Исследования Института биофизики ФИЦ Красноярского научного центра СО РАН охватывают не только три стихии биосферы — воду, землю и воздух — но и двигаются выше и выше: в космос. Как выжить в перелетах к другим планетам? Сможем ли мы предотвратить глобальное потепление? Как станет выглядеть Земля через сотни лет?
Андрей Георгиевич Дегерменджи, доктор физико-математических наук, академик РАН, с 1996 года руководит Институтом биофизики СО РАН (Красноярск). Специалист в области биофизики микробных популяций, математического моделирования экосистем. В настоящее время занимается моделированием глобального климата, развитием систем жизнеобеспечения. В 2014 году был избран почетным профессором Пекинского университета авиации и космонавтики.
Когда объединение во благо
— Андрей Георгиевич, в прошлом году Институт биофизики вошел в Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр СО РАН». Что это дает институту?
— К подобному шагу мы шли сознательно. Причин несколько, одна их них — сохранение институтов, входящих в Сибирское отделение Российской академии наук. Как вы знаете, Сибирский федеральный университет стремился присоединить нас к себе, мы же эту инициативу не приветствовали — хотели развиваться и работать самостоятельно. Еще один резон — рейтингование институтов. Традиционно главные критерии здесь — это уровень работ (публикаций, внедрений, патентов). Инициатива понятная и нужная, однако критерии и правила рейтингов не до конца ясны. Если в рейтинге появятся валовые показатели — а мы всегда считали показатели удельные, как работает каждый сотрудник — тогда маленькие по количеству сотрудников институты очевидно займут последние строчки. Федеральный исследовательский центр (ФИЦ) получил, скажем так, индульгенцию на ближайшие пять лет — нам дают возможность работать, а после будет оценено, насколько такой подход результативен. Словом, ФИЦ для нас — это режим и самосохранения, и развития.
— Верно ли говорить о том, что вы положительно оцениваете создание ФИЦ как для вашего института, так и для науки в целом?
— Да, в создании ФИЦ я вижу только позитивные составляющие. Многие переживали, что усилится бюрократия, однако практика показала: это не так — везде, в том числе и в ФАНО, есть очень толковые руководители.
Огромный плюс — взаимодействие между институтами, поскольку теперь мы части одного юридического лица. Думаю, и отношение населения к науке с появлением такого федерального объединения должно меняться в лучшую сторону. Если раньше каждый институт был сам за себя, то теперь все наши научные успехи будут ассоциироваться с большой красноярской академической структурой.
— Одна из главных целей объединения вошедших в ФИЦ институтов — ускорение исследований и сотрудничества между учеными из разных институтов. Какие наработки в этом вопросе есть у Института биофизики?
— Речь идет о перечне исследований, где биофизика выходит за свои пределы — медицина, сельское хозяйство, работы по экологическому мониторингу. К примеру, биолюминесцентные методы могут найти хорошее применение в Институте медицинских проблем севера, который также вошел в состав ФИЦ КНЦ СО РАН. Аналитические биолюминесцентные метки работают не хуже, чем традиционные радиоактивные — точность у них такая же, а скорость выше. По таким критериям, как стоимость и безопасность, светящиеся метки также выигрывают. Сейчас в институте намечаем использование биолюминесцентных методов в системах допингового контроля.
— Какие работы в области биотехнологии — одной из главных дисциплин XXI века — ведет Институт биофизики?
— Большой объем исследований связан с биополимерами, полученными в результате микробиологического биосинтеза. При определенных условиях микроорганизмы начинают производить не белок, а полимеры, которые можно эффективно использовать в медицине, сельском хозяйстве, при создании упаковочных пакетов.
Думаю, эти работы в итоге выльются в создание нового института — биотехнологии. Давно началось строительство корпуса биотехнологии в Институте биофизики СО РАН, но так и не было закончено. Сегодня эта тема более чем актуальна. Нужны специалисты-биотехнологи и новые пилотные производства. ФАНО обещает поддержать проект. Корпус должен быть достроен, а институт — стать основой для нового направления работ, вобрать в себя и фундаментальные, и прикладные исследования. Такой «мост» от научных работ к производству крайне необходим.
