О ФУНДАМЕНТАЛЬНОМ И ПРИКЛАДНОМ

 

Лауреат медали им. В.П. Макеева академик Э.С. Горкунов (Институт машиноведения, Екатеринбург) представил обзор исследований в области магнитного структурно-фазового анализа сталей и сплавов. Виктор Петрович Макеев (1924–1985) — академик АН СССР,  основатель отечественной школы морского стратегического ракетостроения, генеральный конструктор КБ машиностроения в Миассе (ныне Государственный ракетный центр, который носит его имя и с которым уральских академических ученых связывает давнее сотрудничество).

Отметив, что магнетизм — основополагающее свойство материи, Эдуард Степанович Горкунов изобразил свое научное направление в виде дерева, корни которого — физическое материаловедение,  физика магнитных явлений, механика деформируемого тела, научное приборостроение, а ствол — магнитный структурно-фазовый анализ, который имеет крупные ответвления, а также множество «листочков». Докладчик остановился на нескольких проблемах, которые уральские ученые решают с использованием методов неразрушающего контроля, позволяющих по известным магнитным свойствам определить фазовый состав, структуру и прочностные характеристики изделий и элементов конструкций после различных упрочняющих обработок, а также их возможную деградацию в ходе эксплуатации.

Сегодня на порядок ужесточились технические требования к качеству металла труб магистральных трубопроводов, которые часто прокладываются в зонах тектонических разломов или на большой глубине по дну морей. Так, например, на Штокмановском газоконденсатном месторождении в Баренцевом море газ будет добываться по уникальной технологии с самоходного технологического судна и транспортироваться по подводному двухниточному газопроводу длиной 550 км, трубы которого должны обладать исключительной прочностью. Специалисты Института машиноведения УрО РАН совместно с коллегами из Института физики прочности и материаловедения и Института теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН, а также из Института металлургии УрО РАН проводят исследования, направленные на повышение прочности, трещиностойкости и других характеристик труб, обеспечение безаварийной работы трубопроводного транспорта, увеличение производительности и сроков службы оборудования трубных заводов.

Большинство техногенных аварий в северных регионах происходят из-за низкого качества сварных швов. Специалисты в области магнитного структурно-фазового анализа исследуют возможности повышения качества  сварных труб и разрабатывают методы неразрушающего контроля хладноломкости.

Ученые Института машиноведения продолжают активно сотрудничать с ГРЦ им. В.П. Макеева, разрабатывая методику новых контрольных испытаний для оценки ресурса материала элементов конструкций баллистических ракет подводных лодок с целью продления сроков их безопасного  хранения и эксплуатации свыше гарантийных. Еще одна задача — разработка бортового комплекса управления скрытностью подводных объектов за счет активного управления их физическими полями. С момента окончания Второй мировой войны чувствительность магнитных средств обнаружения и управления минным оружием возросла в 1000 раз, а эффективность методов магнитной защиты — лишь в 3 раза. Защита подводных объектов по магнитному полю особенно актуальна для Арктики, где из-за ледяного покрова неэффективны средства обнаружения и управления минным оружием по другим физическим полям.

 

Спинтронике и наномагнетизму — главным трендам физики магнитных явлений XXI века — был посвящен доклад академика В.В. Устинова (Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург) лауреата медали имени М.Н. Михеева (Михаил Николаевич Михеев (1905–1989) — член-корреспондент АН СССР, крупный специалист в области физики металлов, первый директор одноименного института, который он возглавлял с небольшими перерывами больше 60 лет).

Кратко остановившись на истории изучения магнитных явлений и упомянув классическую работу академика С.В. Вонсовского по этой тематике (1971), Владимир Васильевич отметил, что исследователи магнетизма в XX веке имели дело с так называемыми God made materials, т.е. с природными материалами. Дорожная карта магнетизма XXI века основана на Man made materials — искусственных материалах, и главные фигуры на этой карте — Альбер Ферт (Университет Париж-юг XI, Франция) и Петер Грюнберг (Исследовательский центр Юлих, Германия), удостоенные Нобелевской премии по физике (2007) за открытие эффекта гигантского магнитосопротивления в 1988 г. В работе А.Ферта было введено понятие «спиновый  транспорт». Петер Грюнберг — пожалуй, самый богатый физик в мире, автор основных патентов на ГМС-датчики, на которых базируется вся магнитная индустрия. Ученые ИФМ сотрудничают с ним уже несколько десятилетий.

