Теория скрытых колебаний и геном Рюриковичей: лауреаты Госпремии в области науки и технологий совершили прорыв

Без преувеличения можно сказать, что, называя лауреатов Госпремии в области науки и технологий 2024 года, жюри попало в "десятку". Их работы не просто мирового уровня. Это прорывы, которые открыли в науке новые направления.

Отметим одну особенность премии этого года. В последнее время уже стало почти традицией, что предпочтение отдается работам в области наук жизни, прежде всего медицине. На этот раз спектр наук на все вкусы: генетика, история и впервые с 2013 года - математика.

Можно без комплиментов

Говоря высоким слогом, доктор физико-математических наук из МФТИ Максим Никитин "замахнулся " почти на абсолют. На двойную спираль, которая лежит в основе современной генетики. Она открыта в 50-х годах прошлого века, удостоена Нобелевской премии, признана одним из самых главных достижений за всю историю науки. Около 70 лет была иконой генетики. И вдруг у молодого ученого из МФТИ зародилось сомнение. Почему?

Здесь придется вспомнить, как устроена двойная спираль ДНК. В ней четыре нуклеотида А, Г, Т, Ц, которые сплетаются по определенному правилу: напротив А одной цепи на другой цепи всегда стоит Т, напротив Г - всегда Ц. Именно такое строгое соответствие или комплементарность двух цепочек обеспечивает между ними очень прочные связи, поэтому двойная спираль очень стабильна. Позволяет надежно хранить и обрабатывать генетическую информацию, кодирует в нас все - от склонности к заболеваниям, до внешнего вида и даже черт характера.

Максим Никитин заинтересовался другими цепочками, короткими, у которых мало общих букв, то есть они слабо комплементарны. Вроде бы, здесь нечего изучать - в отличие от двойной спирали, такие комплексы недолговечны и казались бессмысленными. Но ученого, как он говорит, неожиданно озарило. Он вдруг понял, что силу сцепления между короткими цепочками можно очень точно настраивать - в зависимости от того, сколько пар комплементарны между цепями. Как конкретно?

"Для образности представим бульон, где плавают такие короткие ДНК, - объясняет Никитин. - Например, появилась цепочка, назовем ее A, с какой-то интересной информацией. И рядом есть какая-то короткая цепочка Г, с которой А ну совсем никогда не должна общаться, они максимально некомплементарны друг другу. Вроде бы передать информацию никак нельзя. И тем не менее это возможно. Как? В бульоне может найтись цепочка Б, у которой есть небольшая схожесть с A, они могут слиться, потусоваться, затем расцепиться. И во время такого пусть и быстротечного их контакта происходит передача информации. Точно такие же контакты в бульоне могут быть между другими короткими цепочками - Б поговорит с В, а В уже передаст информацию цепи Г".

Если совсем просто, это чем-то похоже на распространение слухов: кто-то где-то что-то сказал, и информация побежала по цепочке.

Таким образом, ученый показал, что двойная спираль - не единственный способ работы с генетической информацией. Хранить ее, передавать и управлять работой генов можно не только за счет сильных, но и слабых молекулярных взаимодействий.

Открытый неизвестный эффект автор назвал "молекулярной коммутацией". Он кардинально меняет многие представления генетики, основанные на знаменитой двойной спирали, может быть ключом к познанию сути самых разнообразных процессов: от неразгаданных тайн генетики, сложных заболеваний, памяти и старения до вопросов возникновения жизни на Земле и ее эволюции. Неудивительно, что в работе Никитина многие ученые увидели свой интерес. Биологи, физики, химики, математики, генетики и многие другие придумывают, как его использовать в своих исследованиях. Речь, в частности, идет о процессах старения, происхождении жизни, формировании кратковременной памяти, создании принципиально новых лекарств, компьютеров на основе ДНК, новых методах лечения самых разных заболеваний, прежде всего генетических. Словом, открываются самые широкие возможности для поиска.

