ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЙ СРЕЗ И ПРИКЛАДНОЙ МАСШТАБ

Российская академическая наука в докладах форума

Продолжение. Начало в № 27–28

Основная часть доклада академика В.А. Черешнева (Москва — Екатеринбург) «Системный подход в биологии и медицине» была посвящена частному случаю системности как черты познания — изучению ВИЧ-инфекции и поиску способов борьбы с ней. За почти 30 лет, прошедших с момента осознания ее планетарной опасности, радикально проблема так и не решена. Единственное крупное достижение медиков на этом фронте пока заключается в том, что инфицированные женщины получили возможность производить на свет здоровое потомство. Доказано, что вирус ВИЧ имеет естественную природу, возник в начале XX в. у африканских обезьян, а для человека стал опасен в 1930-е гг. 

В.А. Черешнев обрисовал эволюцию, пути и современную картину распространения основных типов вируса. Сегодня в России 640 тыс. официально зарегистрированных больных, в мире — 40 миллионов (большинство — на территории Африки). Распространяется данный вирус в тесной корреляции с вирусами туберкулеза и некоторых других заболеваний — в этом также прослеживается системность, как и в исследованиях процесса заражения организма, воздействия вируса на зараженный организм, как и в поиске лекарственных препаратов и других средств уничтожения вируса. В докладе были представлены генетическая организация вируса ВИЧ, процесс его репликации, стадии инфекционного процесса, подробно говорилось о том, что происходит в зараженных клетках, о системных нарушениях защитных сил организма при ВИЧ-инфекции. Интересно, что приблизительно 1% европейцев (северяне, например, в России — поморы) невосприимчивы к этому заболеванию. Причины этого явления сейчас активно изучаются. Актуально в нашей стране и использование иммунологами (докладчиком и его коллегами) математического моделирования под влиянием опубликованных еще в 1980-е гг. работ Г.И. Марчука (собравшиеся приветствовали находившегося в зале легендарного академика) и его ученика Г.А. Бочарова. Уже 10 лет сотрудники Института иммунологии и физиологии совместно с математиками занимаются математическим моделированием иммунного ответа организма — реакции на ВИЧ. Созданы и геометрическая, и трехмерная модели лимфоузла, что поможет и в разработке препаратов, и в обеспечении их адресной доставки.

Академик В.Н. Большаков (Екатеринбург) свой доклад «Роль уральских ученых в развитии популяционной и эволюционной экологии» начал с экскурса в историю возглавляемого им Института экологии растений и животных УрО РАН, ранее Института биологии Уральского филиала АН СССР. В середине XX века, в мрачные для отечественной биологии годы основатель института Василий Иванович Патрушев и его сотрудники не раз подвергались необоснованным гонениям (когда лженаукой объявлялись, например, исследования иммунологии крупного рогатого скота). И все-таки институт выжил, а началом международной известности он обязан Станиславу Семеновичу Шварцу (1919–1976). Благодаря его усилиям на директорском посту в 1964 г. в стране, в Академии наук появился первый институт экологического профиля. На Урале возникла своя биологическая школа, которую В.Н. Большаков охарактеризовал как плеяду выдающихся ученых, каждый из которых был яркой личностью: С.С. Шварц, П.Л. Горчаковский, Н.В. Тимофеев-Ресовский, С.А. Мамаев, Б.П. Колесников. 

Едва вышла в свет (и вскоре была переведена на английский язык) первая обобщающая монография С.С. Шварца «Эволюционная экология животных», как его научные результаты приветствовало мировое научное сообщество — было положено начало новому направлению в науке. Тогда же в Свердловске начал выходить журнал «Экология». Популяционная экология стала «визитной карточкой», ведущей темой ИЭРиЖ. Работы С.С. Шварца и его последователей утвердили понятие о популяционной структуре как о главном условии существования любого биологического вида. Докладчик показал, как популяционная экология на практике способствует спасению редких видов животных, развитию охотничьих хозяйств. В применении к растениям разработанное П.Л. Горчаковским районирование в соответствии с ландшафтными особенностями используется в сельском и лесном хозяйстве. Весомый вклад в науку вносят также такие направления, как радиоэкология и промышленная экология, в особенности актуальные для Урала. В целом же  фундаментальные исследования и прикладные разработки ИЭРиЖ УрО РАН признаны и используются далеко за пределами региона.

