ДЕМИДОВСКИЕ ЛЕКЦИИ – 2014

Как мы уже сообщали, 29 января в Уральском федеральном университете трое лауреатов научной Демидовской премии 2013 года, выдающиеся ученые современности, прочли фирменные «демидовские» лекции по своим отраслям знаний. Предлагаем их краткое изложение.
ТЕОРИЯ НУМЕРАЦИЙ: ОТ ПРОСТОГО К СВЕРХСЛОЖНОМУ
Признанный лидер сибирской школы алгебры и логики академик Юрий Леонидович Ершов (Новосибирск, Институт математики им. С.А. Соболева СО РАН) выбрал темой для своей демидовской лекции теорию нумераций по двум причинам. Во-первых, ради философского введения, которое более ценно, нежели техническое содержание. И, во-вторых, сама история появления теории нумераций показывает, как, начав с простейших вещей, можно прийти к ответам на более глубокие вопросы.
Все мы знаем, какую роль сегодня в нашей жизни играют компьютеры. Основная заслуга в создании ЭВМ принадлежит ученым, начинавшим свою деятельность в области математической логики: Алану Тьюрингу, Джону фон Нейману и Норберту Винеру. Математическая логика возникла как ответ на внутреннее развитие самой математики, в основании которой на рубеже XIX–XX веков были обнаружены противоречия. На втором международном конгрессе в Париже Давид Гильберт предложил знаменитый список из 23 проблем, решение которых будет способствовать прогрессу в математике. Десятая проблема относилась к теории чисел и ставила вопрос о наличии способа, позволяющего определить разрешимость диофантова уравнения с произвольными неизвестными и целыми рациональными числовыми коэффициентами. Для того чтобы доказать, что алгоритма решения не существует, нужно было иметь формализованное определение понятия «алгоритм». Специалисты по математической логике предложили сразу несколько различных вариантов. Одним из них была машина Тьюринга — абстрактная машина, способная считывать и записывать символы в ячейки на ленте. Это был теоретический прообраз ЭВМ.Оказалось, что все предложенные определения алгоритма описывают один и тот же класс вычислимых функций, который когда-то назывался частично рекурсивными функциями. Сейчас термин сменили на более верный — вычислимые и частично вычислимые функции. Они относятся к функциям натуральных чисел, но могут отображать и другие объекты. Вопрос состоял в следующем: можно ли расширить область применения понятия вычислимости? Идею систематически изучать нумерации первым предложил русский математик Андрей Николаевич Колмогоров, который реализовывал ее совместно с Владимиром Андреевичем Успенским. Если есть множество S, то нумерация — это такое отображение S, что каждый элемент имеет, по крайней мере, один нумер. У теории нумерации три источника: теорема Курта Геделя о неполноте, теория вычислимых нумераций и теория конструктивных моделей. Позднее академик Анатолий Иванович Мальцев опубликовал в «Успехах математических наук» обзорную статью, в которой объединил существовавшие подходы к теории нумераций и сформулировал некую общую программу.
Дальнейшее развитие теории нумераций связывается с введением группой Бурбаки в математику структур. У нас есть два конечных множества, и мы рассматриваем семейство всех нумераций одного множества и семейство всех нумераций другого множества. Для них есть частичный порядок или предпорядок. Исходя из этого, мы получаем две верхних полурешетки. Не будут ли они изоморфны между собой, не будут ли они с математической точки зрения совпадать? Вопрос назван наивным. Но неожиданность состоит в том, что для любых двух логичных множеств, каждое из которых содержит не менее двух элементов, эти решетки изоморфны. Для доказательства этого результата потребовалась опора на все предыдущие достижения математики.

ОПРОВЕРГАЯ ДОГМЫ
Академик Александр Сергеевич Спирин (Пущино, Институт белка РАН) свою лекцию «Рибосома и принципы работы молекулярных наномашин» начал с краткого экскурса в историю молекулярной биологии. Событие, давшее старт новой науке, — это открытие дезоксирибонуклеиновой кислоты как носителя генетической информации. Следующий этап связан с открытием механизма наследственности. В 1953 году англичане Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик определили структуру ДНК, представляющую собой двойную спираль. Если ее расправить, то образуются две нити, полностью идентичные друг другу и копирующие материнскую структуру. Таким образом, соединение устроено так, что способно воспроизводить само себя. К тому времени уже было известно, что ген определяет в клетке синтезы всех прочих веществ, но сама ДНК в этих событиях не участвует. Этим занимается другая нуклеиновая кислота — РНК, образующаяся на матрице ДНК. Именно РНК участвует в основном метаболическом процессе клетки — синтезе белков. За счет взаимодействия смежных участков внутри себя рибонуклеиновая кислота формируют компактные структуры, выступающие основой для синтезирующих белок наномашин — рибосом. Они у всех организмов устроены одинаково и состоят из двух субъединиц: большой и малой. Между ними существует сложный проход, через который перемещается кодирующая лента, копия генов. Малая субъединица расшифровывает генетический код, большая же занимается непосредственно синтезом белка. На основании этих данных сразу после раскрытия структуры ДНК Фрэнсис Крик опубликовал статью под названием «Центральные догмы молекулярной биологии», в которой сформулировал обобщающий принцип реализации генетической информации, ее передачи от нуклеиновых кислот к белку.
В 1957 году Александр Сергеевич Спирин начал свою работу в лаборатории одного из основоположников молекулярной биологии в нашей стране Андрея Николаевича Белозерского. В журнале «Биохимия» были опубликованы первые результаты их совместного исследования нуклеотидного состава более 20 видов бактерий. Ученые определили индекс разнообразия ДНК и РНК. Корреляции между составами различных видов показали, что на фоне больших вариаций ДНК вариации РНК маленькие, но с положительной корреляцией существует определенная регрессия. Это было первое указание на то, что белки кодирует не рибосома, а специальная матричная РНК, или мРНК. Таким образом, Фрэнсису Крику и всем молекулярным биологам пришлось пересмотреть сложившуюся схему. Было показано, что синтез белков происходит с участием трех РНК — рибосомной РНК, мРНК и тРНК. Последняя занимается транспортировкой аминокислот к месту синтеза белка.
Итак, рибосома осуществляет два сопряженных процесса молекулярного транспорта: прогон компактных молекул тРНК через межсубъединичный канал и протягивание сетей мРНК. Находясь на конференции в Америке, Александр Сергеевич задался вопросом, как это все может происходить без подвижности самой рибосомы? Для того чтобы пропускать через себя поток аминоацил-тРНК и ведомую матрицу от одного конца к другому, у рибосомы должны быть некоторые подвижные части. Ученый предложил так называемые блоки смыкания и размыкания. Чтобы доказать их наличие, потребовалось много времени и сил. Существенную помощь в подтверждении гипотезы оказали эксперименты на реакторе в Гренобле, когда путем диффузного рассеивания нейтронов удалось найти небольшую, но статистически достоверную разницу между рибосомой до связывания аминоацил-тРНК и после. Потом уже в других лабораториях было открыто, что вообще все части рибосомы постоянно и беспорядочно движутся. При этом на нее интенсивно воздействует и броуновское движение в окружающей среде. Как в этих условиях наномашине удается направлено перемещаться вдоль цепи мРНК? В 2009 годы Спирин обнаружил, что направленность достигается за счет отбора тепловых движений, разрешающего движение в одном направлении и запрещающего в другом. Именно это открытие позволило ученому сформулировать наиболее полную концепцию работы рибосомы.

