Российская наука сегодня: ученые рассказали о важнейших исследованиях, идущих в нашей стране

В феврале 2024 года отмечается 300-летие российской науки. Накануне этого значимого юбилея мы поговорили с российскими учеными — они рассказали о самых актуальных исследованиях и научных достижениях нашей страны в самых разных областях.

Масштабный опрос разворачивает широкую, очень пеструю и невероятно интересную картину того, чем живет российская наука прямо сейчас. Конечно, охватить все невозможно, о некоторых исследованиях и открытиях рассказано в других тематических материалах, посвященных Дню российской науки. А если мы все же что-то забыли, пишите об этом в комментариях к статье в соцсетях телеканала!

Мне видится, что наконец у нас заработали исследовательские отделы биотехнологических компаний. То есть отечественная «фарма» отошла от модели создания воспроизведенных препаратов (дженериков) или в лучшем случае «выкупа» чужих молекул, находящихся на ранних этапах разработки. 

Мы начали создавать свои оригинальные препараты самого «высокого» класса наукоемкости — биологические препараты. Уже появилось несколько результатов клинических исследований, касающихся использования оригинальных биологических молекул. Мне кажется, это жизнеспасающие успехи. Как минимум одна из отечественных компаний — BIOCAD — вывела на рынок (а также ведет исследования) несколько биологических высокотехнологичных препаратов, не только для онкологии, но и для иммунологии, системных заболеваний соединительных ткани. И результаты исследований, легших в основу одобрения этих препаратов для клинического применения, публикуются в том числе и в зарубежных изданиях, попадают в систематизированные обзоры наравне с зарубежными препаратами, что для отечественной медицинской науки очень нечастое событие.

Появление реально работающих высокотехнологичных препаратов, не дженериков, не аналогов — это, с моей точки зрения, большой прорыв.

Среди достижений науки и информационных технологий нашей страны я бы отметила создание «ЯндексGPТ», это собственная, российская языковая нейронная сеть, которая в некоторых моментах превосходит ChatGPT. Использование ИИ полезно для всех областей. В психологии нейронные сети нужны для создания стимульного материала — например, картинок и текстов.

Одним из  важных событий в России в сфере наших научных интересов в 2023 году было успешное проведение нейтронозахватной терапии на крупных животных, подтвердивших достаточную эффективность этого кейса. Ценность состоит в том, что на практике демонстрируются возможности и широкие показания к использованию   метода  терапии злокачественных новообразований. Причем уже на крупных млекопитающих — биологических видах, ближайших к человеку по физиологии.  

Нейтронзахватная терапия позволяет лечить опухоли и стадии развития заболевания, не поддающиеся никаким  существующим в настоящее время протоколам лечения. Этот прорыв можно отнести не только к российской, но и к мировой медицинской науке.

Из важных вех — развитие Байкальского нейтринного телескопа. Это крупнейшая установка, ее объем достиг уже 0,6 кубических километра. И у нее есть преимущества перед телескопом IceCube, который работает в Антарктиде. Наш байкальский нейтринный телескоп, когда достигнет заданных параметров, будет наблюдать южную полусферу неба, а там как раз находится центр нашей галактики. Так что со временем мы можем ожидать очень-очень интересных результатов, тут сомнения нет. 

Исследования нейтрино, как космических, так и реакторных, — это очень перспективные области исследований в физике частиц, в астрофизике: они находятся на перекрестке физики макромира и микромира.

Скоро должен быть запущен СКИФ — сибирский кольцевой источник фотонов. Это источник синхротронного излучения, можно сказать, это очень мощный и яркий рентгеновский источник, с помощью которого можно снимать «кино». Это передовой научный инструмент, на котором можно будет проводить самые современные междисциплинарные исследования. Он представляет собой ускоритель длиной 500 метров, со сложнейшими детекторными системами, которые позволят получить новые результаты: новые лекарства, проводить сверхточный элементный анализ, исследовать палеоклимат, быстропротекающие процессы и очень-очень много всего

В прошлом году большую известность получило обнаружение стохастического фона низкочастотных (наногерцовых) гравитационных волн. Это открытие сделано несколькими коллаборациями ученых. Наиболее вероятным источником такого гравитационно-волнового шума являются сливающиеся тесные двойные сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик.

Его открыли с помощью наблюдения за пульсарами. Этот метод «пульсарного тайминга» был предложен в 1978 году молодым тогда сотрудником ГАИШ МГУ Михаилом Васильевичем Сажиным (и независимо, годом позже, американским астрофизиком Детвейлером). Если говорить поэтически, теперь мы слышим «шепоток Вселенной». И в новом нашумевшем открытии также принимали участие ученые ГАИШ МГУ.

