Что произошло в российской науке в 2023 году: топ-10 событий

В России завершается второй год объявленого президентом Десятилетие науки и технологий. 30 ноября на III Конгрессе молодых ученых вице-премьер Дмитрий Чернышенко сообщил, что впервые в истории современной России увеличилась доля молодых ученых, тенденция на сокращение научных кадров была остановлена. Он добавил, что правительство рассчитывает получить «конкретные результаты» для экономики и социального развития страны, для чего и нужна подготовка кадров «на опережение». Российский научный фонд (РНФ) по просьбе«Ведомостей» выбрал 10 главных научных результатов года, которые представляют разработки из области математики, биологии, физики, генетики и истории. Все они получили грантовую поддержку и будут реализованы для повсеместного использования.

ИИ помог врачам диагностировать психические расстройства 

Математики БФУ имени И. Канта под руководством Александра Храмова вместе с медиками разработали методы машинного обучения, которые помогают не только найти, но и объяснить функциональные изменения в мозге людей с психическими заболеваниями. Точность диагностики большого депрессивного расстройства в эксперименте достигла 82%. Директор мегафакультета трансляционных информационных технологий Университета ИТМО Александр Бухановский пояснил, что ученые не трогали отдельные нейроны, а построили функциональную агентную сеть, воспроизводящую работу мозга в динамике как единую сложную систему. Это позволило им описать мозговую деятельность «механически», поверхностно, но как единое целое. Такая модель в будущем может стать основой для построения более глубоких моделей деятельности мозга, не только за счет добавления новых данных, но за счет вложенности – создания набора локальных моделей для отдельных зон мозга, соединенных такой функциональной сетью. 

Подобные методы уже вовсю применяются в теории сложных систем макромира, например, у психологов, эпидемиологов или тех, кто изучает социальные сети, но в нейрофизиологию пока они еще не укоренились – мало данных. Важное свойство предложенной модели, в отличие от классических нейросетей, – ее объяснимость. Она может не только предсказать ожидаемый результат, как реакцию мозга в заданный момент времени на определенный раздражитель, но и объяснить, как он сформировался. 

Уникальный способ маркировки алмазов позволяет идентифицировать драгоценные камни с вероятностью 100%

Физики из ФИАН им. П.Н. Лебедева РАН с помощью лазера разработали и совершенствуют технологию создания уникальных меток внутри алмазов. Такие QR- или штрих-коды помогают опознать каждый камень и избежать подделок.

У всех алмазов есть точечные дефекты и примеси, например, азота, которые при облучении светом дают индивидуальное ответное свечение другого диапазона. Ученые направили ультракороткие импульсы лазера на алмаз и с помощью ставших подвижными атомов азота создали паспорт камня – QR-код с информацией о месте производства и других характеристиках. Академик РАН, научный руководитель Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Виталий Кведер пояснил, такая маркировка не влияет на ювелирное качество алмаза, ее можно прочитать лишь специальным сканером. Это позволяет записывать в каждом бриллианте его паспорт и отслеживать происхождение камня.

Сегодня вместе с мировым лидером в добыче алмазов – компанией «АЛРОСА» – физики под руководством Сергея Кудряшова проводят фундаментальные исследования для доработки технологии, а также ее распространения на другие драгоценные камни.

Системы на основе молекул ДНК с высокой точностью выявили рак мозга у животных

Коллектив биологов и медиков из России в сотрудничестве с учеными из других стран создал аптамеры – короткие молекулы ДНК, способные находить раковые клетки и помогать диагностировать один из наиболее опасных типов опухолей головного мозга, глиобластому. Исследователи отобрали короткие ДНК, которые связывались с человеческой глиальной опухолью, а затем с помощью машинного обучения выбрали наилучших кандидатов и методами молекулярного моделирования улучшили их. «Эксперименты на животных показали абсолютную безопасность системы», – сообщает один из авторов статьи Елена Кулигина.

