День науки: 6 самых значимых достижений красноярских ученых

Известный красноярский популяризатор науки Егор Задереев собрал для Krskdaily самые серьезные и перспективные достижения ученых за прошедший год. В День российской науки «Проспект мира» публикует этот обзор.

Кустарники в Арктике

фото: IJ

В 2015 году база данных Web of Science ввела новую метрику — сколько раз пользователи базы данных напрямую обращались к статье (сохраняли библиометрическую ссылку или скачивали полный текст). Самой популярной статьей прошлого года с участием красноярских ученых стала работа о влиянии температуры на рост карликовых кустарников в Арктике. Красноярцы — одни из мировых лидеров в исследовании всего, что связано с кольцами деревьев.

Каждый школьник знает, что каждый год дерево немножко вырастает и его ствол становится чуть толще. Этот прирост формирует годичное кольцо. Посчитав кольца, можно определить возраст дерева. По толщине и другим параметрам колец можно сказать, каким был тот или иной год — жарким или холодным, засушливым или влажным. Такие исследования позволяют восстановить климат прошлого.

Что же делать в тундре? Деревьев там мало или совсем нет, но есть кустарники. Коллектив авторов из нескольких стран исследовал годичные кольца у кустарников из арктических экосистем и выяснил, как зависит процесс возобновления кустарничков от температуры воздуха. Работа показывает, что в случае дальнейшего повышения температуры тундровая растительность будет быстро продвигаться на север. Неожиданный результат: изменения климата в прошлом можно исследовать не только в регионах, где растут деревья, но и севернее, где в настоящее время произрастают только кустарники и кустарнички — более мелкие древесные растения. Они тоже формируют кольца, по ширине которых можно восстановить до нескольких столетий климатических изменений прошлого.

Как мне сказал Александр Кирдянов, красноярский соавтор работы из Института леса СО РАН: «Куда пойдут исследования дальше, сложно сказать, поскольку этой тематикой в Красноярске не сильно занимаемся. Пока пробуем найти участки со старовозрастными кустарничками в Арктических регионах Сибири(в основном, в Восточной Сибири). Совместно с отбором материала для погребенной древесины и древесных остатков на севере Якутии работаем и с кустарничками. Пока безуспешно на протяжении уже 2-3 последних лет. Поэтому концентрируем усилия на деревьях».

Возбуждения молекул

фото: Вики

Дальше будем выбирать статьи по крутости журналов, в которых они опубликованы. В этом году в рейтинге лидирует статья о возбуждениях и вибрациях в молекулярных агрегатах (не правда ли, звучит сексуально). Работа опубликована в журнале PHYSICS REPORTS коллективом авторов при участии Сергея Полютова, который пару лет назад вернулся в Красноярск и возглавил лабораторию в Сибирском федеральном университете.

Как написал мне Сергей: «Статья представляет собой 1) обзор текущего состояния исследований по вибронному взаимодействию в молекулярных агрегатах (в том числе в светособирающих комплексах листьев живых растений), 2) исследование молекулярных агрегатов с помощью различных подходов, в особенности с помощью метода прямой диагонализации системного Гамильтониана, в котором явным образом в многочастичном базисе учитываются вибронные эффекты».

Уверен, что вы всё поняли. Если не поняли, то вот краткое пояснение. Речь идет об одной из систем, которая отвечает за фотосинтез в растениях. Группы молекул «ловят» частички света и передают их туда, где энергия света превращается в химическую энергию. Как обычно, природа ушла далеко вперед, а человек пытается разобраться в ней и скопировать работающие схемы для своих нужд. Светособирающий комплекс в растениях — это эффективная система передачи светового сигнала и энергии. Ученые пытаются понять, как работают молекулы в таких системах, и хотят научиться конструировать искусственные аналоги. Это позволит создавать новые сверхбыстрые процессоры, солнечные батареи или системы искусственного фотосинтеза.

Пока Сергей с коллегами занимаются компьютерным моделированием. С помощью хитрых математических алгоритмов и разработанных компьютерных программ они рассчитывают поведение молекул при прохождении света. Если все будет хорошо, доберутся и до физических экспериментов.

Родственник графена

проводящих свойствах двумерных кристаллов ниобата теллура. Большой коллектив соавторов, и среди них один красноярец — сотрудник Института физики СО РАН Захар Попов. В числе соавторов еще один бывший красноярец — Павел Сорокин. Но сейчас Павел, который как-то побеждал в нашем рейтинге в номинации молодой ученый года, трудится в Москве.

Двумерный материал — это пленка толщиной в один или несколько атомов. Плоский кристалл толщиной в один атом ведет себя не так, как его объемный собрат. Например, графен — кристалл из одного слоя атомов углерода — называют самым прочным веществом на планете. За его создание физики Андрей Гейм и Константин Новоселов в 2010 году получили Нобелевскую премию. С тех пор весь мир бросился получать и исследовать сверхтонкие материалы.

Однако пора вспомнить про ниобат теллура. Строго говоря, в статье рассматривают не совсем плоский материал, а приближение к нему. Кристаллы ниобата теллура с примесью кремния состоят из трех слоев атомов: слой теллура, слой ниобия с вкраплениями атомов кремния и снова слой теллура. Это вещество относится к полупроводникам, значит, его можно использовать в электронике и прочих высокотехнологичных сферах.