В воздухе, на воде и на суше
— Расскажите подробнее о работах, касающихся сельского хозяйства.
— По этой тематике наш институт ведет сразу несколько проектов. Доктор биологических наук Татьяна Григорьевна Волова разработала систему упаковки удобрений и гербицидов в биополимерные трехмерные структуры, которые могут распадаться с заданной скоростью. Их можно помещать в грунт на этапе посева, а не раскидывать по всему полю — в нужное время удобрения будут медленно «выходить». Сама идея не нова, но вот упаковка новая — она имеет регулируемую скорость разложения.
Еще одна тема — фитотроны, в которых мы занимались селекцией растений для замкнутых систем. Фитотроны — мощный способ размножения и ускорения селекции.
Перспективна тема дистанционного зондирования полей. Мы говорим про трехуровневый подход: первый уровень — наземный, собирающий показания по влажности и состоянию растений, почвы по полям. Второй — авиационный, приборы спектрально «смотрят» на растения. Третий — космический. Сейчас авиационный уровень может быть заменен беспилотной техникой. За счет средств программы развития ФИЦ уже заказана аппаратура — мини-спектрографы. Теперь дело за полигонами, на которых можно проводить первые работы: картировать точный контур посевов, анализировать состояние растений на них, типы растений. Качественно работы по оконтуриванию и диагностике полей можно сделать уже в текущем году с Красноярским научно-исследовательским институтом сельского хозяйства ФИЦ КНЦ СО РАН.
— Андрей Георгиевич, в какой сфере лежат ваши научные интересы?
— Мой научный конек — биофизика экосистем. Эти исследования начинались с проточной гомогенной системы, в которую поступает питательная среда и из которой она выходит вместе с выросшими там бактериями. Задача была установить, почему вопреки экологическим принципам (принцип Гаузе) виды бактерий могут сосуществовать. Шаг за шагом теория и опыт позволили понять, что многие виды бактерий выделяют метаболиты, которые регулируют рост других видов, что и заставляет их соседствовать — они друг от друга зависят. Обратные взаимодействия выравнивают скорости роста разных видов бактерий. Это новая ветвь экологии, которая связана не только с питанием, но и с другими важными способами метаболических взаимодействий, объясняющихся и управляющихся сосуществованием.
Потом возник вопрос, как можно находить эти факторы-регуляторы? Оказалось, что они обладают особыми свойствами — их можно отследить по динамике. Мы открыли явление аутостабилизации — они «сами себя» стабилизируют по концентрации, держат на одном уровне, поэтому и скорости роста у разных видов равны.
— Нашли ли ваши исследования приложения в реальной среде?
— Да, сначала мы вели работу на нескольких водохранилищах, потом — на озере Шира. Оказалось, что некоторые открытые в лаборатории законы работают и в природе, но не везде, а только там, где есть перемешивание системы. Поиск факторов, которые регулируют рост водорослей, рачков, бактерий, важен в любой водной системе, особенно на лечебных озерах, ведь наличие или отсутствие какой-то причины может изменить состав всей среды. Знания об экосистемах — как они себя ведут, как ими можно управлять — работают на будущее. Уверен, появится мостик и возникнет новый тип исследований — эколого-медицинское направление в бальнеологии.
— Есть ли другие примеры, когда научный потенциал института помогал решению конкретных практических задач?
— Безусловно. Один из них также касался озер, общая проблема для которых — цветение микроводорослей. Моей группой на основе наблюдений и специальных опытов были созданы математические модели прогноза цветения с учетом разных факторов. Эти, по сути лабораторные, знания были применены на Кантатском водохранилище города Железногорска. С помощью наших моделей проверили несколько возможных причин цветения водоема, и в итоге оказалось, что основная — это поток минерального фосфора со дна.
