Об авторе:　Евгений Михайлович Стрелков – Университет Лобачевского, Нижний Новгород

 

От нейтронной алхимии до колебательных процессов в сердце

Сфера научных интересов Адольфа Мокроносова – механизм фотосинтеза растений.

17 ноября на одной из площадок музея города Екатеринбурга, в бывшем доме-коммуне на проспекте Ленина, 52, откроется выставка «Наука в большом городе». Почти два десятка научных сюжетов, перевитых драмами идей, судьбами их творцов, историей научных институтов и конструкторских бюро образовали сложное пространство взаимосвязей и взаимовлияния. Несмотря на то что области научных исследований представлены тут самые разные, сквозь экспозицию можно протянуть различные путеводные нити. Вот только одна из возможных, связавшая сразу несколько далеких на первый взгляд тем.

Платиновая группа

«Урал – земля золотая» – так назвал Павел Бажов сборник своих сказов, посвященных горным мастерам, Медной горы хозяйке и Серебряному копытцу.

Все правильно – золото, медь, серебро... Но ведь не только эти металлы!

В 1930-х годах усилиями и талантом Николая Николаевича Барабошкина, выпускника питерского Горного института, с 1915 года обосновавшегося на Урале, здесь были впервые в стране выплавлены металлы платиновой группы – палладий, иридий, радий, осмий, рутений. Барабошкин руководил аффинажем – очисткой от примесей – платины, а из медеэлектролитных шламов сумел извлечь селен и теллур.

А в 1966 году на Белоярской атомной станции, к слову говоря, одной из крупнейших тогда, был запущен необычный реактор. Исследовательский ядерный реактор ИВВ-2М, созданный по инициативе академиков Сергея Вонсовского и Мстислава Келдыша и свердловского профессора Сергея Сидорова, не производит электроэнергию – он нужен для получения радиоактивных изотопов: иридий-192, йод-125, лютеций-177, цезий-131, углерод-14. Все они радиоактивны, источники жесткого излучения. И это излучение можно использовать. Например, для дефектоскопии – обнаружении микротрещин в конструкционных материалах. Или для батарей в космических аппаратах – там излучение создает электрический ток с помощью термоэлектрического эффекта.

Физик-материаловед Борис Гощицкий исследует влияние радиации на структуру твердого тела.

Вообще, ядерный реактор оказался удивительным инструментом по изучению вещества. Радиация способна менять атомную структуру материалов, в том числе очень важных для современной электроники магнетиков и сверхпроводников. Такого рода физика твердого тела и привлекла сотрудников Института реакторных материалов Бориса Гощицкого и Сергея Сидорова. Можно сказать, что они – физики-материаловеды, только к традиционным для этой науки параметрам вроде температуры и давления добавился новый и пока слабо исследованный параметр – радиация.

Под воздействием потока нейтронов из реактора меняется тип кристаллической решетки, а иногда решетка просто исчезает – вещество переходит в аморфное состояние. Таким образом, можно получать стабильные материалы с новыми свойствами.

Выпускник Уральского политехнического института Борис Гощицкий начинал с изучения процессов разделения изотопов газодиффузионным методом – в 1950-е это было важнейшей задачей для атомной отрасли. Работая в Институте физики металлов уральского отделения РАН, он одним из первых в стране занялся высокотемпературной сверхпроводимостью – ведь исследовательский реактор ИВВ-2М способен потоками нейтронов менять температуру перехода в сверхпроводящее состояние.

Совершенно уникальная ситуация возникает, когда под воздействием ядерных реакций меняются сами атомы в кристаллической решетке – это уже настоящая алхимия, только философским камнем служит поток нейтронов.

Тераностика

А что же упомянутые изотопы? Их успешно применяют в медицине. Изотопы типа иридия-192 с высокой эффективностью используются для воздействия на опухоли мозга – радиация убивает раковые клетки. Конечно, радиация не щадит и клетки здоровые, поэтому тут возникает сложная наука на стыке радиационной биологии и физики – наука о дозах и сечениях рассеяния излучения, о механизмах взаимодействия жесткого излучения и биологических тканей.

Разработанная Владимиром Мархасиным и Валерием Изаковым модель сердца позволяет опробовать новые методы диагностики и лечения сердечно-сосудистых заболеваний.

