Во многих сферах науки ведутся крайне важные поиски, о которых редко упоминают в масс-медиа.
В последние годы внимание любителей науки приковано к физикам и генетикам. Складывается ощущение, будто всё самое важное и самое интересное происходит только в таких сферах, как изучение объектов нашей Солнечной системы и поиск экзопланет, робототехника, наномедицина с геномом человека, когнитивистика и нейрофизиология с их исследованиями всё более непостижимого мозга.
Но такое представление о современной науке — лишь частичка общей бескрайней картины научных исследований. Чтобы в этом убедиться, достаточно взглянуть хотя бы на то, чем сегодня занимаются исследователи в других научных областях — например, в материаловедении, геонауке, экологии, клинической медицине. Чтобы не утонуть в сотнях современных исследований, возьмём в помощники отчёты Thomas Reuters — организации, которая занимается расчётом цитирования публикаций всех значимых научных изданий мира.
Аномалии планируем
Судя по всему, отношение к глобальному потеплению становится смутным. Особенно после скандала 2012 года, когда Институт космических исследований НАСА предоставил другим научным организациям свои архивы метеорологических наблюдений. Все здорово, но НАСА делился теми же данными и в 2008 году. Архивы сравнили, и оказалось: температуре с 1970 года США вдруг добавили градусов. Получилось, что тренд глобального потепления был утрирован на 25 процентов. Внедрить фальшивые данные не удалось. Конечно, климатические изменения тесно связаны с рынком энергетических ресурсов и влияют на геополитические стратегии. Достаточно вспомнить Киотский договор. Так что внимание, которое современная геонаука уделяет именно климату, неудивительно.
Собирать сведения о температуре начали в 1856 году. Теперь специалисты следят за климатом Земли по толщине и площади морских льдов, таянию ледников Арктики, среднегодовой температуре полушарий. Метеорологи установили неоднородный характер потепления. С 1910-го по 1946-й год происходило потепление, с 1947-го по 1975-й — слабое похолодание, а с 1976-го по настоящее время началось интенсивное потепление. Температура Южного и Северного полушарий ведёт себя по-разному. Так, со второй половины XX века в Северном полушарии потепление ускоряется, а в Южном — наоборот, замедляется. Прогнозы на XXI век обещают ускорение изменений в два раза.
Иными словами, популярные толки о глобальном потеплении имеют фундаментальные основания. Правда, версии причин разнообразны: парниковый эффект из-за деятельности человека или естественные процессы. Например, циклы лунно-солнечных приливов и солнечной активности, циклы обращения наиболее крупных планет Солнечной системы, биение полюсов Земли (наша планета не просто вращается вокруг своей оси, но и покачивается вокруг неё).
Для описания климатических изменений учёные используют формулы и геомодели. Вышесказанное — фрагменты GCMs: General Circulation Models, Моделей общего циркулирования. С их помощью наука о Земле уже получила множество важных знаний о глобальных климатических процессах. Климатические модели стали возможны благодаря совершенствованию компьютерных географических программ и глобальной системы наблюдений за океаном (GOOS, Global Ocean Observing System). Кстати, в GOOS входят и наши Росгидромет, научные подразделения РАН, Росрыболовства и Минобороны.
Однако вершина внимания мировой геонауки — не GCMs. Вот уже шесть с лишним лет популярность у геологов набирают RCMs: Regional Climate Models, Региональные климатические модели. Глобальные тенденции не позволяют предсказать погодные аномалии на конкретных территориях. Например, в 2008 году на юге Китая, где обычно стоит тёплая погода, случилось климатическое происшествие: ледяной дождь и снег повредили дороги, стали причиной аварий, нарушили подачу электроэнергии, затронули агрокультуру, экологию, принесли социальные потери. Да и мы в последнее время наслышаны о небывалых наводнениях в Краснодарском крае, Воронеже, Челябинске, Сочи, Липецке, Курске…
Региональная климатическая модель имеет более высокое разрешение, чем глобальная. Она детально описывает сложную топографию местностей, изгибы береговых линий, характеристики поверхности. В то время как глобальная модель занимается в основном циркуляцией атмосферы, региональная внимательно следит за температурой поверхности земли и осадками на местностях. Благодаря RCMs можно предсказывать локальные изменения климата, точнее составлять экономические стратегии, сохранять человеческие жизни.
Ещё в 2014 году эта область георазработок вышла на первое место по обсуждаемости в научном сообществе.