Глиобластома – одна из самых агрессивных форм рака, в золотой стандарт лечения которой обязательно входит хирургия, а также химио- и радиотерапии, отмечает заведующий отделом Института цитологии РАН Ирина Гужова. Несмотря на терапию, выживаемость на горизонте 15 месяцев среди пациентов невелика. Помимо диагностики заболевания, разработка может быть полезной при лечении. Во время операции хирургу трудно удалить первичную опухоль целиком, и по понятным причинам он не может иссекать окружающие ткани. Открытие специальных молекул ДНК-аптамеров, узнающих исключительно злокачественные клетки мозга, должно помочь хирургам филигранно убирать большинство участков опухоли непосредственно в процессе операции.

Неожиданные возможности феррита кобальта могут помочь в создании сверхбыстрой терагерцовой электроники

Молодые ученые из МФТИ, МГУ, МИСИС и Курчатовского института впервые в мире показали, что феррит кобальта способен взаимодействовать с высокочастотным терагерцовым излучением и поглощать рекордные частоты в 350 ГГц. Открытие может лечь в основу приборов для быстрой мобильной связи и телемедицины.

В новом исследовании команда физиков и химиков обнаружила способность феррита кобальта взаимодействовать с высокочастотным терагерцовым электромагнитным излучением. В отличие от более дорогих и сложных в изготовлении современных материалов, использующихся для работы в субтерагерцовых частотах, принцип взаимодействия феррита кобальта с высокочастотным излучением основан на его способности резонансно поглощать частоты до рекордных сегодня 350 ГГц без приложения внешнего магнитного поля, а значит, не требовать использования сверхпроводящих магнитов и подачи большого тока.

Проректор Московского института электронной техники Сергей Гаврилов считает, что появление нового перспективного материала станет отправной точкой для инициирования исследований в различных областях науки и техники. Необходимо будет разработать технологии промышленного синтеза материала, технологические процессы нанесения на полупроводниковые подложки больших диаметров, контрольно-измерительное оборудование для межоперационного контроля, добавил он.

Проанализированы топ-100 самых опасных чужеродных организмов России

Биологи ИПЭЭ им. А.Н. Северцова РАН с участием иностранных ученых из 19 стран собрали около 3 млн записей о встречах c чужеродными видами организмов, опасных для экосистем и экономики России, что позволило выяснить, как они появлялись в прошлом (с 1600 года), распространены сейчас и будут расселяться по стране.

С помощью математических методов, основанных на глобальных климатических моделях, и ГИС-технологий ученые выяснили, что в условиях текущего климата больше всего чужеродных видов обитает в центральной части и на юге России. По прогнозам к концу века скорость их распространения увеличится от до четырёх до семи раз. Природоохранные организации могут использовать полученные данные для планирования мер по ограничению дальнейших инвазий. 

Внедрение новых организмов в экосистемы – это нормальный эволюционный процесс, пояснил главный научный сотрудник Никитского ботанического сада Николай Ермаков. Но, как и показывают исследования под руководством Вароса Петросяна, если в естественных условиях он довольно постепенный и длительный, дающий аборигенным и пришлым видам время приспособиться друг к другу, человек значительно ускоряет эту миграцию, чем наносит вред не только окружающей среде, но и себе. Так, на территории России в 2007–2019 гг. экономический ущерб от воздействия инвазионных видов оценили в 1,38 трлн руб., заключил он.

Масштабный анализ генетических маркеров пшеницы и сои поменяет подход селекционеров к созданию новых сортов

Ученые из Института цитологии и генетики СО РАН в результате поиска по более чем 20000 участкам генома нашли генетические маркеры пшеницы и сои, которые позволяют вырастить высокобелковые и устойчивые к погодным изменениям сорта.

Новосибирская команда генетиков, биоинформатиков и селекционеров провела самый обширный и глубокий на сегодняшний день генетический анализ 175 сортов сои и 133 сортов яровой мягкой (хлебной) пшеницы, которую исследовали на протяжении 11 лет. Ученые определили ДНК-маркеры, отвечающие за содержание белка, время колошения, налива зерна и созревания, а также позволяющие маневрировать между периодами засухи и избегать низких температур.

