Фундаментальная наука Красноярска ещё достаточно молода в сравнении с некоторыми научными центрами страны. Тем не менее сформировавшиеся в нашем городе научные школы хорошо известны мировому научному сообществу.
Появились они не на пустом месте. Созданный в 1956 году академиком Леонидом Васильевичем КИРЕНСКИМ Институт физики и переведённый в 1959 году из Москвы поближе к предмету исследования Институт леса стали надёжной основой для развития соответствующих научных школ, во многом определив уровень, который они достигли сегодня.
Визитная карточка красноярской науки
Фундаментальные результаты, полученные академиком Киренским по физике магнетизма, позволили сформировать в Красноярске мощную научную школу, которая с годами, развиваясь и вширь, и вглубь, стала визитной карточкой Красноярска в мире науки. Сегодня она вышла на практическое применение результатов своих исследований, которое изначально нельзя было и предвидеть.
Примером может служить один из приоритетных проектов, который недавно рассматривался на встрече с губернатором Красноярского края Виктором ТОЛОКОНСКИМ. В реализации проекта принимают участие учёные Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук, Сибирского федерального университета, Красноярского государственного медицинского университета имени профессора В.М. Войно-Ясенецкого. Цель проекта — создание наноустройств с заданными свойствами, обеспечивающими адресную терапию. И это далеко не единственный проект, способный не только сказать новое слово в науке, но и реально повлиять на качество нашей жизни.
И всё же не надо забывать, что фундаментальная наука, лежащая в основе технологических достижений, никогда не бывает нацелена на немедленное практическое применение. Один из основателей красноярского Института биофизики академик Иосиф Исаевич ГИТЕЛЬЗОН в своём недавнем интервью сказал: «Фундаментальная наука развивается только из самой себя, изнутри. Из своей внутренней логики, а не из заданий и обещаний какой-то обязательной пользы. Развивается из интереса. Из того, что называется любопытством. Академик ПАВЛОВ это называл «инстинкт «что такое?».
Судя по результатам деятельности наших физиков, этим инстинктом они наделены сполна. И работают, без преувеличения, на передовой науки. Например, на таком актуальном направлении, как фотонные кристаллы.
Если говорить предельно упрощённо, то эти кристаллы, в отличие от кристаллов обычных, представляющих собой однородные структуры, состоят из слоёв разных веществ, а потому обладают совершенно уникальными свойствами. И благодаря этим свойствам могут служить своеобразным фильтром для электромагнитного излучения оптического диапазона. То есть согласно заданной при их создании структуре они могут что-то пропускать, а что-то нет.
В живой природе очень многие структуры, отвечающие, например, за окраску или теплоизоляцию, устроены по принципу фотонных кристаллов. Тот же хамелеон с его способностью изменять окраску. Или, например, шерсть полярных медведей и северных оленей. По сути это фотонные кристаллы, которые полностью блокируют излучение на длине волны, соответствующей температуре тела животного. Тепло просто не выходит, оно как бы запирается. Сейчас во всём мире физики изучают эти биологические структуры в надежде быстрее найти применение в реальной жизни. А применение может быть самым неожиданным — от моды до разрушения раковых клеток.
Среди красноярских учёных, положивших начало исследованиям в области фотонных кристаллов, надо назвать Василия Филипповича ШАБАНОВА, Бориса Афанасьевича БЕЛЯЕВА и работающего сегодня в США, одного из самых цитируемых российских учёных Владимира Михайловича ШАЛАЕВА.
В использовании фотонных кристаллов красноярцы были среди первых, о чём говорит директор Федерального исследовательского центра КНЦ СО РАН академик Шабанов.
— Сейчас по фотонным кристаллам в мире огромнейшее количество работ. Но мы успели выхватить основные моменты по оптике, по нелинейным преобразователям. Даже книжку первыми издали («Оптика реальных фотонных кристаллов. Жидкокристаллические дефекты, неоднородности». — Новосибирск: СО АН РАН, 2005. — ред.). Мы описали законы, по которым происходит упорядочение, влияние на свет. Показали, что можно управлять очень малыми напряжениями. Большей частью книга основана на результатах исследований, выполненных в отделе оптики нашего Института физики.
Так что мы были в первых рядах. Сегодня сделанное нами в СВЧ-диапазоне уже работает на красноярскую радиопромышленность — наши фильтры используются в продукции НПП «Радиосвязь».
Естественная среда обитания искусственного происхождения
Если говорить о «сделано в Красноярске», то самый знаковый для нашей науки и самый известный на международном уровне проект – это БИОС-3. Он был осуществлён в Институте биофизики СО РАН, и его целью было создание замкнутой экосистемы, способной производить всё необходимое для удовлетворения физических потребностей человека — пищу, кислород, чистую воду. По сути, это прообраз лунной или марсианской базы.
Идёт сеанс очередной связи с испытателями в установке БИОС-3. На связи испытатель В.В. Терских (в иллюминаторе), фото 1973 года.
А начиналось всё в пятидесятые годы с работ по культивированию водорослей и растений в очень интенсивных режимах. И тогда это был ещё не институт, а лаборатория биофизики Института физики СО АН СССР.