Академик В.Н. Пармон (Новосибирск, на фото выше) представил доклад «Химический катализ — сплав науки и практики». Катализационные материалы и катализационные технологии — структурообразующий и инновационный базис химической промышленности; сегодня до 90% всех химических технологий использует катализаторы. До 12–15% ВВП России производится с применением каталитических технологий, а в США, где доля глубокой переработки сырья гораздо выше, эта цифра достигает 30–35%. Хотя затраты на разработку катализаторов достаточно велики, их применение способно приносить быструю и ощутимую прибыль. Валентин Николаевич привел пример разработки катализатора для производства высокооктанового бензина — каждый рубль бюджетных вложений принес 17 рублей дополнительной прибыли производителям. Каталитические технологии становятся не только показателями промышленного развития, но и ценными ноу-хау; сегодня список стран, имеющих ядерное оружие, гораздо шире списка производителей современных каталитических материалов. Коснувшись целого ряда разработок для отечественной промышленности (производство дизельного топлива стандарта «Евро-5», полиолефилинов, включая сверхвысокомолекулярный полиэтилен, азотной кислоты, маргарина и т.д), докладчик перешел к проблемам, находящимся не просто на «переднем крае», а буквально на самой кромке технологического прорыва — наноструктурированному катализатору на основе искусственного углеродного материала сибунита с моноразмерными порами и твердостью керамики, аэрогелю (прозрачному материалу втрое легче пробки, использованному при строительстве большого адронного коллайдера и МКС). К сожалению, далеко еще не все разработки Института катализа СО РАН наша промышленность готова использовать так же активно, как нефтепереработка…

Академик А.Р. Хохлов (Москва, на фото выше) выступил с докладом «Самоорганизация с образованием наноструктур в полимерных структурах». Если на заре химии полимеров, в 1930-е гг. она рассматривалась как наука об определенном классе конструкционных материалов (резины, пленки, пластмассы и т.д.), то примерно с 1980-х интерес ученых отчетливо смещается к функциональным свойствам полимеров (суперабсорбенты, проводящие полимеры), а сейчас мы переходим к так называемым «умным полимерам». Фундаментальным свойством полимеров является самоорганизация, или «обедненная энтропия», — ведь каждый входящий в их состав мономер может быть связан с соседними звеньями цепи очень ограниченным числом способов. Природная самоорганизация привела к созданию сложнейших биополимеров (ДНК, РНК, белков, полисахаридов), которые являются основой живой клетки. Поэтому сегодня наука берет на вооружение биомиметический подход — реализацию принципов функционирования биополимеров в инженерных системах, собственно то, что называется дизайном полимерных структур. В отличие от экспериментально создаваемых полимеров, в этом случае мы можем заранее задавать их свойства и рассчитывать условия синтеза таких веществ. Особенно это важно, когда речь идет об «умных полимерах», меняющих свои свойства-функции при изменениях внешних условий. Тезисы доклада были проиллюстрированы примерами разработки мембран для топливных элементов и синтеза структурированных магнитных эластомеров.

Лауреат Демидовской премии академик О.Н. Чупахин (Екатеринбург) в обзорном докладе «Современные тенденции в органическом синтезе» отметил, что сегодня органический синтез — сердце химии, поэтому влияние его на нашу жизнь трудно переоценить. Он «многообразен и всемогущ», базируется на эвристическом подходе, сочетая научный анализ и «почти эстетический дизайн целей». О его роли говорит тот факт, что из 160 лауреатов Нобелевской премии 83 ученых так или иначе связаны с органической химией. Коснувшись синтеза хиральных (с асимметричной структурой, лево- и правовращательных) веществ, Олег Николаевич отметил, что современная фармакопея уже настоятельно требует энантиомерно чистых веществ. Главным же содержанием доклада стал обзор основных отечественных научных школ органического синтеза, построенный по географическому признаку, — от Москвы до Владивостока. Для студентов и преподавателей, присутствовавших в зале, лекция была поистине бесценна: ясное и в высшей степени профессиональное изложение всех основных направлений отечественного оргсинтеза дает хорошую возможность сориентироваться в этой многообразной области науки.

Академик В.И. Минкин (Ростов-на-Дону) в докладе «Теоретическое моделирование и компьютерный дизайн молекулярных и наноразмерных структур» обратил внимание собравшихся на важность теоретического моделирования в современной химии, в частности, на подходы квантовой химии к проектированию веществ с заранее заданными свойствами. Кратко напомнив слушателям суть метода Хартри-Фока, докладчик привел впечатляющие примеры расчета внутримолекулярных связей, позволяющих создавать наноструктуры с уникальными свойствами. Это и так называемый «декорированный графен», у которого края мономолекулярной пленки «закрыты» присоединенными атомами бора или бериллия, и «борные кольца», у которых в наведенном поле внутреннее кольцо вращается строго в одну сторону — прообраз молекулярного мотора, и графан — самый устойчивый из СН материалов. Суть квантовохимических исследований состоит в расчете энергетических барьеров, позволяющих (или не дающих) конкретному электрону покинуть орбиту; силой связи можно управлять, меняя кулоновские и связевые потенциалы присоединением к исследуемой молекуле атомов другого вещества. Однако химикам требуются и специфические методы расчета, и высокая мощность вычислительных систем, во многих случаях превосходящая возможности современных суперкомпьютеров. Если аэродинамика современных авиалайнеров создается уже математически, а не в аэродинамической трубе, то для химических вычислений этой мощности недостаточно. При всей быстроте прогресса суперкомпьютер, способный рассчитать репродуктивный цикл бактерии E. Coli, появится не ранее 2050 года.