Эколог программирует
Если Вы однажды прочитаете название MAXENT MODEL, то лучше перевести его как Максэнт-модель, а не как модель Максента. Дело в том, что Maxent — вовсе не человек, а сокращение термина: maximum entropy — максимальная энтропия. Мы часто слышим об энтропии в связи с термодинамикой и понимаем её как рассеяние энергии. Но сейчас речь пойдёт, как ни удивительно, об экологии и науке природопользования. В этом случае мы имеем дело с энтропией в математическом смысле. Энтропия здесь означает хаотичность или разбросанность неких процессов. А именно: распространение животных или растений на территории, где грозит изменение климата.
Экологи по определению озадачены здоровьем окружающей среды, вымиранием видов животных и растений, климатическими переменами. Разработка и применение Максэнт-модели сегодня лидирует в научных публикациях экологов. Она позволяет предсказать географическое распространение некоего вида животного или растения в зависимости от будущих изменений климата и вообще окружающей среды. Между прочим, результаты предсказаний совпадают с реальностью на 91 процентов. Это крайне весомо для модели. Она была разработана ещё в 2005 году и уже применяется. Главное, почему Максэнт-модель продолжает активно обсуждаться в научном сообществе, — её постоянное усовершенствование.
Раньше у экологов не было строгого математического метода для прогноза распространения животных и растений. Скорее они имели дело с фактами их миграции, понижением пригодности для обитания мест, уменьшения или увеличения популяции. Теперь же главные переменные — это явления окружающей среды, особенно климатические. Через них специалисты стали определять поведение живых видов ещё до того, как оно станет фактом. Такой подход серьёзно продвигает экологов в оценках: насколько климат угрожает биоразнообразию? какие земли человеку лучше не трогать в ближайшее время? где, наоборот, требуется вмешательство людей?..
Корни нового подхода стоит искать в технологических новациях. После того как появились ГИС (географические информационные системы), теперь мы прекрасно знаем это название благодаря популярным географическим картам «2-ГИС». Не забудем и о данных зондирования, то есть наблюдения за поверхностью Земли из космоса или с помощью авиации. Вообще, результаты исследований по Максэнт-алгоритму имеют вид разноцветных, будто тепловых, географических карт. Так показаны области будущей плотности распространения некоего вида на определённой территории.
Важно, что на основе Максэнт-модели работает компьютерная программа для экологов. Она сама обрабатывает большое количество данных. Усовершенствование программного обеспечения — одна из популярных тем в публикациях экологов. Конечно, обсуждаются и сами результаты применения модели, новые данные о климате и поведении видов. В научных кругах интерес к экологическому моделированию движется по нарастающей уже более восьми лет.
Пациент запутался
В клинической медицине самая обсуждаемая область исследований звучит так: интенсивная инсулинотерапия и инфузионная реанимация с гидроксиэтилкрахмалом для пациентов в критическом состоянии.
Итак, пациенты в критическом состоянии: после операций, сильных стрессов, после инсульта или инфаркта, когда, как правило, страдают гипергликемией. То есть увеличением сахара в сыворотке крови. Для этого не обязательно болеть диабетом. Если в крови не восстановить баланс, то человека ждёт сбой иммунных способностей клеток и другие нарушения. Сохранить уровень глюкозы в крови критических пациентов — ежедневная задача медиков. Они применяют интенсивную инсулинотерапию. С этим связана первая проблема современного исследования: нужен ли именно такой метод лечения?
В 2001 году был установлен стандартный уровень глюкозы в крови, который надо поддерживать у пациента в критическом состоянии. Таким образом, как считали медики, удастся снизить риск смертности. Возникла концепция интенсивной инсулиновой терапии. Она предлагает имитировать выработку инсулина поджелудочной железой и просто вводить его в кровь. Идея выглядела вполне закономерной, и, хотя не всем такой способ казался полезным или эффективным, интенсивная инсулинотерапия получила развитие.
Однако сомнения возрастали, связь между смертностью и интенсивной инсулинотерапией выглядела всё менее убедительной. Сегодня проводятся детальные исследования эффектов интенсивной инсулинотерапии. Публикуются доходчивые выкладки экспериментов, в которых такая терапия, наоборот, повышает угрозу гипергликемии и не особо снижает риск смерти. Да и, похоже, интенсивная терапия не многим лучше традиционной. В интенсивной терапии вводится инсулин быстрого действия, а в традиционной — продолжительного; они различаются, как минимум, дозировками.
