Великолепная пятерка: какие проекты мирового уровня проводят на российских научных установках

Возможно ли придумать лекарство от старости и продлить жизнь человека, заглянуть в глубины космоса и победить глобальное потепление? Ученые делают все, чтобы в будущем можно было смело ответить «да» на все эти вопросы. Однако для открытий, способных приблизить этот момент, нужна специальная техника и сложные научные установки.

О том, какие пять масштабных научных проектов мирового уровня реализуются на российских уникальных научных установках, читайте в статье наука.рф.

Помнить всё

«Отменить» старение организма ученые пока не могут, но делают все возможное, чтобы продлить жизнь человека. В том числе борются со старческой деменцией и ее самой распространенной причиной — болезнью Альцгеймера.

Лучше изучив бета-амилоидные пептиды, ученые смогут разработать инновационные препараты для лечения болезни. Это может подарить миллионам людей шанс пронести свои воспоминания через всю жизнь.

Предупрежден — значит вооружен

Вовремя поставленный диагноз может спасти человеку жизнь. В Институте биомедицинской химии имени В. Н. Ореховича для развития превентивной диагностики в 2020 году создали установку «Авогадро». Это единственный в России комплекс молекулярных детекторов, которые позволяют исследовать биосистему на уровне единичных молекул и определять их свойства. Причем важно то, что с помощью «Авогадро» можно изучать не только клеточные структуры, но и вирусы.

Так, установка позволяет исследовать механизмы социально-значимых заболеваний — к ним относятся туберкулез, гепатит типа B и С, вирус иммунодефицита человека, сахарный диабет и другие болезни.

Дело в том, что существующие методы диагностики позволяют обнаружить социально-значимые заболевания тогда, когда в микролитре крови есть, как правило, миллионы, а то и миллиарды белков — молекул-маркеров. К этому моменту уже могут начать проявляться клинические симптомы. На ранней же стадии болезни в крови находятся лишь единичные биомолекулы — предвестники заболевания. Возможность узнать об их наличии может в корне изменить профилактическую медицину и создать новые подходы к профилактике социально-значимых болезней.

Например, ученые исследовали кровь условно здоровых пациентов и людей с онкологическими, инфекционными и другими заболеваниями. Так, они смогли определить группу белков, которые формируют в крови своеобразный референс — норму для здорового человека. И в случае, если анализы покажут отклонение от нее, пациенту нужно будет скорректировать образ жизни, питание и другие привычки — это позволит предупредить развитие болезни.

С помощью установки также научились создавать молекулярные портреты. Так называют набор белков и нуклеиновых кислот — биомакромолекул, которые содержатся в крови человека. Результаты исследования были опубликованы в апреле 2023 года. 

В будущем на основе полученных данных можно создать высокочувствительные тест-системы, которые будут находить патологии в организме еще на ранней стадии.

Остановить глобальное потепление

Другая проблема, волнующая весь мир, это глобальное потепление, которое уже дало о себе знать в Арктике и Сибири. По данным Гидрометцентра России, среднегодовая температура поверхности — суши и океана — в Арктике с 1979 по 2019 год увеличилась на 3,1 °C. Кроме того, из-за потепления тает многолетняя мерзлота. Которая, в свою очередь, скрывает в себе еще одну угрозу — запасенный метан, который начинает выделяться и отравлять воздух.

Уже сейчас в России создается система фонового мониторинга вечной мерзлоты — ее планируют запустить до конца 2025 года. Она охватит территорию вплоть до южных границ вечной мерзлоты в Алтайском крае. Такая система позволит оценивать выбросы парниковых газов от таяния мерзлоты и прогнозировать изменения климата.

Также, чтобы контролировать состав воздуха в Сибири и в полярных районах, в 2010 году российские ученые создали самолет-лабораторию Ту-134 «Оптик». На нем установлены средства дистанционного зондирования, в том числе лидары и спектрофотометры. С их помощью ученые ищут источники вредоносных примесей, утечки газа и нефтепродуктов, а также следят за состоянием воздуха в городах и природных районах.

В 2022 году «Оптик» принял участие в Арктическом эксперименте. К нему присоединилось научно-исследовательское судно «Академик Мстислав Келдыш». С их помощью ученые изучили районы Карского и Баренцева морей — по маршруту следования в Мурманск. И исследователи обнаружили здесь новый источник метана — вредоносное вещество выделялось из болот у берегов Карского моря. Теперь специалисты контролируют этот район и регулярно проверяют, сколько содержится метана в воздухе над ним.

Такие выбросы метана — не редкость. В нынешнем году на дне Баренцева моря ученые нашли метановый вулкан, а в 2019-м обнаружили рекордный выброс этого газа в Восточно-Сибирском море.