Спинтроника (термин был предложен в 1996 г. Стюартом Вольфом) — раздел квантовой электроники, занимающийся изучением спинового транспорта в твердотельных веществах и гетероструктурах. Спин (происходит от англ. spin — вращение) определяет внутренний момент импульса электрона. Экспериментально доказали существование спина Отто Штерн и Вальтер Герлах, нобелевские лауреаты 1943 г.

К числу Man made materials относятся металлические магнитные наноструктуры, которые получают методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Магнитные наноструктуры широко используются в информатике, благодаря этому многократно возросла плотность записи информации на магнитных носителях. Дальнейший прогресс  в этой области также связан с применением синтетических ферромагнитных материалов. Сейчас уже используется термомагнитная запись, основанная на эффекте гигантского магнитосопротивления.

Базовый элемент спинтроники — спиновый клапан. Спиновые клапаны с гигантским магнитосопротивлением — эффективные  и универсальные сенсоры магнитного поля. Они применяются в считывающих головках,  дефектоскопах, магнитометрах, компасах, спидометрах и многих других устройствах, в охранных системах и робототехнике. Стремительно растет потребность в современных датчиках перемещений. К 2020 году объем мирового рынка этих датчиков, включая датчики магнитного поля и магнито-индуктивные датчики, составит 5,32 млрд долларов при ежегодном темпе роста 9%. С использованием спинтроники связаны и перспективы развития оперативной магнитной памяти и трековой памяти, которые сменят полупроводниковую память.

Академик В.В. Устинов представил нанотехнологический комплекс отдела наноспинтроники Института физики металлов УрО РАН, в состав которого входят 8 лабораторий.  Все технологические установки расположены в герметизационном модуле чистых комнат. Здесь разрабатываются планарные и латеральные нанотехнологии и прототипы новых устройств спинтроники, в частности были созданы широкодиапазонный сенсор магнитного поля, спиновый мазер на электронах проводимости и др.

 

Доктор биологических наук Е.А. Бельский (Институт экологии растений и животных УрО РАН, Екатеринбург) представил доклад «Экологическая токсикология птиц: действующие факторы и эффекты воздействия на уровне особей, популяций и сообществ». Евгений Анатольевич стал лауреатом  медали им. С.С. Шварца (Станислав Семенович Шварц (1919–1976) — академик АН СССР, один из основоположников отечественной популяционной и эволюционной экологии, возглавлявший ИЭРиЖ в 1955–1976 гг.).

Поскольку проблемы загрязнения окружающей среды стали глобальными, возникла потребность в экотоксикологии — междисциплинарном научном направлении, которое изучает токсические эффекты воздействия химических веществ на живые организмы, преимущественно на популяции и биоценозы. В оценке этих эффектов важно использовать классификацию уровней организации живого, предложенную Н.В.Тимофеевым-Ресовским и включающую биосферный, биоценотический, популяционно-видовой, онтогенетический (уровень особи), клеточно-тканевый, молекулярно-генетический уровни.

Выбор птиц в качестве объекта экотоксикологических исследований определяется многими факторами: высокой численностью их популяций, таксономическим и функциональным разнообразием, тем, что они находятся на высших трофических (пищевых) уровнях и отличаются интенсивным метаболизмом, их оседлостью в период размножения и, наконец, удобством наблюдений за ними.

Е.А. Бельский исследовал воздействие на птиц загрязнения тяжелыми металлами и сернистым газом в районе Среднеуральского медеплавильного завода. Тяжелые металлы — основной компонент выбросов предприятий цветной металлургии. Это особая группа токсикантов, поскольку они проникают в трофические цепи.