Перспективный метод геномной селекции обладает высокой предсказательной способностью и позволяет отбирать сорта на раннем этапе. По словам руководителя проекта Елены Салиной, в 2024 г. с помощью методов компьютерного моделирования они намерены создать первую опытную партию пшеницы и сои с заданными свойствами.

Член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией Главного ботанического сада имени Н. В. Цицина РАН Ирина Митрофанова указала на то, что для выстраивания защиты злаков от различных болезней и экстремальных температур детально изучаются гены и их взаимодействия, которые позволят растению препятствовать воздействию внешних источников стресса. «Поэтому агропромышленный сектор, основанный на данных генетических исследований, вкупе с цифровыми технологиями, – это путь к процветающему и независимому сельскому хозяйству», – добавила она.

Новый метод поиска генетических аномалий у эмбриона может повысить точность ЭКО и диагностики во время беременности

Сотрудники Томского НИМЦ с зарубежными коллегами выяснили, что почти в 70% случаев хромосомные нарушения эмбриона становятся причиной прерывания беременности в первом триместре. К такому выводу привело тестирование нового метода, который может улучшить процедуру ЭКО и диагностический анализ плода НИПТ.

Ранее считалось, что аномалии в хромосомах отвечают только за 50% ранних выкидышей. Чтобы узнать причины остальных случаев невынашивания, исследователи взяли из биобанка 1745 тканей, определили их хромосомный набор и впервые в мире сравнили разные ткани у эмбрионов, проведя полногеномный анализ. Исследование показало, что у 35% эмбрионов с предварительно установленным нормальным набором хромосом в других тканях находятся аномалии, которые как раз не позволили плоду развиться. Рекомендация по анализу как минимум двух типов тканей зародыша может лечь в основу модификации анализа НИПТ, который делают беременным женщинам для определения генетических отклонений у будущего ребенка. 

Заместитель директора по научной работе Медико-генетического научного центра имени академика Н.П. Бочкова Вера Ижевская пояснила, что результаты исследования под руководством Игоря Лебедева важны для повышения эффективности медицинской помощи супругам с репродуктивными потерями, и уже сейчас имеют высокий потенциал практического применения: помочь повысить точность диагностики хромосомных аномалий при спонтанном прерывании беременности, объяснить его причины в большинстве случаев и тем самым снизить временные и финансовые затраты.

Эффективность люминофоров для сверхъярких источников белого света повысили до рекордных 80%

При разработке высокомощных светотехнических устройств для авиа- и автомобилестроения химики ДВФУ вместе с китайскими коллегами представили новый метод получения термостойких люминофоров – материалов-преобразователей цвета, в несколько раз сократив время и расходы на изготовление, а также повысив эффективность свечения до рекордных 80,7%. Ученые предложили получать термостойкие люминофоры в форме композитных керамик, применяя технику реакционного искрового плазменного спекания коммерчески доступных порошков оксидов. Искровые разряды между спекаемыми частицами и фазовые превращения помогли сформировать материал с тонкодисперсной микроструктурой и плотностью, близкой к теоретически предсказанной. Новый подход уменьшил температуру на 20% и сократил общую продолжительность процесса в 10-20 раз по сравнению с базовой технологией − твердофазным вакуумным спеканием. Сейчас идет производство серий опытных образцов люминофоров и прототипов осветительных устройств на их основе 

В 2021 г. светодиодная продукция занимала более 55% российского рынка, и ее доля продолжает расти, поскольку технология обладает высокой энергоэффективностью, экологичностью и компактностью. Об этом рассказал «Ведомостям» член-корреспондент РАН, исполняющий обязанности директора Института синтетических полимерных материалов имени Н.С. Ениколопова РАН Сергей Пономаренко. По его словам, у светодиодов есть несколько проблем, например, высокое тепловыделение, низкий индекс цветопередачи и изменение цветовых характеристик во времени. Решить эти задачи можно благодаря использованию керамики на основе комплекса из оксида алюминия и иттрий-алюминиевого граната. Исследователи под руководством Дениса Косьянова впервые предложили получать такую композитную керамику принципиально новым методом, добавил он.

