Сегодня - 07.04.2020

Научный Лувр: зачем ученым коллекции, и какими они бывают

23 января 2020

Не все знают, что у ученых есть свои коллекции. Такие уникальные собрания по научной ценности могут сравниться с лучшими произведениями из Эрмитажа. В этом репортаже рассказ о трех коллекциях ученых Красноярского научного центра СО РАН: искусственных кристаллов, бактерий и спилов деревьев.

Научные коллекции, в отличие от обычных, собирают не для того, чтобы ими любоваться, выгодно вложить деньги или удовлетворить свою страсть к обладанию чем-то уникальным, хотя с частью этих функций они справляются на отлично. Их основное предназначение — помогать исследователям и сокращать количество белых пятен в нашем представлении об окружающем мире. Чтобы понять, для чего ученым коллекционировать порой странные и непримечательные для обычного человека вещи, мы решили рассказать о некоторых экспонатах из лабораторий Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН». 
 
Кристаллы, приготовленные в печах
 
В Институте физики им. Л. В. Киренского находится одна из самых красивых коллекций красноярских ученых — искусственных кристаллов различных минералов: гранатов, гексаферритов, гематитов, боратов железа и других. Все эти кристаллы ученые выращивают сами. «Мы печем кристаллы в электрических печах, созданных в нашей лаборатории. Помещаем в камеру сосуд с раствором, который перемешивается при помощи специальных стержней-держателей. На них спонтанно зарождаются и начинают расти кристаллы. Когда их размер достигает одного миллиметра, мы снимаем их с держателя. Эти маленькие кристаллики помещаются в специальные отверстия держателя и вновь опускаются в раствор. Дальше кристалл растет на этой затравке. Полученные изделия дополнительно не обрабатываются. То, как они выглядят — их естественный вид», — рассказывает о процессе старший научный сотрудник Института физики ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат физико-математических наук Ирина Анатольевна Гудим.
 
 
Коллекция возникла спонтанно. Изначально выращенные в лаборатории кристаллы использовались в микроволновой технике и радиолокационных станциях. Например, из гранатов изготавливались разные технические элементы: от головок для видеомагнитофонов до элементов нейтронных реакторов. Затем у ученых возник интерес к пропускающим свойствам кристаллов. Для этих задач специалистам Института физики пришлось освоить технологию производства не только черных гранатов, но и прозрачных. «Такие кристаллы пригодны для лазеров и устройств, ограничивающих мощность энергии. После насыщения кристалл перестает пропускать энергию и таким образом позволяет ограничивать мощность, которая через него подается на устройство», — поясняет Ирина Гудим.
 
После того как в институте научились выращивать прозрачные кристаллы, ученые задались вопросом: почему бы не попробовать сделать их цветными. И попробовали — начали добавлять в образцы переходные металлы и другие элементы, которые позволили раскрасить изделия. Для получения красного цвета в исходный раствор для выращивания кристалла добавляют марганец, для изумрудного — хром или кобальт. Подобрав соответствующие комбинации элементов, красноярские ученые смогли создать то, чего нет в природе — голубые гранаты. «Некоторые кристаллы из-за особенности метода их изготовления получаются двухцветными. Причем граница перехода одного цвета в другой практически не видна. Достижение такого эффекта считалось невозможным, но мы смогли добиться такого результата», — делится Ирина Гудим.
 
В коллекции есть несколько образцов, которые, вероятно, видел еще основатель академической науки в Красноярске академик Леонид Васильевич Киренский. Именно с подачи этого выдающегося ученого началась работа по выращиванию кристаллов в красноярском Академгородке. С 60-х годов прошлого века в коллекции сохраняются образцы железистых гранатов и перовскитов. К сожалению, многие из раритетов были безвозвратно принесены в жертву науке. Научная коллекция — это не застывший во времени экспонат, а один из инструментов ученого. Когда исследователям требуется для работы тот или иной кристалл, его без колебаний предоставляют. Такую растрату легко объяснить: чтобы вырастить кристалл с заданными свойствами, нужны месяцы, а иногда и годы. Коллекция, конечно, страдает, но служит основному делу — науке.
 
Индикаторные лампочки бактерий
 
В Институте биофизики поддерживается коллекция биолюминесцентных бактерий и грибов. Она зарегистрирована во Всемирной федерации коллекций культур (WFCC) и Международной сети данных о штаммах микроорганизмов и клеточных линиях. Сейчас коллекция насчитывает около трехсот светящихся культур микроорганизмов из различных районов Мирового океана — от тропических до полярных широт. Образцы взяты как на поверхности, так и на глубинах до нескольких тысяч метров. Здесь хранятся не только морские светящиеся бактерии, но и генно-модифицированные, способные светиться штаммы кишечной палочки (E.coli).
 
Свечение бактерий и грибов можно увидеть в темноте невооруженным глазом. Светящаяся культура является прекрасной индикаторной лампочкой — она гаснет, если ее обработать каким-нибудь токсикантом. Для сохранения светящихся бактерий важно поддерживать организмы в живом состоянии, создавать для них специальные условия. «Часть свойств многих биолюминесцентных организмов может потеряться при длительном хранении. Поэтому время от времени нужно проверять их характеристики и пересевать культуры. Бактерии — раз в месяц. А грибы — раз в год. В стерильную посуду помещается питательная среда. Затем мы набираем посевной материал из старых емкостей и переносим культуры в новую питательную среду, где они заново прорастают и хранятся до следующего пересева. Если культура теряет способность светиться, приходится применять специальные меры для восстановления этого свойства», — рассказывает руководитель коллекции старший научный сотрудник Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат биологических наук Светлана Евгеньевна Медведева.
 
