Космическая погода, клеточная платформа и маршрут к Венере: лауреаты премии Правительства Москвы — о своих исследованиях
Межпланетные летательные аппараты, доступ ко всем знаниям человека с одного устройства, браслет, измеряющий пульс и давление, — буквально полвека назад это можно было встретить только на страницах произведений писателей-фантастов. Воплотить все перечисленное в реальность удалось благодаря ученым.
Ежегодно за значимые исследования в разных сферах молодым научным сотрудникам присуждают премию Правительства Москвы. Ее соискателями могут стать аспиранты и кандидаты наук в возрасте до 35 лет и доктора наук до 40 лет включительно. Узнаем, над чем работают лауреаты премии 2023 года.
Миссия — полет к Венере
В 2029 году к одной из самых загадочных планет Солнечной системы Венере планируют отправить российскую исследовательскую миссию «Венера-Д». Маршрут для летательного аппарата проложил Владислав Зубко — младший научный сотрудник, аспирант Института космических исследований Российской академии наук, лауреат премии Правительства Москвы в номинации «Математика, механика и информатика». Он вместе с Натаном Эйсмонтом, научным руководителем диссертации, предложил метод построения траекторий перелета к Венере, благодаря которому межпланетную станцию получится доставить и посадить в заданную точку на планете. Ее заранее выберут ученые, исходя из ценности участка Венеры для проведения научных экспериментов.
Первые данные о Венере и ее снимки получила советская автоматическая межпланетная станция еще в 1970–1972 годах. Но ученые не могли выбрать точку посадки зондов на планету.
Советские зонды летели в полную неизвестность, с их помощью важно было понять, что происходит на Венере. Сегодня задача состоит в том, чтобы помочь нашим химикам, физикам, геологам посадить аппарат в ту точку поверхности, которую хотят они, а не туда, куда можно попасть по баллистическим условиям (единственной возможной траектории в момент запуска). Для этого нужно провести запуск в так называемое окно старта. Это идеальные условия, которые наступают раз в 19 месяцев. Владислав Зубко младший научный сотрудник, аспирант Института космических исследований Российской академии наук, лауреат премии Правительства Москвы в номинации «Математика, механика и информатика»
Место посадки на Венеру ученые выберут с Земли. Аппарату потребуется чуть больше года на выполнение миссии: примерно через четыре месяца после старта он подлетит к планете, совершит гравитационный маневр, выйдет на движение по орбите и еще около одного венерианского года (224,7 земных суток) потребуется на облет планеты. За счет гравитационного маневра, то есть обмена энергией с планетой, аппарат сэкономит топливо. В заданное время зонд отделит посадочный модуль и продолжит движение по орбите, передавая важные данные на Землю еще около восьми лет.
Условия на Венере очень сложные: температура ее поверхности — около 475 градусов тепла, плотность — в среднем 92 земные атмосферы, а вместо воздуха — серная кислота. Туда нельзя опустить робота, который будет долго передвигаться по планете и передавать данные, как это делает, например, луноход. Зонд совершит посадку в нужной точке, проработает несколько часов и передаст максимум нужных сведений.
«Ученые предполагают, что на высоте 50–60 километров над поверхностью Венеры может существовать жизнь в разных формах. Для подтверждения этого нужно найти маркеры ее существования. Первые оценки были получены в 2019 году, когда ученые обнаружили следы фосфина. Однако для точного подтверждения требуются эксперименты, которые могут быть выполнены только на близком расстоянии от планеты. Еще надо отметить, что поверхность Венеры — самая молодая из всех планет Солнечной системы: она постоянно обновляется из-за сильной вулканической активности. Эти процессы вызывают большой интерес у ученых, занимающихся этими проблемами», — добавил Владислав Зубко.
Кроме того, по его словам, отдельного внимания заслуживает магнитное поле Венеры. Оно было приобретено за счет воздействия солнечного ветра и существенно отличается от того, которое присутствует у Земли.
Ученый планирует расширить масштаб своих исследований и разработать маршрут перелета к транснептуновым телам — плеяде космических объектов, расположенных за Нептуном. Владислав Зубко говорит, что многое из фантазий мастеров прошлого сегодня уже стало реальностью, а другое может стать ее продолжением.
Популярность премии Правительства Москвы молодым ученым выросла на 15 процентов по сравнению с прошлым годомМосква возглавила рейтинг городов БРИКС+ по человеческому потенциалу
Наука — это красиво, или Как рождается полярное сияние
Первое, на что обращают внимание посетители Центра прогнозов космической погоды Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Российской академии наук, — медиастена из 12 больших мониторов, на которых размещены изображения Солнца на разных длинах волн, а также различные графики состояния космической погоды в реальном времени. Это самые свежие данные о космической погоде, их регулярно просматривает тандем старших научных сотрудников в составе Марии Абуниной и Наталии Шлык. Ученые получили премию Правительства Москвы в номинации «Физика и астрономия» за разработку комплекса методов анализа текущего состояния космической погоды и ее прогноза.
Космическая погода оказывает достаточно большое влияние на многие области человеческой деятельности. Она воздействует на космические аппараты, которые менее защищены магнитным полем и атмосферой Земли, на космонавтов и пилотов трансполярных рейсов. Солнечная активность может вызывать магнитные бури. Они никак не влияют на среднестатистических людей, зато вызывают полярные сияния. Прогноз, в частности, помогает понять, где и насколько интенсивным оно будет. Мария Абунина старший научный сотрудник Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Российской академии наук
Поверхность Солнца все время как будто кипит, образуя новые центры активности. Иногда эта активность приводит к выбросам энергии и плазмы, которые распространяются в межпланетном пространстве и достигают планет. Особенно мощные вспышки и выбросы коронального вещества могут повлиять и на работу наземных систем, например вызвать неполадки в линиях электропередачи или сбой в автоматике железных дорог.