Зубы древних жителей Русской равнины рассказали об их образе жизни

Ученые из Исторического музея и Музея антропологии и этнографии им. Петра Великого (Кунсткамера) провели исследования погребений людей, живших с пятого тысячелетия до н.э. в Сальских степях в междуречье Волги и Дона. Антропологи изучили останки 232 человек из 32 курганов разных эпох и по крупицам реконструировали жизнь наших предков: от особенностей быта до специфики болезней.

Исследователи проанализировали зубы некоторых людей и показали, что население ранней эпохи бронзы страдало кариесом средней степени, у них встречались травмы зубов и пародонтопатии. В позднюю бронзу состояние здоровья зубной системы изменилось: кариеса стало меньше, нагрузка на зубы снизилась, но при этом появилось больше минеральных отложений. Исходя из этого антропологи предположили, что в целом, диета местных жителей была постоянной на протяжении многих веков — они ели мясо, рыбу, молоко и иногда продукты, содержащие фруктозу и сахарозу. Но со временем пища стала менее грубой, что может быть связано с изменением способа приготовления еды. Кроме того, ученые выделили из зубов древнюю ДНК и выявили вирус гепатита B у двух мужчин из разных эпох.

Работы археологов под руководством Натальи Шишлиной наглядно показывают, насколько расширились возможности современной науки, насколько важна интеграция наших знаний в решении самых разных вопросов», указал главный научный сотрудник Института истории и археологии УрО РАН Андрей Епимахов. Некоторые части истории практически «невидимы», особенно когда речь идет о бесписьменных обществах. Но новейшие достижения в области палеоДНК постепенно приближают нас к пониманию прошлого. «Современная археология погружается в глубины веков и тысячелетий, что позволяет ей выявлять долгосрочные тенденции не только в развитии цивилизации, но и в изменениях окружающего мира. Благодаря этому мы, в конечном итоге, можем строить прогнозы будущего и предполагать, по какому пути пойдет человечество», – добавил он.

3D-модели вулканов помогают строить геотермальные электростанции

Исследователи из Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН успешно протестировали на Курильских островах разработанные ими подходы к построению модели вулканов. Это станет важным шагом для начала работы по обеспечению удаленных населенных пунктов дешевой и возобновляемой энергией земных недр.

В новом исследовании ученые разместили сеть сейсмических станций на действующем вулкане Эбеко Курильских островов. С помощью придуманного ими алгоритма сейсмической томографии они построили первую 3D-модель скорости поперечных волн, что дало возможность определить положение магматической камеры под вулканом. Полученную информацию можно использовать для поиска возможных источников геотермальной энергии, которая позволит обеспечить жизнедеятельность города Северо-Курильск.

Академик РАН, директор Геологического института РАН Кирилл Дегтярев отметил, что действующие вулканы – это источники опасных геологических процессов, приводящих к большим разрушениям и человеческим жертвам. Поскольку извержения вулканов нельзя предотвратить, то одна из главных научных задач сегодня – прогнозирование времени и иногда даже конкретного места извержения. «Исследователи во главе с Иваном Кулаковым первыми начали вести длительные непрерывные наблюдения и теперь получают динамичную картину внутреннего строения вулканов до глубины примерно 10 км. Эта информация позволяет распознать геометрию и положение магматического очага, чье приближение к поверхности будет свидетельствовать о вероятности приближения извержения», – добавил он.

Исследования вулканологов также применимы для разведки геотермальных источников. Помимо областей активного вулканизма – Камчатки и Курильских островов, – значительный потенциал использования геотермальной энергии есть на Северном Кавказе, Чукотке, в Калининградской, Тюменской, Омской областях, Приморье и Забайкалье, где расположены термальные воды, что позволяет напрямую использовать их для теплоснабжения.