«Есть очень большое количество прикладных задач, для которых нужны мегаустановки»

Как мегаустановки применяются в разработке лекарств, в чем меняется подход к исследованиям в России и как школьник-непоседа выбирает «свой» предмет, рассказал в интервью для проекта Indicator.Ru и Координационного совета по делам молодежи в научной и образовательной сферах Совета при Президенте Российской Федерации по науке и образованию «Я в науке» исполняющий обязанности руководителя комплекса синхротронно-нейтронных исследований НИЦ «Курчатовский институт» Никита Марченков.

— Никита, расскажите, пожалуйста, где вы работаете и чем именно занимаетесь?

— Я работаю в Курчатовском институте. Моя специальность – кристаллография. Если кратко, то можно сказать, что я заглядываю вглубь вещества с помощью рентгеновского излучения. Класс научных дисциплин, которые этого требуют, очень широк: это и материаловедение, и медицина, и многие другие.

— Какова главная цель ваших исследований?

— Наверное, раскрытие тайны того, как природа создает окружающие нас системы и материалы. Если мы сможем с помощью наших методов и рентгеновского излучения ответить на этот вопрос, это будет успех.

— Расскажите подробнее о том, как рентгеновское излучение помогает заглянуть внутрь материала?

— Мы используем очень яркое рентгеновское излучение, которое не может быть получено в обычной лаборатории. Яркости излучения, в миллионы раз превышающей используемое в лаборатории, можно добиться только на синхротронном источнике (ускорителе). Этим сверхъярким рентгеновским пучком мы светим на исследуемые объекты, биологические или неорганические материалы, и изучаем их структуру на атомарном уровне. Суть заключается в том, что человек своим глазом может видеть только объекты, которые больше длины волны видимого света, что составляет от 300 до 700 нм, от фиолетового до красного цвета. Соответственно, все, что меньше 300 нм, человек никогда не увидит невооруженным глазом, просто потому что видимый свет не «чувствует» меньшие объекты, он сквозь них как бы «пролетает», не замечая. А рентгеновское излучение по своей природе точно такое же, как видимый свет, только с длиной волны в один нанометр и даже меньше, половина — одна десятая нанометра. И поэтому рентгеновское излучение «чувствует» мельчайшие частички и даже отдельные атомы. В результате, если вы используете рентгеновское излучение, вы можете увидеть, как устроено вещество на атомном уровне.

Человечество всегда копировало живую природу, но делало это достаточно поверхностно. Знание было основано на тех материалах, которые человек мог познать. А познать на тот момент он мог достаточно простые и неживые материалы – кремний, например. Это очень простой кристаллический материал, который состоит из кубиков по восемь атомов кремния, многократно повторяющихся. Вот из этого мы создали всю современную микроэлектронику. Но сегодня с помощью рентгеновского излучения вы можете видеть, как устроены не только простые, но и очень сложные системы, такие как белки, из которых состоит человек. Когда вы смотрите на атомарный уровень, разница между живым или неживым стирается, у вас все состоит из элементов таблицы Менделеева. Поэтому, если вы знаете, как расположены такие элементы, вы можете собрать абсолютно такую же систему и уже на более глубоком уровне повторить то, что есть в живой природе. А как показывает опыт, то, что создано природой за миллионы лет эволюции, — это энергетически более выгодные и эффективные системы, чем те, что созданы человеком, и при этом они экологически более безвредные для окружающей среды.

— Что должен изучать специалист, который хочет избрать для себя эту область исследований?

— Такой человек должен быть открыт к разным наукам, иметь хорошее базовое образование. Чтобы разрабатывать подобные технологии, нужно быть специалистом — может быть, не очень глубоким — в нескольких смежных областях. Когда ты доходишь до глубинных вопросов о том, как устроены те или иные природные системы, нужно разбираться в химии, биологии или же иметь междисциплинарную команду. Но опять же, чтобы у них между собой выстроился диалог, они должны иметь области пересечения, области взаимного понимания. Так что нужна специализация в одной из областей – физике, химии, биологии — и базовое понимание других дисциплин.

— Вы упомянули о том, что используете рентгеновское излучение, полученное при помощи синхротрона. Это ведь уже относится к mega-science?

— Mega-science — это все, что связано с большими установками. Вы правы, чтобы изучать атомарное строение вещества, недостаточно лабораторных приборов, нужно строить очень большие установки. Только с их помощью можно получить такие яркие пучки рентгеновского излучения, которые позволят вам восстановить структуру отдельных «кирпичиков» (атомов и молекул), из которых состоит все вокруг. И поэтому изучение атомарной структуры – это прерогатива только mega-science установок и в то же время — ключ на пути к развитию природоподобных технологий. Чтобы понять, как работают живые системы, нужно в деталях увидеть, как происходит выделение энергии в живой клетке, как работает человеческий мозг и многое другое. Только увидев это на атомарном уровне с помощью рентгеновского излучения, можно будет начинать такие технологии создавать своими руками.