Второй пример также касается цветения, эту работу на реке Бугач вел доктор биологических наук Михаил Иванович Гладышев. Было подозрение, что на изменение цвета воды влияют стоки мясокомбината и маргаринового завода. Но выяснилось: водоросли поедает карась, они не перевариваются, попадают обратно в воду с экскрементами и после этого цветут еще лучше, чем до «входа». На уже отлаженной математической модели просчитали гипотезу и подтвердили этот механизм цветения (не стоки!). Ясен стал и способ борьбы: убери карася — уменьшится развитие фитопланктона! Проверили сначала на моделях, а потом и на практике. Михаил Гладышев привез на объект щук — они поедали карася, правда, пришлось всё лето следить, чтобы рыбаки не ловили щук. Цветение одного из видов упало до нуля — фантастика, от теории до эксперимента и решения проблемы! Безусловно, наш опыт нужен и Лимнологическому институту СО РАН для решения проблемы цветения части Байкала, но пока нет ответной реакции на наши предложения.
Еще одна задача, особенно актуальная в Год экологии, — «возвращение» температурного режима Енисея ниже Красноярской ГЭС. Институт вычислительного моделирования СО РАН предложил построить плавающие водозаборы, чтобы в теплое время брать воду с поверхности. Согласно их расчетам, вода в реке потеплела бы до 18—19 градусов. Мы как биофизики решили теоретически просчитать, как река сама себя отчищает от органики. Оказалось, что в целом за год самоочищение не изменилось.
Совместно с Международным агентством по атомной энергии (МАгАтЭ), чьей основной деятельностью является развитие сотрудничества в области мирного использования атомной энергии, мы занимаемся «горячими частицами», которые обнаружены в пойме Енисея и являются локальными, точечными источниками излучения (речь не идет о тотальном загрязнении территории). Но главный вопрос, который встанет в будущем — это реабилитация загрязненных участков реки. Мы говорим о биореабилитации — растения поглощают загрязнения из почвы, накапливают их, потом эта флора убирается. Сейчас в лабораториях уже ведутся эксперименты, которые показывают, как происходит поглощение и накопление радиации растениями.
— Институт биофизики предложил особый взгляд на изучение проблемы глобального потепления. В чем заключается этот подход?
— В основе официально принятого сегодня в мировом сообществе метода расчетов и прогнозов по изменению климата лежит парниковый эффект и подробнейшая модельная карта климата на Земле: она создана Межправительственной группой экспертов по изменению климата (IPCC). Гигантские модели рассчитываются на суперкомпьютерах и пытаются учесть все процессы на описываемых ими территориях и все факторы, влияющие на выделение и поглощение парниковых газов.
Мы предложили посмотреть на задачу по-новому: отойти от кажущихся точными имитационных моделей климата и упростить расчеты так, чтобы получить ответ на самый важный вопрос — какие негативные принципиально необратимые изменения ждут нас. Этот принцип наихудшего сценария мы и предлагаем использовать в изучении проблемы глобального потепления. То есть при расчетах выделения и поглощения СО₂ нужно учитывать только те факторы, что способны привести (либо нет) к необратимой точке глобального потепления и началу цепной реакции, которую будет уже невозможно остановить, даже если все страны мира в одно мгновение прекратят сжигать углеводороды. Такой подход резко сокращает количество факторов, требующих уточнения.
Наши модели впервые показали возможность существования так называемой «даты необратимости», после которой глобальное потепление нельзя будет прекратить. Сейчас стоит задача попасть в шестой доклад IPCC — это главное.
Круговорот будущего
— Реализованный на базе института проект — система «БИОС» — положил начало циклу исследований. Какие работы на данный момент ведутся в этом направлении?
— Замкнутая система жизнеобеспечения сейчас — это приоритет для института. Расписан план работ на 2017-й и первую половину 2018 года. Если они будут реализованы и поддержаны ФАНО и ФИЦ, то уже в 2018-м мы планируем начать новый годовой эксперимент с экипажем — «БИОС-4». Эта работа, уверен, принесет международную славу и ФИЦ, и России. И вызовет широкий общественный резонанс, потому что никто в мире, кроме Китая, который заимствовал нашу технологию, подобных экспериментов не проводил.
