются минимальные требования к исследуемым объектам — можно изучать твердые тела, аморфные материалы, газы, жидкости, вещества в сверхнизких концентрациях и другие. Несмотря на доступность метода в техническом плане, обработка получаемой с его помощью информации считается сложной. Чтобы качественно обрабатывать данные, специалисты должны обладать многолетним опытом и специальными навыками работы с программным обеспечением, используемым для расчетов.

Что такое XAFS-спектроскопия?

«Спектроскопия рентгеновского поглощения — один из самых актуальных методов на каждом синхротроне. Он считается достаточно простым в реализации, не требующим сложных рентгенооптических устройств, при этом его востребованность в научном сообществе чрезвычайно высока. Особенность этого инструмента, в отличие от рентгеновской дифракции или фотоэлектронной рентгеновской спектроскопии, в том, что в 98 % случаев он способен работать только на синхротронных установках. Метод XAFS-спектроскопии позволяет получить полную и детальную информацию об исследуемом образце, а также локальном строении вещества, поэтому ее можно считать одним из самых серьезных информационных методов для характеризации твердых тел в частности. Спектроскопия рентгеновского поглощения предоставляет важные и нужные сведения для самых разнообразных объектов: от катализаторов и полупроводниковых пленок до геологических и археологических находок и даже объектов культурного наследия. Имеет значение и то, что метод неразрушающий и нет необходимости по-особенному готовить образцы для изучения», — рассказал координатор разработки и создания станции старший научный сотрудник отдела синхротронных методов ЦКП СКИФ кандидат физико-математических наук Андрей Александрович Сараев.

Из трех базовых методов на текущем этапе конструирования станции пока будет реализована только спектроскопия рентгеновского поглощения. Методы рентгеновской эмиссионной спектроскопии и спектроскопии магнитного дихроизма будут осуществлены на последующих этапах развития станции. Для того чтобы в будущем не было больших проблем с реализацией двух оставшихся методик, станция имеет резервы по инженерной инфраструктуре. Планируется, что к декабрю 2024 года будет представлена версия станции, имеющая всё необходимое оборудование для работы спектроскопии рентгеновского поглощения, а каждый шаг в направлении модернизации уже проработан. Так, следующим этапом развития станции станет установка эмиссионного спектрометра, что позволит максимально использовать возможности уникального сверхпроводящего ондулятора.

«XAFS применяется в первую очередь для уточнения параметров локальной структуры. Крайне важно, чтобы объект был предварительно охарактеризован другими различными методами, такими как рентгеновская дифракция, рамановская спектроскопия, просвечивающая электронная микроскопия. Если у ученых уже есть идея или модель локального окружения поглощающего атома, то мы можем проверить состоятельность данной модели и уточнить ее параметры. Предварительная информация об объекте необходима для того, чтобы уменьшить количество переменных и рационализировать работу. В настоящее время мы видим большой интерес со стороны научного сообщества к спектроскопии рентгеновского излучения. Это позволяет нам смело говорить, что в ближайшие годы станция будет загружена работой», — отметил Андрей Сараев.

Из каких элементов будет состоять станция?

Станция «XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм» будет состоять из оптического и экспериментального хатчей, а также контрольной кабины. Основной оптический элемент, расположенный в оптическом хатче, — это двухкристальный рентгеновский монохроматор. Его функциональное назначение заключается в том, чтобы из широкого энергетического спектра, генерируемого ондулятором, выделять заданный энергетический диапазон. В качестве источника СИ будет использован сверхпроводящий ондулятор, являющийся разработкой Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. При использовании ондулятора сканирование по энергии осуществляется за счет изменения магнитного поля в межполюсном зазоре, что позволяет непрерывно и с высокой точностью смещать спектр излучения ондулятора. Это важно для метода спектроскопии рентгеновского поглощения, так как энергия фотонов, попадающих на исследуемый образец, должна непрерывно изменяться в заданном диапазоне.