— Можете ли вы привести пример прикладного применения результатов, которые уже были получены при применении mega-science установок?

— Да, таких примеров достаточно много. Две основные области – разработка лекарств и материаловедение. Сегодня разработка лекарств вышла на качественно новый уровень. Если раньше лекарства подбирались путем перебора различных химических веществ (проверялось, как они влияют на ту или иную болезнь), то сегодня вы в прямом смысле исследуете повышение содержания какого белка, например, приводит к той или иной болезни. Дальше этот белок помещается на синхротронный источник. После изучения структуры белка мы отдаем результаты биологам. Они, увидев структуры, описывают, какая часть белка отвечает за его активацию, какая — за отключение той или иной функции. И дальше вы подбираете лекарство таким образом, чтобы оно подобно частичке паззла присоединялось к тому или иному активному центру белка, активируя или дезактивируя его функцию. То есть вы начинаете заниматься медициной с позиции того, что каждый белок — это некий «робот», и вам нужно его или «включить», чтобы он повысил ваш иммунитет, или «выключить», чтобы он стал пассивным. По оценкам, в человеческом организме около двух миллионов различных белков, и сегодня расшифровано только несколько сотен тысяч. Однако практически все они получены с помощью mega-science установок, с помощью синхротронных источников.

Теперь о материаловедении. Например, моя специальность — кристаллография. Очень многие приборы содержат кристаллические материалы: это мобильные телефоны, фотоаппараты, различные датчики. Когда человек создает кристаллы, а в технике используются искусственные кристаллы, ему очень важно понимать, насколько качественными они получаются на атомарном уровне. Совершенность структуры кристаллов во многом определяет их свойства – будет у вас телефон хорошо работать в -30 °C или будет сбоить? Именно для этого мы исследуем кристаллические материалы, определяем качество их структуры, можем давать рекомендации, как вырастить кристалл с лучшими характеристиками — более прочный и легкий. Таких вопросов перед материаловедением ставится достаточно много.

— Самая знаменитая megascience-установка находится в CERN – это Большой адронный коллайдер. А какие в России есть подобные установки?

— БАК, который работает в Швейцарии, предназначен для решения фундаментальных задач. Там исследуются глобальные вопросы: как взаимодействут элементарные частицы, что происходило в первые моменты после Большого взрыва во Вселенной. Этими задачами, конечно, все не ограничивается, есть очень большое количество именно прикладных задач, для которых нужны мегаустановки. И здесь уже нужен не коллайдер, где сталкиваются частицы, а другие объекты, например синхротронный источник, где за счет разогнанной до гигантской – около световой – скорости электроны начинают порождать очень яркое рентгеновское излучение. Мы можем просвечивать насквозь археологические находки — изучать их строение неинвазивным способом. Недавно мы исследовали новые способы извлечения нефти из-под земли: с помощью синхротрона мы смотрели, как может происходить химическая реакция под землей между инновационными катализаторами и трудноизвлекаемыми видами нефти с целью отработки технологии ее добычи.

Для всего этого нужны синхротронные источники и нейтронные реакторы. По сути, это две различные установки — они отличаются по конструкции, — но принцип одинаков: в одном случае вы получаете рентгеновское излучение, в другом случае – поток нейтронов. И этими излучениями вы облучаете объект, смотрите, как соответствующее излучение с ним взаимодействуют. Из таких установок у нас в Курчатовском институте находится единственный на постсоветском пространстве специализированный синхротронный источник КИСИ и исследовательский нейтронный реактор ИР-8. Важно отметить, что с учетом комплиментарности (взаимной дополняемости) использования этих двух установок наличие их на одной площадке — что в масштабах всей планеты большая редкость — делает нашу исследовательскую инфраструктуру уникальной. Сейчас в Гатчине под Санкт-Петербургом вводится в эксплуатацию самый мощный в мире полнопоточный реактор ПИК. Этот нейтронный реактор – еще одна мегаустановка, которая проходит несколько стадий запуска: первая стадия пуска уже пройдена, сейчас идет поэтапный вывод на проектную мощность. Есть еще несколько мега-проектов.

Самое главное, что есть программа развития этих исследований: есть поручение президента о строительстве еще нескольких синхротронных источников в России. Предполагается, что в перспективе пяти-семи лет у нас появится целая сеть мега-установок, включая не имеющие аналогов в мире. Обращаю внимание, что это будут не отдельные исследовательские центры, а связанная сеть установок, которые будут взаимодополняющими. Она обеспечит связанность территории России – кстати, к вопросу о Больших вызовах – в области науки.