 
Первые образцы в коллекции появились после морских экспедиций красноярских биофизиков на легендарном советском научно-исследовательском судне «Витязь» в 1960-х годах. Работами по исследованию свечения мирового океана руководил академик Иосиф Исаевич Гительзон. Как и в случае с искусственными кристаллами, жизнь коллекции тесно связана с запросами ученых. Около двадцати лет назад красноярские биофизики заинтересовались биолюминесценцией более сложных организмов. За последние годы коллекция пополнилась мицелием светящихся грибов из Европы, Канады, Вьетнама, Малайзии. Есть среди экземпляров и сибирские опята, которые тоже могут испускать свет.
 
Грибная тематика принесла ряд ярких научных открытий. В 2018 году ученые расшифровали систему биолюминесценции этих организмов, принцип работы которой раньше был неизвестен. Грибы могут светиться дольше и стабильнее, чем бактерии, что позволит использовать их в качестве биосенсоров в течение длительного времени. «С помощью светящихся грибов можно определять здоровье деревьев. Обычно опята селятся на слабых и травмированных деревьях. Соответственно, по свечению образца древесины можно выявить наличие грибного мицелия и определить, здорово дерево или нет. Метод очень простой и может применяться вне зависимости от времени года и погоды, и при этом он не причиняет вреда самому дереву», — говорит Светлана Медведева.
 
За многолетнюю историю с использованием фондов коллекции было сделано множество открытий. К примеру, разработана методика биотестирования качества окружающей среды на основе природных светящихся бактерий и выделенных из них ферментов. Материалами коллекции пользуются студенты, аспиранты и ученые из разных институтов. Выделенные из образцов биолюминесцентные системы предоставляются в другие научные и учебные заведения для дальнейшего изучения и расширения наших знаний о таком интересном явлении, как свечение живых организмов. 
 
Деревья как книги прошлого
 
Сотни спилов и кернов деревьев хранятся в коллекции Института леса им. В. Н. Сукачёва. Керн — это небольшой, около пяти миллиметров в диаметре, цилиндр древесины, который высверливают из ствола при помощи специального бура. В каком-то смысле керны намного удобнее спилов: они требуют значительно меньше времени и усилий при отборе и не сильно повреждают деревья. Однако для исследований спилы подходят больше. В отличие от кернов, они хранят полную информацию о годичных кольцах.
 
Большинство из представленных образцов собраны на огромных просторах Сибири: от Таймыра до Камчатки, от полярной границы леса до южных территорий Алтая. Наиболее интересны ученым труднодоступные места, именно туда они и отправляются в экспедиции. Только там, где природа не тронута человеком, можно добыть интересные и показательные для исследований образцы деревьев. Ради них исследователи преодолевают сотни и тысячи километров. 
 
 
«Во время полевых исследований иногда очень сложно добраться до мест сбора образцов. Они могут находиться за несколько десятков километров от основных трасс или хоть каких-нибудь дорог. Путь часто пролегает через гари, завалы сухостоя или заболоченные участки. Участники экспедиции несут на себе оборудование для сбора дендрообразцов: цепные пилы, топливо и масло для них, ремкомплекты. С таким набором через болота не попрыгаешь», — рассказывает о непростой работе научный сотрудник Института леса ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат биологических наук Сергей Викторович Жила.
 
Возраст некоторых деревьев, представленных в коллекции, достигает тысячи лет. Чтобы определить это, нужно подсчитать годичные кольца на спиле или керне. Но для ученых кольца важны не только возможностью узнать возраст. «Годичные кольца отражают состояние дерева и условия, в которых оно росло на протяжении всей жизни. Основываясь на спилах всего лишь нескольких растений, изучая их анатомическую структуру или состав, можно предсказать положение участка леса, был ли он здоров или поражен какой-то болезнью, менялся ли в этом время климат», — отмечает заведующий лабораторией структуры древесных колец Института леса ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Владимирович Шашкин.
 
На некоторых спилах видны пожарные отметины. Это очень ценные образцы. Зная возраст дерева, по ним можно определить и точно датировать, когда и где происходили пожары и с чем они связаны. Отдельный интерес для ученых представляют погибшие деревья. Они позволяют узнать, в каких условиях деревья росли тысячи лет назад. Особенно хорошо такие экземпляры сохраняются на севере — в вечной мерзлоте. К примеру, одному из образцов в коллекции более сорока тысяч лет. Чтобы определить его возраст, ученым пришлось использовать радиоуглеродный анализ. 
 
Как и все коллекции, спилы требуют особого ухода. «После сбора древесину важно просушить, иначе она может покрыться плесенью, испортиться и не будет представлять не только научной, но даже эстетической ценности», — рассказывает Александр Шашкин. При высушивании дерево может потрескаться или даже распасться на мелкие кусочки. Чтобы избежать разрушения, спилы стягивают широкой алюминиевой проволокой и хранят в сухом помещении. На каждом образце обязательно размещают информацию о месте и дате сбора. Спилы зачищают и полируют, тогда годичные кольца будут отчетливо видны. В таком виде образцы занимают свое место в коллекции.
 
Изучая годичные кольца деревьев, ученые узнают, как на наземные экосистемы влияет человек, проводят реконструкцию климата, оценивают влияние погодных и территориальных условий на рост и состояние дерева. По древесным кольцам можно узнать даже о магнитных бурях прошлого. Взгляд в прошлое позволяет с некоторой вероятностью предсказать, что станет с планетой в будущем. 
 
Текст и фото группы научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (3 votes)
Поделись с друзьями: 

Система Orphus