От роговицы до квантовых компьютеров: определена десятка ярких научных работ 2023
Более усовершенствованная модель расчета прогноза погоды была внедрена в оперативный прогноз на территории России в сентябре 2023 года. Если раньше разрешение сети, так называемый шаг температурных измерений по поверхности Северного полушария, измерялось в пределах 30 километров и больше, теперь оно уменьшилось до 10 километров.
Прогноз погоды это то, с чем каждый из нас сталкивается каждый день. И каждый синоптик скажет вам, что погоду невозможно прогнозировать на промежуток времени длиной более 5 дней — это максимум, который пока не перешагнул никто. Но что касается точности прогнозирования в течение этого периода, она у российской модели средне-срочного прогноза погоды до последнего времени оставляла желать лучшего.
В уходящем году сотрудники Института вычислительной математики им. Г.И. Марчука РАН совместно с Гидрометцентром РФ усовершенствовали математический инструмент синоптиков. В лаборатории под руководством профессора РАН Михаила Толстых была разработана, а потом внедрена модель «ПЛАВ-10».
Это так называемая система детерминистического, то есть, учитывающего все явления и процессы, численного прогноза погоды. Если мысленно двигаться по поверхности Земли, то сейчас, благодаря «ПЛАВ-10», расстояние между измеряемыми точками составляет 10 километров. Это разрешение в три раза превышает прежнее, теперь наши синоптики владеют математическим инструментом, сопоставимым по уровню точности с мировыми моделями.
Идея создания искусственной роговицы лежала на поверхности долгие годы. Это было обусловлено высокой частотой заболеваний в результате травм, ожогов, генетических заболеваний и дефицитом донорского материала. По последним данным, на одну донорскую роговицу, взятую у умершего человека, претендуют примерно 70 пациентов.
Есть сегодня в арсенале медиков искусственные роговицы из синтетических биополимеров, но они часто отторгаются организмом из-за плохой биосовместимости. Российским ученым НИИ глазных болезней им. М.М. Краснова удалось создать искусственную роговицу из коллагена, которая абсолютно биосовместима с организмом. Мало того, тканевые инженеры разработали такую методику, при которой со временем она растворяется и замещается собственными тканями пациента, «включается» механизм собственной клеточной регенерации.
В основе коллагеновой мембраны Viscoll, разработанной нашими учеными, лежит использование стерильного, высокоочищенного раствора коллагена 1 типа. Мембрана достаточна прочна, что важно при ее шовной фиксации. На сегодняшний день пройден ряд многолетних экспериментов на кроликах породы шиншилла, у которых специалисты получили прозрачное приживление трансплантата.
Клинические испытания продолжаются. Специалисты рассчитывают, что года через два после введения коллагеновой роговицы в практику, очередь из пациентов может сократиться на 20-30%.
В мире химии катализаторы — это незримые герои. Они ускоряют химические реакции, при этом сами не расходуются, и играют ключевую роль во многих процессах, от производства лекарств до очистки окружающей среды. Однако понимание того, как работают катализаторы, всегда было сложной задачей. В Институте органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН предложили по-настоящему революционную идею – трансформирующего 4D-катализа. Новая концепция была открыта и описана в 2023 году в лаборатории под руководством академика РАН Валентина Ананикова.
Представьте, что вы можете наблюдать за химической реакцией по мере её протекания, видя, как молекулы взаимодействует с каталитическим центром и изменяются со временем. Это четырехмерный взгляд на катализ, не как на статичный процесс, а как на динамичный танец атомов и молекул, позволит ученым разрабатывать новые, более эффективные ускорители реакций.
Переход к 4D-катализу не был бы возможен без современного компьютерного прорыва — алгоритмизированного искусственного интеллекта (ИИ). Сложность химических реакций, с бесчисленным количеством переменных и одновременно протекающих реакций, уже обрабатываются и анализируются ИИ, он помогает решать «нерешаемые» ранее задачи.
Потенциальные области применения новой технологии очень разнообразны. Представьте топлива, которые сгорают чище, уменьшая воздействие на окружающую среду, более прочные и долговечные материалы, эффективные лекарства, адаптированные к индивидуальным потребностям пациента да еще с меньшим количеством «побочек». Появление химических веществ для подобных достижений уже находится в пределах обозримого будущего.
Самый мощный универсальный ионный квантовый компьютер в России был продемонстрирован в 2023 году сотрудниками совместной лаборатории Физического института им Лебедева РАН (ФИАН) и Российского квантового центра.
Чтобы понять, какой квантовый компьютер лучше, важно учитывать сразу несколько параметров. Один из них – количество единиц информации – кубитов. В компьютере разработчиков из ФИАНа их 20. Но, по словам одного из авторов работы Ильи Семерикова, кроме количества важна также достоверность одно-кубитной и двухкубитной операций, важно понимать, какой сложности алгоритм можно запустить на квантовом компьютере.