Мне представляется довольно значимым, что в 2023 году были обобщены результаты серии очень интересных глубоководных экспедиций в северо-западной части Тихого океана. Эти экспедиции были в районы так называемых восстановительных сообществ: это холодные сипы (просачивание метана на морском дне) и гидротермальные источники. В таких условиях формируются особые сообщества морской биоты. Там пищевые цепочки начинаются с хемоавтотрофных бактерий, которые производят первичную продукцию не за счет фотосинтеза, как на поверхности океана, а в результате процесса хемосинтеза.

На протяжении последних нескольких лет эти сообщества изучались консорциумом российских научных институтов. Работы выполнялись с использованием телеуправляемого глубоководного робота, способного работать на глубинах до 6 км. И эти результаты обобщены: вышел отдельный большой том международного журнала Deep Sea Reserch, где опубликованы десятки очень интересных научных статей. Это очень важно, когда несколько ведущих научных институтов объединяются для выполнения какого-то крупного научного исследования.

Мы еще очень мало знаем о глубинах Мирового океана, и именно они сейчас все больше привлекают внимание. Там обнаружено и высокое биологическое разнообразие, и большие запасы ценных биологических ресурсов. Глубоководные организмы оказываются источниками новых и очень ценных биологически активных соединений, которые могут быть использованы для создания эффективных препаратов для лечения ряда онкологических заболеваний и для новых антибиотиков. 

В глубинах океана сосредоточены огромные минеральные ресурсы, в которых человечество нуждается или будет нуждаться через какое-то время. Изучение и описание таких уникальных глубоководных сообществ, существующих за счет хемосинтеза, дает нам новые важные представления о том, как могла формироваться жизнь в глубинах океана, как глубоководные гидробионты выживают в таких экстремальных условиях среды обитания. Кроме того, описанные в данных экспедициях уникальные глубоководные экосистемы оказываются самыми северными из известных в Тихом океане метановыми сипами и гидротермальными источниками.

Конечно, хотелось бы отметить работу наших селекционеров. Наша страна вышла на высокий уровень производства зерна пшеницы: порядка 150 млн.тонн. И это нам позволяет отправлять 60 — 70 млн. тонн пшеницы ежегодно, помогая тем, у кого недостаток с этой продовольственной культурой (Африка, Ближний Восток). Я считаю, что как раз ученые-селекционеры внесли существенный вклад в то, чем сейчас гордится Россия.

Есть хороший результат по кроссу птицы. Кросс — это соединение нескольких гибридов. По продуктивности новый кросс «Смена 9» не уступает зарубежным аналогам, а по цене в 1,5–2 раза дешевле.

Никитский ботанический сад (Крым) впервые в России стал культивировать оливы. Саженцы были привезены из Сирии. Теперь у нас оливковая роща на южном берегу в районе Ялты. Она уже стала плодоносить, отжато первое масло, законсервированы первые оливки.

В прошлом году мы в институте в Дубне приблизились к тому, чтобы осуществить первые эксперименты на коллайдере тяжелых ионов «Ника». Мы сможем запустить коллайдер на полную силу в ближайшее время, но очень важно, что сформированы международные объединения ученых, заинтересованных в проведении этих экспериментов на переднем крае ядерной физики. Важно, что мы действительно приблизились к новому рубежу, когда новая исследовательская инфраструктура MegaScience-класса будет введена на территории России.

Далее, нейтринный телескоп на озере Байкал. Физики заинтересованы в исследованиях глубокого космического пространства, тех процессов, которые протекают в звездах, в скоплениях звезд, галактиках, метагалактиках — они могут быть изучены через естественные потоки элементарных частиц. И в первую очередь, конечно, сейчас привлекают внимание именно нейтринные излучения глубокого космоса, которые несут очень богатую информацию о процессах эволюции вещества, материи в космосе. 

Глубоководный нейтринный детектор использует уникальное свойство Байкала — сверхчистую водную среду. На глубине около 1,5 км расположены чувствительнейшие приборы, которые могут отобразить процессы, протекающие в глубоком космосе. То есть уже само озеро Байкал и земное вещество являются с элементами этого научного инструмента. Это очень важно, что мы обладаем таким инструментом, который действительно позволяет надеяться на получение новых фундаментальных знаний.

Продолжается участие физиков России в исследованиях на базе Большого адронного коллайдера. Россия внесла колоссальный технологический вклад в создание этого уникального международного прибора и в открытие бозона Хиггса. Но наука идет дальше — теперь эта частица помогает открыть явления, которые не в полной мере могут быть описаны в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц — проявление новой физики, что может быть важным для понимания более сложных глубинных процессов, протекавших на самых мгновениях жизни Вселенной.