И не надо забывать о том, что Россия — активный участник международных мега-проектов, в частности, наша страна на почти 30% является участником проекта рентгеновского лазера на свободных электронах XFEL, который находится в Гамбурге, с соответствующими правами на использования этой установки. На сегодняшний день это тоже беспрецедентная установка, позволяющая проводить уникальные эксперименты, снимать ультра-замедленное рентгеновское «кино» про «жизнь» атомов с частотой миллион миллиардов кадров в секунду. Кроме того, Россия — полноправный участник Европейского центра синхротронного излучения в Гренобле, где нам также принадлежат права на интеллектуальную собственность, разработанную в процессе его создания, а также пропорциональная российскому вкладу часть исследовательского времени, которое наши ученые используют для проведения экспериментов. Таким образом, мы получаем законченную картину: с одной стороны, у нас есть собственные работающие мега-установки, с другой, если нам нужны экстремальные, очень мощные и еще недоступные нам сегодня ресурсы, — мы можем использовать мощности европейских мегапроектов.

— Раз уж мы заговорили о дорогостоящих установках, расскажите немного и о государственной поддержке ваших исследований, о финансировании.

— Сегодня активно развиваются различные инструменты государственной поддержки молодых ученых. Есть президентские гранты и стипендии, есть несколько фондов, которые активно поддерживают исследования, – РНФ, РФФИ. Ученый может подавать заявку на гранты, начиная практически со студенческой скамьи или первых курсов аспирантуры. Начальные гранты достаточно скромные, но при этом ученый начинает втягиваться в эту систему, понимает, как вообще работать с грантовой поддержкой. Поэтому, на мой взгляд, как руководителя подразделения в Курчатовском институте и молодого ученого, которые ведет свои исследования, недостатка в инструментах поддержки ученых нет. Если ты активно занимаешься наукой, то с большой степенью вероятности это будет поддержано.

Другой вопрос в том, что сейчас сам подход к проведению исследований начинает потихоньку меняться. От маленьких грантов – к большим госзаказам. Сегодня наука наконец-то становится важной в масштабах именно государства. Я имею в виду, что крупные государственные заказы и проекты выходят на первый план по сравнению с небольшими грантами. «Большие вызовы» и Стратегия научно-технологического развития задают векторы, по которым должны рождаться крупные, объединяющие несколько научных организаций общей целью задачи, как, кстати, например строительство синхротрона. Каждое направление должно дать несколько таких крупных проектов, которые в перспективе объединят целые группы и организации.

— Есть ли у вас какая-то глобальная научная цель?

— Сейчас это активное участие в создании нового синхротронного источника, потому что это, как мне кажется, действительно амбициозный вызов для молодого ученого. Это проект на ближайшие пять-семь лет, в результате которого мы построим такую научную установку, которой, по сути, сегодня нет в мире. И мне кажется, что это достойный вызов, потому что ты внесешь вклад в создание чего-то нового, что, в свою очередь, позволит исследовать неизведанные ранее тайны природы. Это не один, а даже два шага вперед.

С точки зрения администратора это тоже вызов, потому что создание таких мега-установок – огромная сложность с организационной точки зрения, ведь здесь должны работать ученые из абсолютно разных областей, нужно привлекать и потенциальных пользователей этой установки, они должны рассказать о своих запросах. При этом нужно мыслить, заглядывая за горизонт, и видеть, что будет актуально через шесть-семь лет, когда установка будет построена, какие задачи будут актуальны для этой области.

— О чем вы хотели бы предупредить молодых людей, которые только начинают исследовательскую работу? К чему должен быть готов ученый?

— Надо быть готовым абсолютно ко всему, потому что сегодня работа ученого – это не только наука в прямом смысле этого слова. Это и выступления с докладами, и подача заявок на гранты. Это путешествия в командировки, участие в различных конференциях. Надо быть готовым открыться этой работе и заниматься абсолютно разнообразными вещами, когда каждый день не похож на предыдущий.

— Тем не менее среди не связанных с наукой людей бытует мнение, что жизнь ученого — это одна и та же лаборатория, одни и те же эксперименты изо дня в день. Вы упомянули конференции — как часто вы на них бываете?

— В этом плане последние три года у меня получились очень разные. Когда я только начинал свою научную карьеру, то очень много ездил по зарубежным конференциям: три-четыре командировки в год. Это интересно, это богатый опыт. В последнее же время, когда я стал частью Координационного совета по делам молодежи в научной и образовательной сферах Совета при Президенте России по науке и образованию, мой вектор сменился, и за год я посетил, наверно, с десяток городов России. Эти командировки были абсолютно не хуже, чем зарубежные, и те научные центры, которые я видел в российских городах, те молодые ученые меня сильно вдохновили. Это были и научные организации и образовательные центры для одаренных детей — это впечатляет и вселяет крепкую уверенность в хорошем будущем российской науки.

