Быстрые разумом: кто и как делает научные открытия в столице

В феврале научные коллективы и отдельные исследователи до 35 лет получили 50 премий по 2 млн руб. от правительства Москвы. Лауреатами премии за выдающиеся результаты в фундаментальных и прикладных научных исследованиях, а также за разработку и внедрение новых технологий стали 76 человек. Конкурс проводится уже 11 лет. Принять в нем участие могут все – от аспирантов вузов и сотрудников институтов вплоть до работников коммерческих компаний, занятых исследованиями и разработками. В 2019 г. по предложению мэра Москвы Сергея Собянина размер одной премии был увеличен с 1,5 млн до 2 млн руб. В случае присуждения награды научному коллективу премия делится поровну между его участниками, а дипломы вручаются каждому из них.

«На первый взгляд многие из отмеченных проектов кажутся сошедшими со страниц фантастических книг о далеком будущем. Но это уже реальность. Результаты ряда исследований и многие прикладные разработки успели зарекомендовать себя на практике», – говорит заместитель мэра Москвы Анастасия Ракова. «Ведомости. Город» опросил четырех лауреатов премии этого года и узнал, какие исследования привели их к победе. 

Мария Абунина, 35 лет, и Наталия Шлык, 35 лет

Где работают: Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН)

Что сделали: Премия за разработку фундаментальных и прикладных основ анализа текущего состояния и прогнозирования космической погоды

СМИ уже окрестили Марию Абунину и Наталию Шлык «космическими синоптиками», ведь их главная задача – предсказывать космическую погоду – совокупность явлений, возникающих в атмосфере и магнитосфере Земли из-за воздействия солнечной активности. Некоторые из них широко известны, например полярные сияния или магнитные бури. 

Влияние Солнца на межпланетное и, в частности, околоземное космическое пространство уже давно волнует не только научное сообщество. Колебания активности Солнца могут привести к выходу из строя спутников, неполадкам в радиосвязи и авариям энергетической инфраструктуры. Так, в 1989 г. сильнейшая магнитная буря привела к выходу из строя электроподстанции в Квебеке, оставив целую провинцию в Канаде без электроэнергии. Вдобавок Солнце нагревает земную атмосферу, что приводит к ее расширению и изменению баллистических траекторий ракет. 

Поэтому госкорпорация «Роскосмос», МЧС и Минобороны России, капитаны кораблей в Северном Ледовитом океане, операторы связи и энергетики нуждаются в своевременных и точных прогнозах космической погоды. Их составляют в ИЗМИРАН уже на протяжении 25 лет, а снизить вероятность ошибок помогают в том числе научные исследования Абуниной и Шлык.

Девушки-физики анализируют временные ряды – многолетние данные наблюдений разных параметров солнечной активности и вызванные ею изменения в состоянии межпланетной среды возле Земли. Это тысячи и тысячи событий. Затем они строят математические модели, позволяющие объяснить имеющиеся показатели и на их основе предсказать будущие. Для разных организаций требуется свой период упреждения – время, на которое делается прогноз. Например, для Центра управления полетами период упреждения составляет от 8 до 54 суток.

«Каждое новое событие мы внимательно изучаем и по результатам наблюдений вносим поправки во все имеющиеся модели. Это ежедневный и тяжелый труд – без выходных и праздников», – делится Абунина. По словам Шлык, если какое-то событие сильно выбивается из их прогнозов, то приходится уделять ему особое внимание: «Ведь только так можно в большей степени повысить точность наших предсказаний».

Ну а что бывает, если не прислушаться к «космическим синоптикам», недавно продемонстрировал Илон Маск. В феврале 2022 г., несмотря на предупреждения о мощной геомагнитной буре, компания SpaceX не стала отменять пуск ракеты с 49 спутниками Starlink. В результате возросшего атмосферного сопротивления 40 спутников не смогли начать маневры для выхода на заданную орбиту и сгорели. Маск понес огромные убытки.

А вот фотографы – охотники за полярным сиянием, наоборот, к ученым прислушиваются всегда, говорят девушки-ученые и признают, что тут над точностью нужно еще поработать. Например, предсказать следующее появление полярного сияния Aurora borealis над столицей, как это было летом 2023 г., довольно сложно.

Маргарита Гаврилова, 30 лет, и Дарья Бухаленкова, 34 года

Где работают: Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Что сделали: Премия за разработку методического комплекса для диагностики и коррекции индивидуальных траекторий развития детей в различных образовательных средах

Все в основном интересуются психологией взрослого человека, но каждый взрослый «родом из детства». Нобелевской лауреат премии по экономике Джеймс Хекман, исследователь человеческого потенциала, установил, что больше всего окупаются инвестиции в развитие и образование в дошкольном возрасте. А крупнейший отечественный нейропсихолог Александр Лурия называл мозг ребенка слепком окружающей его реальности. Все будущие способности и навыки детей – отклик на среду, в которой они находятся, – как с ними говорят, взаимодействуют, какой опыт позволяют получить и т. д.

В России дети в возрасте с двух до семи лет проводят до 60% времени бодрствования в детском саду, утверждает Маргарита Гаврилова. По ее словам, это значит, что детсады обладают даже большей значимостью для развития малышей, чем семьи. Поэтому необходимо изучать качество образовательной среды в дошкольных учреждениях. 