Здесь же возникает другая противоречивая область — безопасность вводимых в кровь растворов. Речь снова о пациентах в критическом состоянии, особенно с серьёзными воспалениями внутренних органов (сепсис), большими кровопотерями и т.д. Им нужно промывать кровь, восстанавливать её объём; тем, у кого кровь загустевает, необходимо улучшить циркуляцию. Часто для этого вводят в кровь гидроксиэтилкрахмал (ГЭК, HES — hydroxyethyl starch). Иначе говоря, применяют инфузионную реанимацию (инфузия — ввод в кровь). Растворов ГЭК множество. И самое страшное: медицинское сообщество всё еще не уверено, какой именно раствор пациенту необходим. Но в любом случае считается, что ГЭК для безопасен.
Впервые ГЭК был получен в 1970-м году. Сегодня уже выпущено три поколения ГЭК. Все варианты различаются концентрацией, весом молекул (маленькие молекулы не задерживаются в сосудах) и степенью замещения (способность некоторых молекулярных групп меняться местами; она влияет на скорость расщепления молекул в воде и в крови). Инфузионную терапию продолжают назначать, но эксперименты на безопасность ГЭК возобновляются. Современные исследования указывают, например, на повышение риска острой почечной недостаточности при вводе ГЭК.
В последние годы указание на сомнительность безопасности растворов ГЭК и неуверенность в эффективности инсулинотерапии для тяжелобольного человека вызвали буквально всплеск цитируемости среди учёных-медиков многих стран.
Металл дышит
В химии и материаловедении крайне популярна аббревиатура MOF (Metal-Organic Framework) или по-русски МКОП (металлоорганические координационные полимеры).
Для начала вновь удивимся тому, что мы умеем сами строить самые разные молекулярные структуры. МКОП — это искусственно созданные цепочки, сети, решётки, тетраэдры и прочее одновременно из металлических и органических молекул. Под органическими подразумеваются, например, щавелевая, янтарная, лимонная кислота и многие другие (малоновая, глутаровая, фталевая…). Их молекулы являются лигандами, то есть они — и это самое главное — нейтральны и с удовольствием цепляются к какому-либо молекулярному центру, в том числе металлическому.
Каждый год регистрируются более 6 тысяч новых МКОП. Уже из одного этого ясно, насколько разнообразны их соединения.
Первостепенное преимущество структуры МКОП — наличие полостей. Ионы соединяются так (например, кольцом), что образуют пустые площадки, свободные поры (например, внутри кольца). Богатая вариация композиций и податливый к изменениям скелет МКОП позволят создать материалы с уникальными свойствами. К примеру, поры можно использовать как хранилища некоторых элементов. Это важно при разработке альтернативного топлива.
Проще говоря, сегодня многие учёные мечтают заменить бензин на водород, который обладает относительно высокой энергетической мощностью, а его побочный продукт — вода. Но вдумаемся: автомобилю для привычной скорости потребуется 5 кг водорода. Объёмно. Да и сколько времени займет заправка. Какого размера должен быть топливный бак? Тогда сжимаем 5 кг водорода и получаем страшное давление. Это потребует уже тяжёлого металлического бака. Очень тяжёлого. Да ещё необходимы теплоизоляционные свойства металла, чтобы водород оставался в охлаждённом состоянии, а то и вовсе нужна охлаждающая аппаратура. Неоправданно дорого.
По всей видимости, будущее безопасного топлива за МКОП. В порах такого материала можно хранить водород! Молекулы водорода сжимаются до размеров этих пор. Правда, ещё не найдено удобного во всех практических отношениях МКОП-соединения. Химики пробуют самые разные по форме и размерам МКОП-структуры.
…Непосредственно хранением водорода в порах металлоорганических полимеров институты занимаются лишь более десяти лет. Между тем самые первые МКОП были получены ещё в 1897 году. А понимание механизма пришло только в середине ХХ века. Исследователей поражали многие свойства нового материала. Это, помимо хранения водорода, — адсорбционные и катализаторные способности. МКОП уже применяются в химических сенсорах, флуоресценции, катализе, нелинейной оптике и биологической медицине. Возможности металлоорганических координационных полимеров широки. Это передовая область химии в последние шесть лет…
Конечно, исследований в каждой научной области ещё не один десяток, да и самих областей по пальцам не пересчитать. Многие из них нацелены на то, чтобы сделать нашу жизнь лучше, а отношения с природой — разумнее. Если учесть, что в обсуждении этих направлений участвуют учёные из Европы, Азии, Океании, Америки (разные страны числятся и среди спонсоров исследований), то вывод однозначен: мы имеем дело действительно с мировыми научными интересами.