Когда стало понятно, что микроводоросли очень быстро растут и производят много биомассы и кислорода, возникла идея, что можно в малом объёме произвести достаточное для человека количество и того, и другого. Директор Института биофизики академик РАН Андрей Георгиевич ДЕГЕРМЕНДЖИ вспоминает: «Отцами-основателями системы были Леонид Васильевич Киренский, Иосиф Исаевич Гительзон и Иван Александрович ТЕРСКОВ. Сформулировали идею, и Киренский пошёл к куратору космической программы в Советском Союзе Сергею Павловичу КОРОЛЁВУ.
Услышав замысел, Королёв твёрдо сказал: «Дам денег». А на вопрос, когда такая система должна быть готова, ответил: «Вчера!». Тогда было время первых космических успехов и энтузиазма, и Королёв надеялся, что уже в ближайшие годы на Луне будут построены первые поселения. Так что сразу после этого разговора в Красноярске началось создание замкнутой биологической системы жизнеобеспечения под общим названием БИОС.
В конечном итоге было проведено несколько экспериментов. Самый длинный — БИОС-3 — шёл 180 дней. Почти полгода три человека провели в герметичном, изолированном от окружающей среды бункере. Там были зона проживания и отдыха, маленький заводик по утилизации газообразных и жидких выделений человека, водорослевый культиватор для выработки кислорода и, конечно же, высшие растения, которые шли в пищу. За здоровьем бионавтов был организован постоянный медицинский контроль. Ни во время эксперимента, ни после последствий для здоровья обнаружено не было».
Это был первый в мире подобный эксперимент. И до 2014 года красноярские учёные были единственными в мире, кто смог осуществить подобное. Повторить эксперимент, точно его копируя, в позапрошлом году попытался Китай, который сейчас очень активно готовится к покорению космоса. Правда, эксперимент получился короче. Вперёд они не ушли, но приблизились к тому, что было сделано у нас в 70-80-е годы.
Сейчас больших экспериментов в этом направлении не ведётся, но планомерно отрабатываются элементы технологий. А они уникальны. Когда речь идёт о космических приложениях, то там важно, чтобы всё происходило быстро. Нет времени на то, чтобы заложить компост, подождать годик-другой. Всё должно происходить за часы, в крайнем случае за дни.
Сегодня красноярскими учёными разработан и запатентован целый набор технологий, без которых замкнутая система жизнеобеспечения человека просто невозможна. На их основе предстоит создать новую систему под названием БИОС-4. Это будет эксперимент уже нового поколения.
Надо сказать, что результаты проводимых в Красноярске исследований важны не только для космических программ. Академик Дегерменджи об этом говорит следующее.
— Земные предложения очень интересны. Это могут быть так называемые экокоттеджи, имеющие определённую степень автономности. Такое жильё даёт возможность резко уменьшить нагрузку на окружающую среду и сократить проблему доставки всего необходимого для человека. Это актуально и для северных поселений, и для высокогорья.
И ещё один важный момент. Замкнутая система в миниатюре - это хорошая модель для проверки устройства биосферы. Мы в ней можем что угодно вытворять, наблюдая за принципиальными откликами и проверяя всё математически. Это особенно важно для проведения опытов по круговороту элементов, которые нельзя крутить в биосфере, допустим, тяжёлые металлы, радионуклиды. Такие опыты ставить в природе запрещено. Поэтому в перспективе замкнутые системы, подобные нашей, могут быть использованы и в этих целях.
Синтез биополимеров с заданными свойствами и новые возможности
Одна из ключевых разработок красноярских биологов — создание контролируемых микробных систем биосинтеза целевых продуктов медицинского, пищевого и технического назначения. В частности, водородных бактерий, которые в особых условиях способны интенсивно производить различные макромолекулы: ферменты, аминокислоты, белок одноклеточных, биопластики. В результате исследований нашими учёными выявлены закономерности внутриклеточного метаболизма микроорганизмов и реализованы условия синтеза биополимеров с заданными свойствами.
Насколько эта работа актуальна, можно судить по числу публикаций на тему биополимеров в ведущих научных журналах мира. Анализ, сделанный на основе базы данных научных публикаций Web of Science, показывает, что доля красноярских учёных в потоке этих публикаций весьма значима. То же можно сказать и по числу цитирований. Не случайно в списке городов мира, топовых по синтезу и использованию биопластиков, из российских научных центров значится только Красноярск.
О результатах работы красноярских учёных рассказывает заведующая лабораторией Института биофизики СО РАН, профессор Института фундаментальной биологии и биотехнологии СФУ, доктор биологических наук Татьяна Григорьевна ВОЛОВА.
— Мы владеем уникальной коллекцией штаммов-продуцентов, разработали и реализовали технологии синтеза полимеров с различными свойствами, от жёстких термопластов до конструкционных эластомеров. Достичь этого удалось благодаря объединению потенциала Института биофизики СО РАН и Сибирского федерального университета. Объединение позволило создать научно-образовательную структуру, способную реализовывать полный цикл исследований биополимеров — от синтеза и исследования строения и свойств до процессинга и биомедицинских испытаний полимерных изделий.