В настоящее время российский ионный квантовый компьютер немного уступает западным аналогам, имеющим по 30-32 кубита. Но! Он вырывается вперед по другому параметру, – в нем специалисты опробовали не простую кубитную (двухуровневую квантовую систему), а сразу четырехуровневую – кудитную, которая эффективней от двух до 6 раз в зависимости от заложенных алгоритмов вычисления. Компьютеров, способных на такое, в мире всего два – один — в ФИАНе, второй в Австрии, причем созданы они были почти одновременно. У нашего компьютера очень хорошая достоверность однокубитных операций – 99,95%. Также на нем уже проведены первые алгоритмы реализующие преимущества кудитных систем.
Ожидается, что первое полезное применение квантовых компьютеров в мире начнется в диапазоне от 5 до 10 лет. Российские ученые уверены, что не отстанут от мировых трендов и также через 5-10 лет смогут выдавать результаты по моделированию сложнейших химических веществ, включая лекарства, эффективные бизнес-прогнозы и пр. Однако точно предсказать, какая задача станет первой для квантового компьютера в будущем, пока не берется никто.
Базу данных с информацией о более тысяче ведущих аналитических центров («фабрик мысли»), расположенных в «незападных» странах собрали и верифицировали в 2023 году сотрудники Института научной информации по общественным наукам (ИНИОН). Исследование охватывает аналитические центры в Китае, Монголии, Индии, Иране, Турции, ряде арабских государств, странах-членах ЕАЭС и других бывших республик СССР.
Основной задачей ученых было предоставить, как российским, так и зарубежным ученым хороший навигатор по аналитическим центрам, который лишен ангажированности и политической предвзятости публиковавшихся ранее рейтингов американских университетов. В институте уверены, что их данные будут способствовать развитию научной дипломатии по тем направлениям, где ранее она была в дефиците.
ОБЩЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. ОБЛОЖКА АТЛАСА АНАЛИТИЧЕСКИХ ЦЕНТРОВ БОЛЬШОЙ ЕВРАЗИИ. ФОТО ПРЕДОСТАВЛЕНО А. КУЗНЕЦОВЫМ.
Среди конкретных результатов можно отметить начало выпуска справочников. Уже увидел свет первый том «Атласа аналитических центров Большой Евразии», посвященный странам ЕАЭС, Азербайджану, Таджикистану, Узбекистану, Монголии, второй планируется к выпуску в 2024 году. Учеными ведется перевод полученной информации на английский, китайский и некоторые другие языки, устанавливается прямая научная коммуникация с представителями аналитических центров из разных стран.
Забрезжил «луч света» для больных эпилепсией. В ноябре 2023 года в престижном международном журнале Gene Therapy вышла статья о генном подходе к лечению эпилепсии с довольно большим списком авторов из Москвы и Питера. В нем – физиологи из Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Института эволюционной физиологии и биохимии им. Сеченова РАН, молекулярные биологи из Института биоорганической химии им. Шемякина-Овчинникова РАН, Федерального центра исследований мозга и нейротехнологий ФМБА, Российского национального исследовательского медицинского университета имени Н.И. Пирогова.
Дело в том, что десятки миллионов людей во всём мире страдают от наследственной или приобретенной эпилепсии. Причиной судорожных припадков является безудержная активность нервных клеток, расположенных во вполне определённых и хорошо известных физиологам и медикам отделах головного мозга. Смысл лечения – подавить эту активность, заставить нейроны «замолчать». До последнего времени это если удавалось, то медикаментозным или хирургическим путем. Но примерно в 30% случаев лекарства этим больным не помогают. Ученые нашли альтернативу – современную генную терапию.
Генетическим «инструментом» в работе 2023 года, о которой идёт речь, стал ген вполне конкретного белка. Авторы с помощью безвредного вируса-носителя целенаправленно ввели ген этого белка в те конкретные клетки мозга, которые отвечают за эпилептический припадок. Через какое-то время ген произвёл (экспрессировал) в этих клетках нужный белок (белок этот – ионный канал для ионов калия). В результате этого нервная клетка «замолчала», её безудержная физиологическая активность затормозилась!
Конечно, пока работа находится на стадии сугубо фундаментальных, лабораторных исследований. Но ученые уверены, что данный подход в итоге окажется весьма перспективным.
Сельскохозяйственные науки. Самый богатый урожай
В 2023 году ученые Федерального исследовательского центра «Немчиновка» установили рекорд: вывели сорт озимой пшеницы, который на делянке потянул на 158(!) центнеров с гектара, и это без потери качества зерна! Назвали красавицу «Васильевной»!
Чтобы было понятней, сорта «Немчиновки» и раньше славились высокими урожаями сочетающимися с высоким качеством зерна, среди которых сорта Московская 39, Московская 40, Московская 56, Немчиновская 24, Немчиновская 85. Урожайность сорта Немчиновская 24 на опытных делянках, при высокоинтенсивной технологии возделывания достигала 140 центнеров с гектара. Но ученые шли вперед, создавая новый, более перспективный селекционный материал.
Васильевна «закладывалась» десять лет назад, в 2013-м году, когда сотрудники лаборатории озимой пшеницы скрестили сорт Немчиновская 24 с румынским сортом. После полученный результат методом ступенчатой гибридизации скрестили с сортом немчиновской селекции Московская 40. Далее была выделена перспективная линия, которую оценивали в полевых условиях на продуктивность, зимостойкость, устойчивость к болезням и в лабораторных условиях по содержанию в зернах белка и клейковины — главных качеств для хлебопечения.