Пожалуй, самое перспективное направление тут – тераностика, то есть соединение терапии и диагностики. В кровь направляются мельчайшие металлические частицы, которые группируются вокруг опухоли просто потому, что быстрорастущая опухоль – это всегда повышенный кровоток. Окружая опухоль, эти частицы делают видимой ее для детекторов. А если на них «навесить» микрочастицы радиоактивного изотопа, те будут убивать опухолевые клетки, не трогая здоровые – ведь кровоток принес изотоп именно в зону больных клеток.

Другой способ борьбы с раком – нейтронная терапия, когда воздействие на больного оказывают пучки нейтронов, порождаемые в реакторе. И тут тоже непростая физика, связанная с рассеянием нейтронов под разными углами, с сечениями пучков, с их энергией.

Еще одно применение для изотопа углерода-14 нашлось в изучении физиологии растений, а именно – в разгадке механизма фотосинтеза. Этой темой занялся в 1950-е выпускник Уральского университета Адольф Трофимович Мокроносов. Ведь фотосинтез – очень сложный многоступенчатый физико-химический процесс. Опустив побеги с зелеными листьями в специальные «кармашки» с изотопом, можно проследить этапы этого процесса. Меченные радиацией атомы распространяются по тканям растения и можно определить, где именно и с какой скоростью происходят окислительно-восстановительные реакции.

Не исключено, что кое-что для своих опытов Мокроносов, ко всему прочему талантливый конструктор оригинальных детекторов, подсмотрел у Николая Владимировича Тимофеева-Ресовского, с которым был знаком со студенчества.

Сердечная ткань

Интересно, что с Тимофеевым-Ресовским, патриархом радиобиологии, повлиявшим на всю уральскую медико-биологическую формацию, связано и такое, казалось бы, никак не имеющее никакого отношения к радиационной биологии научное направление, как физиология миокарда, то есть сердечной ткани. Но именно Тимофеев-Ресовский увлек двух студентов-медиков, участников его биологического кружка, Владимира Мархасина и Валерия Изакова, статистическими методами в биологии. А оттуда уже рукой подать до математического моделирования колебательных процессов в сердце. То есть определению различных режимов сокращений сердечной ткани, предельных циклов, к которым стремятся фазовые траектории этих сложных динамических систем.

С 1970-х оба молодых ученых стали работать над моделью сердечной мышцы, в результате создав полноценную региональную научную школу биомеханики миокарда. Для этого им пришлось объединить усилия специалистов из весьма разных научных областей – медиков, биологов, физиков, математиков, программистов, инженеров, дизайнеров.

Исследовательский реактор ИВВ-2М на Белоярской АЭС способен потоками нейтронов менять температуру перехода в сверхпроводящее состояние.

Были сконструированы уникальные установки, на которых проверяли гипотезу исходной неоднородности миокарда. Выяснилось, что нарушение исходной электромеханической неоднородности клеток сердечной мышцы приводит к сбою сердечного ритма и к различным патологиям – и их тоже можно попробовать моделировать на компьютерах.

Причем как эксперименты, так и моделирование проводилось на разных уровнях детализации: молекулярном (работа сократительных белков), клеточном (сокращение кардиомиоцитов), тканевом (поведение изолированного фрагмента сердечной мышцы), органном (целое сердце). Конечная цель нынешней работы ученых – интеграция этих разноуровневых моделей в единую виртуальную модель сердца. Первые такие модели уже построены.

Свою руку приложил к «сердечным» исследованиям и Николай Семихатов, конструктор систем управления для баллистических и космических ракет. Придуманные в его лаборатории в НПО «Автоматика» специальные процессоры для обсчета состояний динамической системы оказались удобны и при управлении режимами пульсаций сердца.

Разработанная лабораторией Мархасина и Изакова модель сердца уже позволяет опробовать новые методы диагностики и лечения сердечно-сосудистых заболеваний, оценивать риски развития сердечных патологий в различных условиях, планировать сложные кардиологические операции, в частности, по внедрению электрокардиостимуляторов.

В 2003 году был создан Институт иммунологии и физиологии Уральского отделения РАН – самый молодой академический институт в Екатеринбурге. Именно там развивают идеи, заложенные основателями направления Владимиром Мархасиным и Валерием Изаковым. Словом, на Урале выросла целая школа по физиологии миокарда. И как знать, какие еще связи могут возникнуть между адептами таких, казалось бы, разных областей знания: ядерных реакций, радиоактивных изотопов, тераностики и фотосинтеза, космических полетов и сердечных ритмов.

Природа едина, части ее плотно пригнаны друг к другу, а иногда и просто перемешаны – совсем как драгоценные металлы в рудах золотой уральской земли.