Весной 2023 года ученые из Новосибирска (международная Коллаборация КЕДР, в основном это Институт Ядерной Физики им.Будкера) объявили о результатах нового измерения сечения образования адронов в электрон-позитронных столкновениях. Ответ существенно отличается от старых оценок, в том числе выполненных в Новосибирске. 

Если использовать эти результаты, то теоретические предсказания для величины аномального магнитного момента мюона (так называемый g-2) входят в согласие с недавними наиболее точными результатами измерения этой величины (она определяет поведение мюона — аналога электрона, только в 200 раз более тяжелого и со временем жизни в одну микросекунду — в магнитном поле), выполненными в Fermilab (США). Объяснение результатов Fermilab без новых данных  Новосибирска  требует модификации Стандартной модели физики элементарных частиц.

Очень интересны работы, связанные с тонким пониманием деятельности сердца. В сердце клетки, конечно, мышечные. Но они так же, как нейроны, проводят сигналы, и возникают электрофизиологические и регуляторные феномены, очень похожие на работу нейросетей. Например, аритмия, фибрилляция сердца часто подобны по механизмам эпилептическим очагам или конкуренции центров нескольких потребностей в мозге. И то, как у нас на кафедре работают доктора наук Д.В. Абрамочкин и В.С. Кузьмин, меня очень впечатляет. Они исследуют различные участки сердца, визуализируют их  активность, проводят тонкий фармакологический анализ — в том числе на уровне отдельных кардиомиоцитов («петч-кламп»-методы).

Еще я бы назвал исследования лаборатории профессора А.Я. Каплана, где в последнее время изучают электроэнцефалограмму с помощью ИИ. Это очередная, по сути, реинкарнация электроэнцефалографии. Ведь та информация, которая считывается с человеческого мозга с помощью ЭЭГ, очень богата. И по мере того, как появляются новые варианты ЭЭГ-анализа (сейчас — с помощью обучающихся искусственных нейросетей), мы получаем доступ к описанию все более тонких психических процессов. В этой области применение ИИ дает мощный эффект

Мне хотелось бы отметить ряд прорывных открытий Института регенеративной медицины МГУ им. М.В. Ломоносова: понимание возможностей использования мезенхимных стромальных клеток для стимуляции регенеративных процессов, в том числе в лечении фиброзов; разработка линейки инновационных препаратов с использованием мезенхимных стромальных клеток человека, стимулирующих процессы регенерации, выход на клинические испытания таких препаратов. Значимость открытий лежит как в плоскости фундаментальной науки, так и практически важна для борьбы с фиброзами, мужским бесплодием.

В качестве значимых достижений в 2023 году, считаю, можно назвать создание и широкое освоение в РФ сортов зерновых культур с урожайностью 100-130 ц/га научными учреждениями Сибири аграрного профиля. Кроме того, в 2023 году создан 31 новый сорт 16 сельскохозяйственных культур, которые переданы на Госсортиспытание. А в Государственный реестр селекционных достижений РФ внесены 30 сортов, уже прошедших испытание, которые найдут широкое применение в сельском хозяйстве. Важным достижением в решении проблемы импортозамещения является существенное (около 200 тыс. га) расширение площадей под посевами сои, важнейшей белковой культуры, в Сибири — за счет создания линейки сортов сибирского экотипа. Лет 15 назад эти площади не превышали 15-20 тыс. га.

Серьезным достижением ученых Гидрометцентра России стало внедрение в оперативную практику прогнозирования погоды прогностической компьютерной системы ICON. Это результат огромной работы российских исследователей в рамках международного консорциума COSMO, которая длилась 10 лет и прервалась в настоящее время. Но нашим специалистам удалось ее довести до практической реализации. Это обеспечивает страну прогнозами погоды мирового класса качества.

Несомненно выдающимся достижением мирового уровня в области медицинской клеточной иммунологии явилась статья, опубликованная в ноябре в Nature Medicine группой российских ученых из Института Биоорганической химии, Сколковского института Науки и технологии и РГНИМУ им.Пирогова под руководством Дмитрия Чудакова и Сергея Лукьянова. Авторы многие годы занимались изучением репертуаров рецепторов иммунных Т-клеток, обуславливающих как атаку на внешние патогены, так и патологический аутоиммунный ответ на собственные ткани, и, как следствие, развитие таких хронических заболеваний, как болезнь Бехтерева, поражающая соединительную ткань, и проводящая к болям в позвоночнике и ограничении подвижности. 