Первая экспериментальная установка («БИОС-1») появилась в 1964 году — производимого в ней водорослями кислорода было достаточно для одного человека. Позднее был замкнут и водообмен, что позволило провести 45-суточный опыт. В 1966 году были начаты эксперименты в системе «человек — микроводоросли — высшие растения» на установке «БИОС-2». В 1968 году состоялись эксперименты с экипажем из двух человек, самый продолжительный из них шел 90 суток. В 1973 году была построена автономная экосистема «БИОС-3», имитирующая внеземное поселение людей. Самый длительный и известный эксперимент длился 180 суток. В настоящее время ИБФ сотрудничает по замкнутой системе жизнеобеспечения с Пекинским аэрокосмическим университетом.
— В чем будет принципиальное отличие «БИОС-4» от предыдущих экспериментов?
— К прошлым опытам добавлен новый способ переработки твердых и жидких выделений человека и несъедобной органики. Мы не будем их складировать, как раньше, а вернем вещества в круговорот. Технологии для этого практически готовы, они войдут в «БИОС-4» как новый инструмент цикла круговорота. Это сильно поднимет процент замкнутости — до 98 %; система станет практически автономной. Плюс, в «БИОС-4» будут использоваться новые типы фитотронов со светодиодными лампами и другие наработки института. Мы уже многое проверили в лабораториях, теперь дело за полномасштабным экспериментом. Перед этим предстоит обновить сам комплекс, он сильно обветшал. Необходимо сделать новую систему датчиков, автоматику, наладить выход в интернет — в общем, осовременить комплекс.
— Каких инвестиций потребует запуск «БИОС-4»? И поддерживает ли эту работу Роскосмос?
— Сам эксперимент стоит сравнительно недорого: основные вложения нужны на подготовительном этапе. По нашим оценкам речь идет о 200 млн рублей на три года, включая реанимацию самого комплекса и дооборудование.
Роскосмос не реагирует и не отвечает на наши предложения, считая, видимо, что это сейчас неактуально. Разговоры про Луну то замолкают, то разгораются с новой силой. И даже тогда говорят в основном про технику — тяжелые ракеты, техническое обеспечение, а о теме автономной жизни человека, которую задумал еще академик С.П. Королёв, как-то забывают. Но это не менее важный вопрос, ведь основные продуценты кислорода и рациона в замкнутой автономной системе — растения. Их генерация — это длинный опыт, циклы опытов, поэтому начинать их надо уже сегодня. Если мы будем тянуть, коллективы постепенно переориентируются на другие работы, и возобновить исследования будет очень сложно.
Есть и другой аспект: на «БИОС» как замкнутую систему мы смотрим как на прообраз биосферы будущего. Сейчас люди замыкают на себя только часть круговорота, какая-то часть идет мимо них — к примеру, в лесные и водные экосистемы. Но численность человечества растет, а значит, оно будет постепенно «заворачивать» на себя всё больше и больше вещества. Говорю и о физиологическом круговороте — съедаемой пище, и о материальном круговороте цивилизации — переработке вещей, предметов и их повторном употреблении. Оставляю за скобками понятие «загрязнение» — в «БИОСе» его нет именно потому, что есть круговорот. По сути «БИОС-4» является моделью ноосферы будущего. Поэтому нам важно на опытах понять, какова механика круговорота, его детали, как им управлять, как действовать в аварийных ситуациях. Кто-то скажет: «Это далеко», но, чтобы разобраться со всеми нюансами, нужно огромное количество времени.
Эта философия круговорота должна присутствовать везде — кто «не крутится», тот «враг». Разложение несъедобной органики и возвращение ее на поля сейчас происходит длинным путем. Его можно «укоротить», и проверка такого подхода в непродолжительном, по сравнению с природным, эксперименте будет очень полезна.
Наталья Повольнова
Фото: Александра Купцова (1), Екатерины Пустоляковой (2), Юлии Поздняковой (3), Веры Сальницкой (4)