К работе «Оптика» подключены и биологи Государственного научного центра вирусологии и биотехнологии «Вектор». Они выяснили, что в воздухе на высоте до 11 км находятся микробы, бактерии, вирусы и грибы в «замороженном» состоянии, которые могут сохранять жизнеспособность.

Другое направление исследований — измерение выбросов углекислого газа. Загрязнение природы им связано с деятельностью человека — это уже не секрет для ученых. Сейчас они отмечают рост концентрации СО² в северных районах даже в нижних слоях тропосферы — на высоте до нескольких километров. На такие изменения впервые обратили внимание еще в 2005 году. При этом сейчас исследователи полагают, что углекислого газа настолько много в воздухе Сибири, что леса уже подошли к своему пределу возможности его поглощения. 

Самолет-лаборатория помогает вовремя узнавать об изменениях в атмосфере на севере нашей страны и, конечно, оценивать эти загрязнения, искать их источники, следить за динамикой. Исследования лаборатории «Оптик» помогают понять, какие есть риски для ведения хозяйства в Арктике и Сибири и предотвращать их.

В поисках новых галактик

На изучении и спасении нашей планеты ученые не останавливаются. Они стараются также заглянуть за границы Млечного пути. И изучать нашу Вселенную можно, даже оставаясь на Земле. В этом специалистам помогает в том числе оборудование Специальной астрофизической обсерватории РАН (САО РАН) — она находится на Северном Кавказе.

Здесь создана уникальная научная установка «Большой телескоп альт-азимутальный» (БТА) с диаметром зеркала 6 метров. Это самый крупный в Евразии оптический телескоп, с помощью которого можно наблюдать за астрономическими объектами в Метагалактике: не только более близкими, как Солнце, но и далекими — радиогалактиками, то есть системами с мощным радиоизлучением, и квазарами — одними из самых ярких внегалактических объектов Вселенной.

Высокое разрешение, возможность улавливать радиоволны частотой до 30 ГГц и другие особенности телескопа позволяют исследовать космические объекты и микроволновое излучение на таком уровне, который не в состоянии обеспечить даже специализированные космические аппараты.

Другая установка САО РАН — радиотелескоп РАТАН-600 с метровым зеркалом — дополняет исследования своего напарника-рекордсмена. С его помощью исследователи проводят длительные мониторинги радиоволн, которые исходят от космических тел.

Все это открывает новые возможности в анализе активных галактик, звездных систем, их ядер, в том числе квазаров и блазаров — разновидностей активных ядер галактик, в которых скрываются сверхмассивные черные дыры, а также многих других объектов, разбросанных во Вселенной.

Например, с помощью этих установок исследователи уже обнаружили близкую к нам карликовую галактику, в которой содержится рекордно низкое количество тяжелых химических элементов. Ее назвали «спрятанной» (Peekaboo). Это связано с тем, что раньше ученые разбивали ее на отдельные звезды, так как при наблюдении через телескоп Хаббла галактика скрывалась в ореоле яркой звезды.

Новый взгляд на производство

Еще одна разработка российских ученых — это станция EXAFS (англ. extended X-ray absorption fine structure — протяженная тонкая структура рентгеновского спектра поглощения). Она была создана еще в 2001 году в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения СО РАН и с тех пор помогает ученым разрабатывать новые технологии для производства и других сфер.

Синхротронное излучение (СИ) позволяет проводить исследования в самых разных областях: от медицины до самолетостроения, изучая атомарное строение объектов без нарушения целостности исследуемых образцов.

В 2022 году был запущен проект по расширению возможностей станции. После завершения плана по модернизации с помощью станция EXAFS ученые смогут проводить новые исследования в области катализа, экологически безопасной энергетики и фундаментальной медицины. Важно, что с установкой будут работать и студенты при подготовке курсовых и дипломных работ.

Обновленная установка, в том числе позволит изучать катализаторы для крупных производств, таких как синтез аммиака и метанола.

В будущем совместно с Центром компетенций Национальной технологической инициативы на оборудовании также будут проводить диагностику инженерных и конструкционных материалов для элементов укрепительных сооружений и других построек, а также деталей для машин. К 2025 году станцию планируют перенести на строящийся Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ).

Уникальные научные установки созданы в рамках федерального проекта «Развитие масштабных научных и научно-технологических проектов по приоритетным исследовательским направлениям» национального проекта «Наука и университеты». Они помогут получить новые научные знания и ответить на вызовы мирового уровня.

CC BY-SA 4.0 / Alexxx1979 / Arkhyz. Large Altazimuth Telescope (BTA-6) P5110576 2350 (изображение кадрировано)