После монохроматизации пучок попадает в экспериментальный хатч, где его формируют до необходимых размеров, определяют профиль и измеряют интенсивность. Исследуемый образец располагается между двух ионизационных камер, при этом одновременно можно измерять интенсивность рентгеновской флуоресценции с помощью многоэлементного энергодисперсионного детектора. В контрольной кабине располагаются операторы, контролирующие эксперимент, следящие за общим состоянием систем станции. В контрольной кабине также располагаются управляющие серверы и системы хранения данных, связанные с Центром обработки данных СКИФ.

Какие исследования будут проходить на станции?

«Основными пользователями ресурсов станции, в частности спектроскопии рентгеновского поглощения, можно считать специалистов, занимающихся разработкой и исследованием катализаторов, твердотопливных элементов, батарей, газовых сенсоров и других функциональных материалов. Спектроскопия рентгеновского поглощения работает при любых температурах и давлениях, благодаря чему можно исследовать изменения фазового состава вещества, его локального окружения. Возможности синхротронного излучения предоставляют разные варианты для проведения экспериментов: ex situ — изучение свойств объекта до и после функционирования, а также, что особенно важно, in situ/operando — исследование материала в процессе его функционирования. Подход operando позволяет получить наиболее ценную информацию о том, что происходит с исследуемым объектом в конкретный момент времени под воздействием заданных условий. Подобная информация в комбинации с результатами других методов позволяет построить, в случае катализатора, механизм протекания реакции, зная который, можно этой реакцией управлять, например направлять реакцию в сторону получения какого-либо продукта», — рассказал Андрей Сараев.

Одними из будущих пользователей станции «XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм» станут сотрудники лаборатории дозиметрии и радиоактивности окружающей среды (ДиРОС) Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. В первую очередь ученым интересны возможности инструмента для изучения радиоактивных элементов, в частности актинидов, так как они обладают сложными химическими свойствами и большим разнообразием степеней окисления. XAFS-спектроскопия позволяет определить степень окисления элемента в различных соединениях и его локальную структуру. Поскольку все актиниды радиоактивны и не имеют стабильных аналогов, возможности XAFS-спектроскопии на синхротронном излучении позволяют исследовать малое количество материала, не подвергая персонал опасности.

«Список научных задач может быть достаточно большим. Я бы выделила наши последние работы по исследованию структур актинидов в различных соединениях, которые могут образовываться в ближней зоне хранилищ радиоактивных отходов, таких как оксиды, фосфаты, карбонаты. Актиниды относятся к малоизученным элементам. Открытие плутония, например, произошло только в начале 1940-х годов. Кроме того, из-за сложности работы с ними лишь небольшое число лабораторий может проводить такие исследования. В результате даже для таких, казалось бы, простых структур практически отсутствуют надежные данные. При этом информация необходима для понимания и предсказания поведения актинидов в условиях окружающей среды, для строительства надежных хранилищ и подбора правильных инженерных материалов. Также хотелось бы получить возможность измерения проб из загрязненных радионуклидами объектов, анализ которых опять же помогает строить прогнозы поведения радионуклидов в условиях окружающей среды. Появление комплекса СКИФ поможет в решении этой задачи, так как такие уникальные эксперименты возможно проводить только в своем национальном научном центре», — пояснила старший научный сотрудник ДиРОС МГУ им. М. В. Ломоносова кандидат химических наук Анна Юрьевна Романчук.

Метод спектроскопии рентгеновского поглощения интересен также для биологических и геологических исследований, где необходимо изучить объекты с включением металлов. Благодаря высокоинтенсивному источнику СИ на станции возможно исследование объектов со сверхнизкими концентрациями какого-либо вещества. XAFS-спектроскопия может использоваться и для изучения археологических находок и объектов культурного наследия. Метод позволяет локально исследовать химический и фазовый состав материала, понять какие вещества были использованы при изготовлении, что поможет специалистам построить предположения об уровне развития общества того времени. Перемещаемая система позиционирования образца относительно пучка излучения обеспечивает полное построение химического состава поверхности.