Доклад профессора Гарольда Ойе (Трондхейм, Норвегия), посвященный алюминиевому электролизу, шел на английском языке с синхронным переводом. Автор остановился на истории промышленного получения алюминия, совершенствовании технологии и пришел к выводу, что со времени Холла и Эру, разработавших в 1886 г. процесс электролиза в расплаве фторида, радикальных новшеств не появилось. Из наиболее прогрессивных новаций он отметил процесс сухой газоочистки, позволивший резко сократить техногенную нагрузку на окружающую территорию. Благодаря непрерывному мониторингу содержания фтора в воздухе и совершенствованию систем охраны труда производство становится современным. Однако для него по-прежнему характерны высокие энергозатраты, делающие до 30% предприятий экономически неэффективными. Меняется структура потребления металла: алюминий уходит из авиации, когда-то бывшей основным его потребителем. Готовый металл легко можно хранить на открытой площадке длительное время, в мире накоплен огромный резерв алюминия, и цена продолжает снижаться. Положение отчасти спасает китайский рынок, потребляющий сейчас до 45% мирового производства. Однако власти этой страны приняли жесткую программу модернизации своих мощностей, планомерно выводя старые ванны и заменяя их новыми (с более высоким током выплавки и рельефными катодами), что должно дать существенное снижение энергоемкости. Не исключено, что через какое-то время и сам Китай превратится в экспортера металла, что еще больше снизит мировые цены.

Доклад «О современных тенденциях в теории управления» академик А.Б. Куржанский (Москва) начал с заключения о сегодняшнем состоянии этой научной дисциплины. Если прежде теория управления в целом опережала потребности инженерной практики, то сейчас в технологически развитых странах, прежде всего в США, практических задач значительно больше, чем разработанных решений.  Далее речь пошла об особенностях этих задач в XXI веке. На повестке дня — такие требования, как автоматизация «всего, что возможно, и даже того, что не нужно», превращение математики в язык естествознания и новых технологий и т.д. Докладчик ознакомил аудиторию с принципами аналитической механики как языка для моделирования движения и с методами управления этим движением.

В теории управления в приложении к любому движению фундаментальным является понятие обратной связи при измерениях в изучаемой системе. Актуальна также проблема достижимости («откуда и куда нужно попасть движущемуся объекту»). Здесь велик вклад академика Н.Н. Красовского, заложенные им направления исследований сейчас активно развиваются. Особенно это важно для решения задач навигации, а также регулирования в гибридных системах. Общая тенденция — постоянное усложнение процессов, которыми нужно управлять. Таковы процессы автоматизации предприятий, энергетика, транспортные потоки, сетевые структуры и групповое движение, наномасштабные процессы, генная инженерия и т.д. А.Б. Куржанский привел примеры задач, которые решают его ученики в МГУ, а также коллеги в ИММ УрО РАН и подчеркнул, что России хорошо бы самой производить необходимую для этого вычислительную технику. О принципах решения задач по групповому управлению академик образно выразился так: «Мелодия та же — но ее должен играть уже не оркестр, а большой оркестр», то есть на первый план выступает требование системности в современных исследованиях. Приведя немало примеров практических задач, в заключение докладчик подробно рассмотрел проекты борьбы с автомобильными пробками — эту проблему, сегодня касающуюся буквально каждого горожанина, также помогает решить математическая теория управления.

«Три аспекта исследования жизни: инвентаризация, классификация, организация» — так озаглавил свой доклад лауреат научной Демидовской премии академик Ю.Н. Журавлев (Владивосток). Начав с принципиальных замечаний об истории познания в биологии, он далее подробно остановился на исследованиях генома, организации генов в ДНК, дал сравнительную характеристику белков животных и растений с точки зрения структуры генома и показал отличия жизненных процессов растения и животного, что имеет первостепенное значение для различных биотехнологий. 

В настоящее время успехи биотехнологии в применении к животным не столь очевидны, как в мире растений. Достижением можно назвать успешную пересадку ядра из одной клетки в другую (правда, пока на крупных животных эта операция не реализована). Но, строго говоря, развивающиеся из такой клетки организмы являются не клонами, а соматическими гибридами. Другой способ — на пути к клонированию оперировать не ядрами, а клетками, клеточными структурами. Так, например, клетки раневой ткани (образующейся при заживлении ран) видоизменяются в зависимости от потребности организма в том или ином их виде. Завершая обзор исследований, Ю.Н. Журавлев напомнил о тревожной тенденции к уменьшению видового разнообразия на Земле и о проблеме естественного или искусственного «улучшения» человека: что делается, что достигнуто и, главное, хорошо ли это на самом деле? «Нам лишь кажется, что мы улучшаем качество жизни, — подчеркнул академик. — Сможет ли жизнь победить (вследствие такого «улучшения» — ред.) самое себя — я не знаю…».

Обзор подготовили

А. ЯКУБОВСКИЙ, Е. ИЗВАРИНА

Фото С. НОВИКОВА