Были заложены пробные участки на разных расстояниях от источника загрязнения — СУМЗ: на территориях с фоновым уровнем, с умеренным и сильным загрязнением, включая техногенную пустошь, где древостой разрушен. Для птиц определяющее значение имеет концентрация тяжелых металлов в корме. При этом вклад разных кормовых объектов в поступление токсикантов в организм не пропорционален их доле в рационе. Так, например, пауки — очень токсичный корм. Из-за специфики рационов токсическая  нагрузка у разных видов в одном и том же местообитании может быть различной. Модифицирует токсическую нагрузку также вызванное загрязнением изменение химического состава кормовых объектов и структуры рациона.

Как уже говорилось, токсические эффекты важно рассматривать на разных уровнях организации живых организмов. На уровне особи токсическое воздействие проявляется дефицитом кальция, который необходим птицам для построения яичной скорлупы и определяет прочность костной ткани, а также снижением иммунитета, общим ослаблением организма и как следствие паразитарными инвазиями. Так, вблизи СУМЗа доля высохших яиц в кладке достигает 50%, а у птенцов возникают искривления и переломы костей.

На популяционном уровне токсическое воздействие усложняется, становится менее прямым и выражается в смене мест обитаний птиц, в задержке гнездования и соответственно в замедлении сроков размножения, в увеличении доли молодых птиц. Начинает проявляться синергетический эффект: так, на фоновой территории зависимость успеха размножения от доступности источников кальция выражена слабо, а в импактной зоне она резко возрастает, усиленная токсическим воздействием. Докладчик в частности привел данные о величине выводка мухоловки-пеструшки при разной обеспеченности кальцием (раковины моллюсков). На загрязненной территории сильнее выражена и зависимость величины кладки мухоловки-пеструшки от весенних температур.

На уровне биоценозов последствия химического загрязнения носят еще более сложный характер, вступают в действие также не связанные с ним факторы. На загрязненной территории одни виды вытесняются другими, а общевидовое разнообразие может даже увеличиваться. В частности, в окрестностях СУМЗ наблюдается обилие трех видов дуплогнездников — это горихвостка, пеструшка-мухоловка, московка. В целом с повышением уровня организации живого токсическое воздействие становится все более опосредованным.

 

Медаль имени В.В. Парина (Василий Васильевич Парин (1903–1971) — академик АН СССР, выдающийся физиолог, исследовал рефлекторную регуляцию легочного кровообращения, открыл «рефлекс Парина», регулирующий приток крови к сердцу, преподавал в Пермском университете и Свердловском медицинском институте) присуждена академику О.В. Бухарину (Институт клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН,  Оренбург). Свой доклад «Инфекционная симбиология» Олег Валерьевич начал с вопросов: что делают 2–3 кг микробов, которые находятся в организме человека в течение всей его жизни? как им удается сохраниться и каковы их полезные функции? Рассматривая длительное нахождение в организме нормальной (доминантной) микрофлоры как форму симбиоза (если говорить научным языком — явление персистенции), ученые установили, что микробный раздражитель пептидогликан служит «иммунологической мишенью», которую бактерии маскируют, защищают либо просто изолируют от иммунитета хозяина. Так были выявлены механизмы персистенции микробов в процессе взаимодействия с макроорганизмом, а это уже фундаментальный результат, который вошел в университетские учебники для студентов медико-биологического профиля.

Персистентные свойства микробов оказались их «биомишенью», на которую можно воздействовать факторами различной природы, включая лекарства. Изучение регуляторных механизмов персистенции бактерий способствовало определению их биокоммуникативных характеристик, т.е. «беседы» друг с другом. Была создана коллекция штаммов микробов с персистентным потенциалом, которая служит базой для создания новых лекарственных препаратов. Один из таких препаратов «Циклоферон», за разработку которого оренбургские ученые получили Премию Правительства РФ (2004), не только усиливает иммунитет хозяина в борьбе с вирусной инфекцией, но является также профилактическим средством, предупреждающим осложнения гриппа и ОРВИ. Были созданы другие инновационные продукты, в том числе мази для лечения гнойных ран.