— Кстати о детях и молодежи. Почему, по-вашему, молодым людям стоит или, наоборот, не стоит идти в науку? В чем привлекательность науки для молодежи сегодня?

— У меня нет аргументов, почему не стоит. Я пошел в науку, и каждый мой день подтверждает правильность этого выбора. В науке ты, по сути, занимаешься высокоинтеллектуальным творчеством, и это притягивает. К тому же сегодня в мире наука – это динамично развивающаяся сфера, там постоянно происходят какие-то «взрывы». Если задуматься — вот как у наших родителей развивались технологии? У них были телевизоры, они чуть-чуть видоизменялись, но технология примерно была одна и та же. Но при этом только за мою жизнь средства носителей информации поменялись с кассет и дискет на CD-диски, потом они пропали, появились флешки, а сегодня уже и флешки не нужны — используются облачные хранилища информации. Это я к тому, что скорость развития научных технологий существенно возросла. Это тоже очень привлекает, ты не успеваешь застаиваться, не успеваешь расслабляться.

— Какие советы вы бы дали школьникам, которые только выбирают будущую профессию?

— Получите хорошее базовое образование. Я сторонник того, что на базовом фундаментальном образовании должно строиться все остальное, нельзя заниматься только одной специальностью. Родителям я бы сказал, что профессия ученого – это та профессия, которой их ребенок сможет гордиться, потому что это становится актуальным, престижным, популярным. А еще это становится хорошо оплачиваемой профессией.

— А что можно посоветовать студентам, которые хотят добиться успеха в науке и исследованиях?

— Первый совет: интересоваться всем, ни в чем себя не ограничивать, иметь максимальную широту взглядов, потому что заинтересованность проявляется именно там, где порой не ожидаешь. В каких-то областях можно найти такие интересные вещи, о которых ты даже и не задумывался раньше. Второе: я бы пожелал не зацикливаться только на науке, всегда должно оставаться время для хобби. Наука требует большой коммуникации. Поэтому третий совет: развивайте навыки общения, публичного выступления. Сегодня некоторые ученые настолько интересно рассказывают о своей области, что этим сразу хочется заниматься.

— Теперь несколько вопросов о вас лично. В каком возрасте и почему вы решили стать ученым?

— Впервые я задумался об этом еще в школе, потому что мне очень нравилась физика, а еще раньше – математика. Я был очень непоседливым ребенком, а эти предметы не надо было заучивать. Надо было один раз понять и потом использовать эти знания. Мне кажется, мне тогда и стало нравиться работать головой.

— Расскажите о каком-нибудь смешном или курьезном моменте в вашей исследовательской работе.

— Наверное, один из забавных эпизодов моей научной карьеры произошел в самом ее начале, когда я только начинал работать на рентгеновской установке, и мне нужно было установить на нее новый детектор. У меня долго не получалось, и я, недолго думая, взялся за молоток и начал прямо забивать детектор в установку. Представляете, какой была реакция начальника, когда, зайдя в лабораторию, он увидел, как я молотком вбиваю детектор в очень точный рентгеновский прибор?

— Если бы вы из 2019 года отправляли письмо себе на пять-десять лет назад, что бы вы написали?

— Тогда я еще учился в институте. Я бы посоветовал себе больше изучать физику, больше читать книг, чтобы не пришлось повторно это делать сейчас.

— Каких именно книг? У вас есть какая-то любимая книга?

— Одной любимой книги у меня нет. Мне очень нравятся книги Стивена Хокинга, в частности «Краткая история времени». Она дает возможность проследить, как развивалась человеческая логика на всем временном интервале развития науки, понять, как человек от того, что было 200-400 лет назад, пришел к тому, что он имеет сегодня.

— Какого художественного персонажа вы бы хотели видеть сотрудником своей лаборатории?

— Наверное, какого-нибудь детектива: Шерлока Холмса или, из современной литературы, Эраста Фандорина. Это люди, которые из маленьких фактов могут восстановить целую картину произошедшего, — по сути, это то, чем мы и занимаемся в науке.

— У вас есть какое-нибудь необычное хобби?

— Я бы не сказал, что оно необычное. Впрочем, может быть, это необычно для ученого. Я очень люблю футбол – играть и смотреть, ходить на стадион. Это хобби с детства.

— Продолжите фразу: «Я в науке, потому что…»

— Я в науке, потому что наука — это каждый день что-то новое. Потому что мне кажется, что в науке всегда будет простор для мышления, это место для загадки. Это неиссякаемая загадка, которую, мне кажется, ни в какой другой области найти невозможно.

Материал подготовлен при поддержке Фонда президентских грантов

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.