В исследовании ученые привели несколько моделей наблюдения и прогнозирования параметров космической погоды и представили уникальную авторскую методику. Они изучили данные около 400 случаев корональных выбросов массы, повлиявших на геомагнитную обстановку Земли. Затем на основе этих данных составили матрицу. Для каждой ее точки указали скорость распространения и долготу солнечного источника. Если параметры нового выброса близки к уже исследованной точке, то и последствия могут быть схожи. Таким образом, была создана модель для прогнозирования скорости и времени распространения потенциально геоэффективных корональных выбросов массы, способных повлиять на геомагнитную обстановку.
Ученым удалось достичь погрешности в среднем около 13 часов — в масштабах космических явлений это очень хороший результат. Прогноз ежедневно запрашивают крупные корпорации космической и других отраслей, например Центр управления полетами Роскосмоса.
«Мы всегда думаем, что можно улучшить, изменить. Уже сейчас добавили в модель еще один параметр, стали учитывать скорость фонового солнечного ветра — это улучшило выходные данные и прогнозируемые параметры. К тому же регулярно анализируем статистику», — поделилась Мария Абунина.
Она признается, что наука для нее — это интересно, познавательно и красиво. Ее вдохновляет работа. Каждый день она видит Солнце, даже если за окном дождливо и пасмурно, и оно всегда разное.
Сергей Собянин рассказал о достижениях молодых московских изобретателей и ученыхИсследовательские и карьерные перспективы: в Москве формируется сообщество молодых ученых
Выбрать самое эффективное лекарство от рака
В одной из лабораторий Института молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта Российской академии наук Тимофей Лебедев внимательно наблюдает за монитором компьютера. Прямо сейчас новый препарат от онкозаболеваний проходит проверку на эффективность с помощью клеточной платформы, за которую ученый получил премию Правительства Москвы в номинации «Биология».
Обычно действие каких-либо лекарств исследуют по реакции отдельных составляющих клетки. Ученые выделяют из клеток белки или РНК, а затем смотрят на их содержание или активность. Применяемый нами метод микроскопии основан на анализе изображений миллионов индивидуальных клеток. Если мы воздействуем на клетки разными препаратами, они меняются: одни скукоживаются, другие становятся больше, третьи вытягиваются и так далее. На основе этих изменений можно сделать вывод о том, как будет влиять лекарство на злокачественные опухоли. Тимофей Лебедев сотрудник Института молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта Российской академии наук
В лаборатории ученого есть коллекция иммортализованных злокачественных клеток — их выделили из опухолей и поселили в питательную среду в специальных инкубаторах. В собрание входит около 12 типов заболеваний, в числе которых рак легкого, нейробластома, глиобластома и другие.
Чтобы узнать, как новый препарат повлияет на злокачественную опухоль, ученые высаживают тысячи клеток в лунки на планшете и добавляют к ним лекарства. Разные клеточные структуры подкрашивают. Микроскоп фотографирует всю панель через равные отрезки времени. На экране видны голубые ядра, зеленая цитоплазма, красные митохондрии. Их изменения в динамике помогают отследить 200–300 важных параметров, среди которых площадь клетки, размер или зернистость ядра и другие.
Эту методику можно использовать, чтобы сравнить действие разных лекарств на один тип опухоли или, наоборот, выяснить, как препарат влияет на разные злокачественные образования. За одно исследование микроскоп делает до тысячи кадров, на которых находятся десятки и даже сотни тысяч клеток. Полученный массив информации обрабатывает искусственный интеллект. На основе существующих нейросетей Тимофей Лебедев написал уникальные алгоритмы для анализа изображений клетки.
«Такая платформа позволяет значительно сократить сроки исследования новых препаратов, выделить из них те, которые обладают желаемым действием. Это особенно актуально при создании как импортозамещающих, так и модифицированных аналогов для снижения побочных действий или увеличения биодоступности. Для базового анализа нам достаточно только самого препарата, дорогостоящих реагентов не потребуется», — подчеркнул Тимофей Лебедев.
Клеточная платформа почти в 10 раз снижает стоимость проверки нового лекарства и отсеивает малоэффективные препараты уже на первом этапе. Но это не значит, что медикаменты сразу поступят к пациентам. Их безопасность, биодоступность и другие важные параметры будут проверять на мышах и с помощью доклинических экспериментов.
В перспективе клеточная платформа позволит оценивать мутации генов, тестировать препараты для лечения генетических и нейродегенеративных заболеваний (например, болезни Альцгеймера), подбирать лекарство для конкретного пациента, а также проверять новые способы доставки активных веществ в клетку (например, с использованием псевдовирусных частиц). Для этого нужно накопить большой объем данных, разработать стандарты использования метода, а также распространить этот опыт на другие российские лаборатории.
Собянин: Инновационная инфраструктура Москвы за пять лет выросла на четвертьФантом для диагностики остеопороза и уникальный лазер: лауреаты премии Правительства Москвы рассказали о своих разработкахКомпьютерное зрение и умная видеоаналитика: какие еще технологии на базе искусственного интеллекта применяют в Москве