В чем заключаются полезные функции доминантной микрофлоры для хозяина?  Оказывается, наши кишечные бактерии приобрели новые для себя ферменты и «дорасщепляют» нашу пищу, т.е. повышают ее энергетическую ценность. Кроме того, бактерии выступают в качестве «биофабрики» витаминов группы В, а анаэробные микробы как детоксиканты выполняют роль второй («запасной») печени.

Но самый важный из последних результатов оренбургских ученых — понимание механизмов защиты хозяина благодаря нормальной микрофлоре, которая определяет патогены на основе микробного распознавания «свой — чужой» и инициирует «сигналинг» регуляции иммунного гомеостаза. И делают это «неприметные труженики» — бифидобактерии.

Исследования биокоммуникативного взаимодействия микросимбионтов с хозяином при инфекции составили основу инфекционной симбиологии — нового научного направления, которое сегодня развивает коллектив Института клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН.

 

Ректор Уральского государственного аграрного университета академик И.М. Донник стала первым в истории лауреатом медали имени Л.К. Эрнста (Лев Константинович Эрнст (1929–2012) — академик ВАСХНИЛ, вице-президент РАСХН, создатель методов моделирования процессов селекции животных с помощью вычислительной техники, один из основоположников сельскохозяйственной биотехнологии). В докладе «Генетические ресурсы сельскохозяйственных животных в условиях стойкого ветеринарного благополучия» Ирина Михайловна обозначила основные (в области ветеринарии) проблемы мясо-молочного животноводства в Уральском федеральном округе. На сегодня за счет отечественного продукта потребности страны в мясе удовлетворяются на 80%, в молоке — на 75%. В таких климатически неблагоприятных зонах, как Урал, процент этот значительно меньше.  То есть по-прежнему насущно необходимы все более приспособленные к местным условиям породы животных и сорта растений.

К 1995 г. был создан и расселен в регионе специально выведенный «уральский тип черно-пестрого скота», оптимально сочетающий в себе устойчивость к заболеваниям с молочной продуктивностью. Сегодня коровы этой породы составляют 80% уральского поголовья. Но потребитель по-прежнему недополучает мяса и молока. При этом пока не удается остановить падение поголовья, особенно в частном секторе сельского хозяйства. С 2000 г. в Свердловской области стабильно увеличивается продуктивность скота, но — и это общемировая печальная тенденция — при этом сокращается срок жизни животных.  В среднем в нашем регионе он составляет 2,7 периода лактации. Основная причина смертности крупного рогатого скота — заболевания, в том числе инфекционные. В последние годы в России относительно благополучно обстоят дела с заболеваемостью ящуром, туберкулезом, бруцеллезом, сальмонеллезом. Однако всем памятна вспышка сибирской язвы на Ямале нынешним летом, большой ущерб наносит и африканская чума свиней. В целях предотвращения распространения вируса эпизоотии сопровождаются ликвидацией и здорового стада. Появляются и новые для страны и региона «привозные» инфекции.

Болезни, а также все время увеличивающееся количество вакцинаций снижают генетически обусловленную естественную сопротивляемость организма животных. Разработки специалистов УГАУ направлены на всемерное поддержание и укрепление иммунной системы сельскохозяйственных пород. В частности, много лет ведется борьба с таким заболеванием, как лейкоз крупного рогатого скота.  Это неизлечимое вирусное онкологическое заболевание, на первых двух стадиях проходящее без выраженных симптомов. В США, например, ветеринары предпочитают бороться с распространением этого заболевания путем скорейшего уничтожения больных особей. Уральские исследователи совершенствуют методики раннего выявления болезни. И сейчас в этом отношении Свердловская область (наряду с Ленинградской и ЯНАО) — самая благополучная в России. В сотрудничестве с польскими коллегами созданы современные тест-системы, одновременно разрабатывался регламент обязательных профилактических мероприятий — в результате достигнуто то самое стойкое ветеринарное благополучие, то есть отсутствие повторной заболеваемости в течение многих лет подряд. Соответственно возрастает продуктивность мясо-молочного стада, бесперебойно работают современные производственные комплексы, повышается качество продукции (не так давно молоко, произведенное в Ирбите, было признано по качеству лучшим в России). Помимо животноводства, успешны также научные разработки УГАУ в области птицеводства и плодового растениеводства.