Сегодня у нас есть возможность контролировать и задавать материалам всевозможные необходимые нам свойства. Например, эластичность, прочность, скорость разложения и ряд других, важных для использования в самых разных приложениях. И это использование уже чётко просматривается. Из биополимеров можно производить самую разную продукцию — от хирургических изделий и долговременных лекарственных средств до экологически безопасных препаратов сельскохозяйственного назначения, предметов быта и разрушаемой упаковки.
Наиболее актуальное направление проводимых нами исследований — конструирование из биополимеров высокотехнологичных имплантатов для восстановления повреждённых тканей и органов. Конечно, эта работа связана с преодолением очень многих сложностей. И не только научного характера. Всё, что касается человека, требует огромного количества комплексных исследований, регламентированных испытаний и согласований. До внедрения технологии в медицинскую практику необходимо пройти долгий экспериментальный путь, начиная от работы с подопытными лабораторными животными. Но в этом направлении уже многое сделано. Следующий шаг — переход к клиническим исследованиям.
Дендрохронология: узнать, что было, и понять, что будет
Как уже было сказано, одним из первых академических институтов в Красноярске был Институт леса им. В.Н. Сукачёва. Здесь также сложились научные школы, внёсшие значительный вклад в изучение лесов по таким направлениям, как лесная генетика и селекция, физиология и биохимия древесных растений, таёжное лесоводство и продуктивность лесов. В институте создан Сибирский международный центр экологических исследований бореальных лесов, объединяющий усилия учёных разных стран в изучении проблем, связанных с изменением климата, газового состава атмосферы и биоразнообразия.
Академик Е. А. Ваганов, основоположник научной школы дендроклиматического и дендроэкологического мониторинга лесов Северной Евразии
Если оценивать красноярскую науку по таким показателям, как публикации, и выбирать из них самые цитируемые, то впереди окажется красноярская школа экологии древесных растений и дендрохронологии, у истоков которой стояли ректор СФУ академик Евгений Александрович ВАГАНОВ и его коллега Александр Владимирович ШАШКИН.
Одним из главных достижений школы является уникальная, имеющая большую научную ценность имитационная модель роста годичных колец деревьев. Но в чём же ценность этих исследований и этой модели? Дело в том, что исследования годичных колец, позволяющие понять, что происходит с отдельным деревом и лесными экосистемами в целом при воздействии различных факторов окружающей среды, дают возможность увидеть перспективы, ожидающие нашу планету, а значит, и всех нас.
Влияние лесов на глобальный цикл углерода, регулирование климата, поддержание биоразнообразия сегодня очевидно. Всем понятно и хозяйственное значение лесов. Вместе с тем на планете осталось только две важнейших для биосферы территории — амазонская сельва и наша тайга. Так что мы просто обязаны быть здесь впереди.
О том, что сделано и делается сегодня в красноярской дендрохронологии, рассказывает заведующий кафедрой математических методов и информационных технологий СФУ, доктор технических наук, профессор Владимир Валерьевич ШИШОВ.
— Начну с того, что сегодня у нас в России порядка пятисот дендрохронологических тест-полигонов. На каждом из них мы анализируем информацию о ретроспективном росте наиболее типичных деревьев на основе взятых древесных образцов — кернов и построенных древесно-кольцевых хронологиях. Конечно, живые деревья при этом никто не пилит. Материал забирается с помощью специального устройства — шведского бурава, который не наносит растению каких-либо существенных повреждений.
Что касается нашей дендрохронологической научной школы, то сегодня она одна из самых мощных в России и хорошо известна за рубежом, благодаря в том числе и публикациям в таких изданиях, как Nature, PNAS и др. Ещё в восьмидесятые годы Евгений Александрович Ваганов и Александр Владимирович Шашкин предложили очень интересную идею по моделированию роста годичных колец на базе так называемых процессных моделей. Первый доклад по этой теме был сделан академиком Вагановым в Соединённых Штатах в середине восьмидесятых и получил самую высокую оценку ведущих зарубежных специалистов.
Вообще, сегодня в мире существует несколько подобных моделей. Но наша модель очень востребована и у нас в России, и за рубежом, прежде всего за счёт простоты основной идеи и отличной способности описывать рост деревьев в различных уголках планеты. На её базе мы решаем как фундаментальные задачи биологии и экологии, так и прикладные.
Результаты своей работы мы совместно с зарубежными коллегами апробировали на обширных лесных территориях России, Соединённых Штатов, стран Европы. Сегодня делаем это в Китае. Коллеги из Китайской академии наук взяли нашу модель на вооружение для оценки состояния своих древостоев на кратко- и среднесрочную перспективу в десять — тридцать лет.
Одним из направлений нашей работы является многомерная параметризация этой модели или нахождение оптимальных параметров роста деревьев для различных территорий. Сегодня мы разрабатываем алгоритмы на основе методов искусственного интеллекта, которые позволяют в автоматическом режиме находить эти параметры. Фактически мы пытаемся научить машину принимать решения, аналогичные мнению хорошего эксперта в лесной экологии. Надо сказать, что это совсем не тривиальная задача.
Галина ДМИТРИЕВА