«Ресурсы станции актуальны в большей степени для химических исследований и наук о материалах, но также могут быть полезны для физиков, геологов, биологов, археологов. При дальнейшей модернизации станции диапазон научных исследований будет расширяться. Одна из наших задач — показать специалистам из самых разных научных областей, что наши методы применимы и для их объектов», — добавил Андрей Сараев.

Сегодня станция «XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм» находится на этапе производства оборудования и тестирования отдельных узлов. До конца 2024 года будут пройдены все этапы ее оформления в полноценную функционирующую станцию с подготовленным персоналом.

Кирилл Сергеевич

Изображение предоставлено Владимиром Денисовым

Научные сотрудники лаборатории ультраструктурных исследований НИИКЭЛ – филиал ИЦиГ СО РАН изучают ткани древнего мамонта, найденного на острове в Северном Ледовитом океане. Образцы тканей животного доставили в Новосибирск из Якутии.

Исследование ультраструктурной организации тканей мамонта проводятся в рамках договора между НИИКЭЛ и Северо-Восточным федеральным университетом им. М.К. Аммосова (г. Якутск). Для этого из Якутии в Новосибирск был доставлен биоматериал от двух мамонтов, которых ученые СВФУ нашли на островах Малый и Большой Ляховский в акватории Восточно-Сибирского моря. Возраст животных составляет 28 тысяч лет.

Имеющиеся в научной литературе гистологические описания тканей мамонта не отличаются хорошим качеством иллюстраций. Материал исследуется методами световой микроскопии. Ткани обычно фрагментированы, нет их сохранности и четкой структуры, рассказывает руководитель лаборатории ультраструктурных исследований НИИКЭЛ д. б. н. Наталия Петровна Бгатова. У сотрудников лаборатории не было уверенности в том, что удастся получить качественный результат на уровне электронной микроскопии: при данном методе важна сохранность мембранных структур, а это не всегда возможно даже при исследовании клинического материала. Однако уникальность материала подогревало интерес к исследованию.

— Нам были предоставлены фрагменты кожи, мышечной и жировой ткани различных участков тела мамонтов. Материал был трудный в обработке уже на первом этапе его фиксации. Ткань была жесткой и хрупкой. Особенно сложно было делать ультратонкие срезы для электронной микроскопии. Выходя из-под ножа, срезы расслаивались на мелкие фрагменты и собрать их на сеточки для исследования было чрезвычайно трудно. Однако упорство, терпение и профессионализм сделали свое дело. Срезы были получены и просмотрены в электронном микроскопе. Порадовала определенная сохранность фрагментов тканей. Удалось получить вполне хорошие микрофотографии ультраструктурной организации исследованных образцов, — поделилась Наталия Петровна.

В научной литературе при описании гистологии тканей мамонта их сравнивают с соответствующими тканями слона. Архивных данных о слонах у сотрудников НИИКЭЛ нет. Однако на основании предыдущих исследований соответствующих тканей экспериментальных животных и человека, которые, как и мамонты, относятся к классу млекопитающих, сотрудники лаборатории выявили некоторые ультраструктурные отличия. Полученные данные будут переданы в СВФУ, проанализированы и отражены в научной публикации.

Справка: Сохранившихся в замороженном состоянии вымерших представителей флоры и фауны ледникового периода на территории Якутии находят в течение более 200 лет. Первую находку здесь сделали в 1799 г., одна из самых известных находок нашего времени – останки самки шерстистого мамонта подросткового возраста, получившего имя мамонтенок Юка. Исследования найденных животных дали ученым информацию об их анатомии, морфологии, особенностях питания и условиях среды их обитания. В последние годы мамонты привлекают внимание микробиологов и молекулярных генетиков. Последним уже удалось расшифровать митохондриальный и половину ядерного геномов мамонта (scfh.ru).

Пресс-служба Института цитологии и генетики СО РАН