«Мы наблюдали 1500 детей из 120 детсадовских групп начиная с четырех лет и до тех пор, пока им не исполнится десять, т. е. когда они уже перешли к школьному обучению и можно оценить их успехи в начальных классах. Это называется лонгитюдом, так как наблюдение длится долго, в нашем случае – шесть лет подряд», – рассказывает психолог.

Исследование состояло из двух частей. Во-первых, всесторонней и глубокой оценки качества образовательной среды в разных детских садах. С помощью специальных методик оценивалось как материальное окружение (сколько игрушек, хватает ли деткам места и проч.), так и особенности общения и взаимодействия педагогов с дошколятами. 

Во-вторых – регулярная диагностика психического развития детей. Психологи тестировали их интеллект, эмоциональное развитие, вроде способности распознавать чужие эмоции по выражению лица или понимать, что вызвало те или иные эмоции у других людей, а также саморегуляцию. Последняя подразумевает способность ребенка управлять своими когнитивными и эмоциональными процессами, например удерживать что-то в памяти или проявлять настойчивость.

Молодым психологам удалось выяснить, что для гармоничного перехода детей из детского сада в школу – без сильного стресса и со сформированной готовностью к продуктивному школьному обучению – важна эмоциональная поддержка педагога в дошкольном учреждении, его восприимчивость и помощь в развитии разных навыков. 

Воспитателям необходимо проявлять интерес к мыслям и чувствам малышей, слушать и серьезно воспринимать их, поддерживать детскую инициативу, давать позитивную обратную связь. 

«Предположим, ребенок немного отстает от своих сверстников в академических успехах. Если спросить людей, когда он их догонит, то все отвечают, что за пару месяцев – полгода. Но в реальности, когда определенные навыки не были сформированы в детском саду, разрыв в развитии малыша с одноклассниками будет только расти», – отмечает Гаврилова. 

По результатам своего многолетнего исследования Гаврилова и Бухаленкова разработали тесты для оценки психического развития дошкольников и их последующей адаптации к школе. Кроме того, они регулярно проводят тренинги для педагогов московских детских садов и школ, лекции и курсы повышения квалификации для воспитателей со всей России. 

Тимофей Лебедев, 33 года

Где работает: Институт молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН 

Что сделал: Премия за создание клеточной платформы для поиска эффективных противораковых препаратов с помощью высокопроизводительной флуоресцентной микроскопии и методов машинного обучения

Рак – одна из ведущих причин смертности в России и мире. Поэтому поиск новых эффективных противоопухолевых препаратов – одна из центральных задач для всей биомедицинской индустрии.

Раньше все новые средства-кандидаты сначала тестировали на лабораторных животных, у которых предварительно вызвали рак. Потом на культурах раковых клеток в чашках Петри (прозрачный лабораторный сосуд в форме невысокого плоского цилиндра. – «Ведомости. Город»). Критерий был один, и очень простой, – убивает ли то или иное соединение клетки опухоли. Однако быстро выяснилось, что этого недостаточно.

Ключевое отличие раковых клеток от нормальных – их быстрое и бесконтрольное деление. Привести к нему может множество разных причин, отдельные мутации в ДНК вызывают неправильную работу совершенно разных белков, которые еще и отличаются для разных видов рака. Поэтому стали искать более точные, избирательно действующие на отдельные белки препараты, которые бы влияли на какой-то внутренний процесс мутировавших клеток и приводили к их гибели. 

Сейчас таких препаратов существует несколько сотен. Проблема в том, что опухоли часто адаптируются к ним, становятся невосприимчивы к лечению, а значит, необходимо сменить один препарат на другой, но с тем же белком-мишенью. Кроме того, в очереди на испытание десятки тысяч новых веществ, а процесс исследования и подтверждения эффективности очень сложный. Стандартным подходом сейчас считается одновременно тестировать до 1000 различных клеточных культур и смотреть, как разные вещества воздействуют на них. 

Тимофей Лебедев предложил принципиально новый подход к проверке эффективности препаратов. Он основан на прямом наблюдении за изменениями морфологии раковых клеток, т.  е. их формы. Они могут вытянуться или сжаться, стать в десятки раз больше обычного размера, вместо одного ядра может появиться пять и т. д. Все это свидетельства, что опухолевая клетка застряла на каком-то этапе процесса деления. А значит, экспериментальный препарат работает. 

Систематически наблюдать это стало возможно за счет двух инноваций – развития флюоресцентной микроскопии и нейросетей для автоматической обработки и анализа изображений. В геном раковых клеток вносится несколько мутаций, заставляющих потенциальные белки-мишени светиться (флуоресцировать) разными цветами при попадании на них лазерного луча. После этого в лунки добавляется средство – кандидат в лекарственные препараты. Затем чашку Петри с помощью флуоресцентного микроскопа ежедневно фотографируют. Полученные изображения алгоритмы искусственного интеллекта анализируют и сравнивают, моментально выявляя изменения сотни морфологических параметров.

Благодаря новому подходу теперь можно размещать и анализировать до 100 микроскопических культур опухолевых клеток в разных лунках одной чашки Петри. По мнению Лебедева, этот метод будет крайне востребован фармацевтическими компаниями, так как позволит быстро и дешево протестировать эффективность большого количества потенциальных лекарственных препаратов.

Разработка Лебедева уже находит широкое применение в академических исследованиях, например, в Сеченовском Университете и China Medical University. Также интерес к ней проявляют биомедицинские стартапы и фармацевтические компании, говорит молодой ученый, не уточняя детали.