ЭКОЛОГИЯ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ
Свою лекцию «Основные направления и пути решения проблем комплексного освоения и сохранения недр Земли» академик Климент Николаевич Трубецкой (Москва, Институт проблем комплексного освоения недр РАН) посвятил тому, как сочетать заботу о природе с развитием горнодобывающей промышленности. Ясно, что это трудновыполнимая задача. Добыче сопутствуют образование и накопление твердых отходов, возникновение полостей и пустот в недрах, изменение состояния массивов, нарушение режима подземных и поверхностных вод, деформация самой земной поверхности. Нарастающий технологический прессинг на природные экосистемы приводит к их быстрому и часто необратимому разрушению, принимающему глобальный масштаб. Парадоксальность ситуации заключается в том, что деградация природы происходит на фоне быстрорастущих финансовых и энергетических расходов человечества на ее охрану. Но в какой бы степени ни были исчерпаны недра, сопоставимых альтернатив добыче полезных ископаемых сегодня и в обозримом будущем нет. Наблюдаемый за последние столетия резкий демографический взлет стал возможным только в условиях еще более быстрого расширения производства материальных благ, что сопровождается увеличением спроса на минеральное сырье. Так, за последние 60 лет население Земли росло примерно на 4,6% в год, а добыча полезных ископаемых на каждого жителя планеты — от 12,5% до 20% в год. И от того, каким образом будет организована горнодобывающая промышленность, подвергнется ли она модернизации, зависит сохранение подвижного равновесия в природной среде, сложившегося за геологические периоды развития планеты.
Начиная со второй половины XIX века Россия была и остается крупнейшей минерально-сырьевой державой. Доля экспорта продукции вне зависимости от социально-политического устройства и территориальных масштабов страны в разные периоды составляла не менее 50%. Сегодня на Россию приходится 17% от общемирового сырьевого баланса. Но за это положение приходиться платить. К 2009 году в отвалах и хвостохранилищах накоплено свыше ста миллиардов тонн отходов, что наносит вред окружающей среде и препятствует рациональному землепользованию. Ежегодно к этой цифре прибавляется еще около четырех миллиардов. Вместе с тем значительная часть отходов может оцениваться как техногенные месторождения — источник сырья для получения металлов, строительных материалов, удобрений, химической продукции. За последние годы также наблюдается общее ухудшение состояния минерально-сырьевого комплекса России: снижается качество полезных ископаемых, отдельные их виды не воспроизводятся, усложняются условия освоения месторождений. Сохранение этого состояния, а также пагубное влияние целого ряда экономических факторов резко снижает потенциал развития российской горной промышленности и конкурентоспособность ее продукции на мировом рынке.
В этих условиях особое значение приобретают комплексное освоение и сохранение недр на основе принципов малоотходности, ресурсосбережения и ресурсовоспроизводства, а также создание новых горнотехнических систем с освоением и утилизацией всех георесурсов в замкнутом технологическом цикле. За счет использования этих технологий происходят экономия земельных и водных ресурсов, наиболее полное освоение недр, сокращение до минимумов выбросов вредных пылегазовых веществ в атмосферу и сбросов карьерных и рудничных вод в близлежащие или отдаленные водоемы. Сегодня предложенные геотехнологии успешно применяются на Жезказганском и Наталкинском месторождениях, Учалинском, Оленегорском, Лебединском и Михайловском ГОКах.
Но главный неиспользованный на сегодня резерв для модернизации горнодобывающей промышленности — это создание технологии безлюдной выемки полезных ископаемых. В середине прошлого века об этом очень много говорили, это была мечта всех горняков, но тогда она так и не осуществилась. Сегодня же такие технологии уже становятся реальностью. В прошлом году после двух лет рассмотрения был получен грант от фонда «Сколково» на разработку роботизированной горной техники: экскаваторов, погрузчиков, автосамосвалов и др. За этим направлением сейчас будущее всех горных наук.

Подготовил Павел КИЕВ
Фото С. НОВИКОВА