Было замечено, что аутоиммунным заболеваниям чаще подвержены люди, унаследовавшие определенный ген, кодирующий тип молекул антигенов гистосовместимости, в частности HLA-B*27. Авторы связали проявление аутоиммунных заболеваний пациентов, положительных по фактору HLA-B*27, с атакой специфических Т-клеток, несущих рецептор TRBV9, который в сочетании с HLA-B*27 ошибочно узнают собственную соединительную ткань, как чужеродную. 

Направленное подавление клеток, несущих TRBV9, при помощи терапевтических моноклональных антител приводило к длительной ремиссии заболевания без существенного ослабления общего иммунитета. У конкретного пациента полная ремиссия сохранялась в течение четырех лет при введении трех доз в год моноклональных антител-TRBV9, производство которых наладила Российская компания Биокад. 

В настоящее время проводятся успешные медицинские испытания антител к TRBV9 с участием нескольких десятков пациентов с анкилозирующим спондилитом. Терапия антителами против TRBV9 потенциально может быть применима к другим HLA-B*27-ассоциированным спондилоартропатиям, таким как псориатический артрит, острый увеит (воспаление глазного яблока), ювенильный идиопатический артрит и болезнь Крона. Таким образом, предложен новый метод лечения, направленный строго на устранение причины заболевания. 

Кроме несомненной пользы пациентам, это открытие принесет очень серьезный экономический эффект, измеряющийся в миллиардах рублей в год, только в Российской Федерации. А мировой рынок индивидуальных, новых в своем классе, лекарств, которые можно будет применять для широко распространенных заболеваний (а именно таким и является анти TRBV9 антитело),  оценивается в несколько миллиардов долларов в год.

Среди российских стоит выделить исследования в области новых композитных материалов конструкционного и функционального назначения для всех отраслей промышленности. Большой прорыв в области новейших катализаторов, химических источников тока, накопителей водорода, сенсоров, биоактивных материалов, сверхпроводников, метаматериалов, сцинтилляторов (вещества, излучающие свет при поглощении ионизирующего излучения) и др.

Одно из направлений, где российские ученые (например, из МИФИ) получают интересные результаты, на мой взгляд — сверхпроводники. Это технологии будущего: от левитирующих поездов до термоядерных реакторов. Помимо транспорта и энергетики, сверхпроводимость активно применяется в медицине для создания сильных магнитных полей в томографах. А также используется в научных ускорителях и термоядерных реакторах.

Еще одно направление — исследования в области создания новых моно- и поликристаллических (керамических) сцинтилляторов для рентгеновских КТ-томографов. Материалы обеспечивают высокую эффективность улавливания рентгеновского излучения, используются в медицинских приборах для лечения онкологических заболеваний, обеспечивают высокую точность визуализации поврежденных органов. Это помогает точно определить границы контакта здоровой и пораженной ткани, до и после хирургического вмешательства. Такие разработки ведутся, в частности учеными Дальневосточного федерального университета.

В последние два года у Росатома были завершены значимые работы, которые велись не один год: сданы в эксплуатацию мощные лазерные установки УФЛ-2М в Сарове, запущен комплекс импульсно-рентгеновской томографии в Снежинске. 

Сейчас Росатом сосредотачивается на переходе на двухкомпонентную энергетику. С этой целью ведется  строительство инновационного ядерного реактора четвертого поколения, запуск запланирован в 2027 году; разрабатывается реактор на тепловых нейтронах с регулируемым спектром ВВЭР-С, ведутся работы по радиохимическим технологиям с целью значительного снижения радиационной нагрузки на среду в процессе переработки ОЯТ, ведутся разработки в области жидкосолевых реакторов и водородной энергетики.

Яркие достижения 2023 года произошли в области исследований Арктики. В 2023 году активно работала научно-исследовательская дрейфующая станция «Северный полюс-41» (предыдущая станция «СП-40» функционировала в 2012–2013 гг.). (Телеканал «Наука» снял об этом проекте фильм в рамках программы «Большой скачок», премьера состоялась 5 февраля — прим.Ред.)

Экспедиция «СП-41» проводит исследования на базе уникального научного судна — ледостойкой самодвижущейся платформы (ЛСП) «Северный полюс». Впервые за многие годы российские ученые получили возможность развернуть научный лагерь непосредственно в Арктике. Данные, полученные учеными в рамках экспедиции, позволяют уточнить актуальное состояние природных и биологических систем региона. 