Целью работы было проверить, как переход к сверхтонкому состоянию влияет на сопротивление вещества (для продвинутых отметим, что в статье, конечно же, исследуют не сопротивление, а электрон-фононное взаимодействие). Насколько я понимаю, российские теоретики предсказали, что в двумерном материале сопротивление будет падать, а американские коллеги подтвердили это экспериментально.

Светящиеся грибы

фото: Грибник-клуб

Нельзя написать ежегодный отчет и не упомянуть биофизиков. Тем более, повод для этого есть. Эту новость можно смело писать в формате «российские ученые сделали открытие». Вот уже два года нас радует биолюминесценция — свечение живых организмов. В 2014 году красноярские биофизики и московские биохимики расшифровали систему свечения крошечных таежных червей. В 2015 году взломана система свечения грибов. Удивительно, но до сих пор никто не знал, за счет чего светятся грибы.

Вообще, все организмы светятся примерно одинаково. Специальная молекула под названием люциферин окисляется в присутствии кислорода, переходит в возбужденное состояние и потом разряжается с испусканием света. Конечно, у этого процесса у разных организмов масса нюансов. В результате и цвет свечения может отличаться, и задействованные молекулы, конечно, не одинаковые.

До этого года люциферин грибов не удавалось получить никому. В принципе было понятно, что у светящейся молекулы должен быть предшественник, из которого она и получается. Но как найти этот предшественник? Проблема для биохимии обычная. Если искомого вещества мало, то обнаружить его не просто. Один из ключевых авторов работы, красноярский биофизик Константин Пуртов, пошел нестандартным путем. Он решил, что молекулу-предшественник нужно искать в … несветящихся грибах. Результат не заставил себя ждать. В собранной около Красноярска чешуйчатке обыкновенной (никогда не знал про такой гриб) было обнаружено достаточно большое количество вещества, которое при реакции с вытяжкой из светящегося вьетнамского гриба дает свет. Этим веществом стал хорошо известный антиоксидант гиспидин. Специальный фермент в светящихся грибах перегоняет гиспидин в люциферин, а тот после окисления испускает свечение.

Люциферин грибов отличается от люциферинов других светящихся организмов. Так что можно говорить об открытии новой системы свечения в живом мире. Сейчас, после открытия российских ученых, нам стало известно уже девять таких систем.

Аптамеры для диагностики рака

Рисунок из статьи

Анна Замай с аптамерами уже попадала пару лет назад в наш рейтинг. Аптамеры — это небольшие молекулы, которые могут находить внутри организма нужные соединения и «присоединяться» к ним. В прошлом году Анна с коллегами опубликовала результаты по поиску аптамеров, которые будут находить циркулирующие в крови раковые клетки для диагностики рака легкого. Ученым нужно было сделать такие датчики-аптамеры, которые не будут реагировать на клетки легких или крови и даже не будут реагировать на раковые клетки в легких — они должны узнавать только циркулирующие раковые клетки.

Судя по приведенным данным, такая задача под силу нашей науке (хотя ошибки в диагностике с помощью этого метода пока случаются). Впрочем, нужно понимать, что речь идет не о готовой технологии, а о разработках, которым до больницы еще нужно пройти многочисленные проверки и тесты. Кстати, научная журналистика считает тему медицины одной из самых сложных. Велика вероятность, что даже чуть некорректно описанные результаты исследования дадут кому-то необоснованную надежду или отвлекут от реальности.

Атмосфера экзопланет

фото: Planet Hunter

В год «Марсианина» и «Звездных войн» было не обойтись без космической науки. Стабильно попадающий в топ красноярских авторов Николай Еркаев вместе с коллегами поведал миру о потерях водорода из атмосферы у планеты марсианского типа, находящейся в обитаемой зоне около звезды, похожей на солнце.

Собственно говоря, здесь всё просто (если не вдаваться в само исследование). Во Вселенной есть звезды, близкие по своим характеристикам к Солнцу. Мы можем предполагать, что около них есть планеты. Для многих звезд такие планеты (ученые называют их экзопланеты) уже и обнаружены. Так как другой жизни, кроме белковой на углероде, мы пока не представляем, будем предполагать, что жизнь развивается на планетах, которые находятся на подходящем расстоянии от звезды — не слишком близко и не слишком далеко, примерно, как Земля от Солнца. Для существования белковой жизни на планете должна быть атмосфера. На Земле есть и атмосфера, и жизнь, а на Марсе атмосферы нет (он её потерял), и жизни там тоже пока не обнаружено (даже если и была, то не выжила).

В статье рассматривается планета на стадии формирования и поведение её водородной атмосферы при нагреве ультрафиолетом и мягким рентгеновским излучением от молодой звезды. Авторы показывают, что при определенных условиях атмосфера практически взрывается. В этом случае весь водород от планеты просто-напросто улетает, и, чтобы планета стала достаточно влажной (вода = водород и кислород = нет водорода, нет воды), её нужно хорошенько закидать кометами. Довольно жуткая картина (впрочем, и мой упрощенный пересказ статьи тоже можно описать этим словосочетанием).

оригинал статьи тут