Также, 16 декабря с космодрома Байконур был выведен на высокоэллиптическую орбиту космический аппарат «Арктика-М-2». Он предназначен для мониторинга гидрометеорологической обстановки в арктическом регионе и прилегающих территориях, контроля гелиогеофизической обстановки в околоземном космическом пространстве, ретрансляции сигналов от аварийных радиобуев международной спутниковой поисково-спасательной системы КОСПАС-САРСАТ и информации с автоматических измерительных платформ сбора данных Росгидромета, в том числе расположенных в арктическом регионе. 

Первый спутник «Арктика-М» был выведен на орбиту в феврале 2021 года. Наличие в системе космического аппарата «Арктика-М-2» обеспечивает непрерывный круглосуточный обзор северной территории России и арктического региона двумя спутниками, которые попеременно сменяют друг друга на рабочих участках орбит.

Для нас, специалистов физиков и химиков из Саратовского университета, работающих в области биофотоники — науки о световых явлениях на службе здоровья человека, 2023 год ознаменовался присуждением Нобелевской премии по химии Алексею Екимову, Луису Брюсу и Мунги Бавенди за открытие и разработку технологии синтеза квантовых точек — ярких наноразмерных полупроводниковых излучателей света различных цветов. Выходец из СССР, Алексей Екимов имеет хорошее базовое образование и научную школу физического факультета Ленинградского государственного университета, Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе и Государственного оптического института имени С. И. Вавилова (ГОИ), где он учился и работал. Именно в ГОИ в 1981 году Алексей Екимов впервые в мире вырастил квантовые точки в стеклах.

Нобелевская премия за квантовые точки — это наш личный праздник. Когда полупроводниковые квантовые точки только начинали развиваться, на них возлагали очень большие надежды, которые довольно быстро оправдались на уровне фундаментальных исследований и лабораторного использования. Из-за весьма сложных технологий синтеза и модификации квантовые точки долго входили в практику. 

В настоящее время существует достаточно примеров коммерческих продуктов на основе квантовых точек — например, экраны, в том числе телевизионные (так называемые QLED). При этом потенциал их применения остается огромным — транзисторы, солнечные элементы, светодиоды, лазеры, источники одиночных фотонов, исследования в клеточной биологии, микроскопия и медицинская визуализация. 

Нобелевская премия фактически означает признание того, что квантовые точки вышли из лабораторий в большой мир.

В СГУ под руководством директора Института химии доктора наук Ирины Горячевой около десяти лет проводятся работы в области синтеза и применения квантовых точек различной структуры. Установлены фундаментальные закономерности их получения и применения, позволяющие достичь высокой интенсивности люминесценции в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, что особенно важно для биомедицинских приложений.

Заметное событие 2023 года в науке вообще — получение результатов исследования о распаде бозона Хиггса, об открытии которого долго и много говорили десятилетие назад. Как и на что распадается бозон Хиггса было известно, но существующие взгляды не описывали, с какой скоростью это происходит.

Результаты исследования, полученные на Большом адронном коллайдере, показали, что распад частицы идет до определенного соотношения, в определенном количестве случаев, и количество случаев превосходит то, что предсказывалось существующими моделями. Наше понимание физического мира совершенствуется. В этой работе, в составе знаменитой коллаборации ATLAS, участвует российский ученый из МИФИ Анатолий Самсонович Романюк.

Из важных российских исследований последнего года я бы назвал работу Максима Никитина, который открыл «молекулярную коммутацию» — перенос информации при взаимодействии коротких слабокомплементарных молекул ДНК/РНК (олигонуклеотидов). Он экспериментально доказал, что для эффективной обработки генетической информации ДНК совершенно не обязательна длинная двойная молекулярная спираль. С этим справляются даже относительно короткие, одноцепочечные («половинные», как бы разрезанные вдоль) ДНК и РНК. При этом ДНК может хранить и передавать информацию через взаимодействие молекул, которые имеют совсем небольшое «совпадение» друг с другом. Более того, Никитин показал, что короткая ДНК, даже «неподходящая», согласно традиционным представлениям, к гену, может регулировать его работу. 

Открытие меняет представление об одной из главных парадигм биологии. Феномен может быть ключом к познанию природы самых разнообразных процессов: от неразгаданных тайн генетики, сложных заболеваний, памяти и старения до вопросов возникновения жизни на Земле и ее эволюции.

Одно из самых ярких, на мой взгляд, событий в российской науке — это запуск и полноценная работа первой в мире ледостойкой самодвижущейся платформы «Северный полюс» в Северном Ледовитом океане. На борту «Северного Полюса» расположены оборудованные лаборатории для большого числа научных исследований. На дрейфующей платформе ведутся исследования ледового покрова, проводятся метеорологические, экологические, океанологические_ исследования. Это уникальная площадка, позволяющая проводить комплексное изучение экосистемы высокоширотной Арктики.