Скрытое становится явным

Профессор Санкт-Петербургского государственного университета, член-корреспондент РАН Николай Кузнецов один из самых высокоцитируемых российских математиков. Ему удалось то, о чем мечтает каждый ученый - сделать открытие и создать принципиально новое научное направление, которое позволило решать ранее недоступные задачи и вовлекло в его развитие тысячи исследователей.

Николай Кузнецов удостоен государственной премии за создание и разработку нового научного направления - теории скрытых колебаний. Это научное открытие - яркий пример, как фундаментальная математика может стать по-настоящему прикладной. Жюри премии особо отметило, что "теория скрытых колебаний открыла принципиально новые возможности для определения границ устойчивости и выявления нежелательных колебаний для предотвращения технологических и техногенных катастроф". К примеру, с помощью этой теории и строгих математических методов удалось разобраться в причинах печально известной аварии на Саяно-Шушенской ГЭС и провести анализ возникновения опасных скрытых колебаний.

В чем суть этого нетривиального явления? В технических системах может быть заложена какая-то особенность, которая никак себя не проявляет при нормальной эксплуатации. Но при определенном внешнем воздействии, даже не обязательно критическом, в системе могут возникать нежелательные скрытые колебания, приводящие к катастрофе. Скажем, на Саяно-Шушенской ГЭС из-за скачков нагрузки динамика ее гидроагрегата пошла вразнос.

Как обнаружить границы устойчивости системы, как не дать возникнуть скрытым колебаниям, а значит, не допустить техногенной катастрофы? Ответы на эти вопросы дает математическая теория Кузнецова. С помощью математических моделей и методов теории скрытых колебаний полностью описано поведение целого ряда технических систем в различных ситуациях, определены условия и границы их устойчивости, а также условия возникновения скрытых колебаний.

Пожалуй, самый наглядный пример применения этой теории - явление флаттера. Это дрожание крыла самолета, которое появляется при определенных условиях полета и может привести к разрушению конструкции.

"Как известно, наш выдающийся математик Мстислав Всеволодович Келдыш еще до Второй мировой войны математически описал явление флаттера, - говорит Николай Кузнецов. - При этом он подчеркивал, что часть выводов не может строго доказать, они сделаны интуитивно. В то время еще не было необходимых математических методов. Можно только поражаться таланту и научному предвидению этого человека, поскольку его работы позволили во время войны нашим самолетам избежать возникновения флаттера, что спасло многие самолеты и жизни летчиков".

Теория скрытых колебаний кардинально изменила ситуацию. Она позволила четко определить условия и границы устойчивости технических систем. Эти границы определяют конкретные параметры функционирования системы, выход за которые ведет к неожидаемому возникновению скрытых колебаний и резко повышают вероятность катастроф.

Сегодня разработанные на основе теории скрытых колебаний методы Кузнецова используются в самых разных отраслях индустрии, сфере услуг, информационных технологиях и научных исследованиях, в том числе при проектировании систем управления турбин электростанций, летательных аппаратов, буровых установок, распределенных компьютерных архитектур, телекоммуникаций, систем навигации и т.д.

Открыть Кремль

Лауреата премии, директора Института археологии РАН Николая Макарова отличает масштаб научных интересов. Такой охват позволил ученому по-новому осмыслить цивилизационное своеобразие России и ее место в мировой истории.

Так, убедительно показано, что огромное значение для освоения территорий играли не только города, но и сельские поселения. За много лет работы в Суздальском Ополье археологи открыли, как этот район стал основным очагом древнерусского расселения в Северо-Восточной Руси и опорой для формирования княжеской власти.

Основанные здесь в X-XII веках поселения оказались исключительно устойчивы, - говорит академик Макаров. - Достаточно сказать, что две трети сохранились после монгольского разгрома. Кстати, большинство из существующих и сейчас сел возникло именно в те далекие времена. Это редкий пример тысячелетней преемственности сельской жизни. Устойчивость сельских поселений Ополья была, как мы теперь понимаем, одним из главных факторов устойчивости всей Северо-Восточной Руси. Здесь в сельских поселениях жили не только простые земледельцы, мы находим усадьбы элиты, служившей князю".

В результате археологических работ был выявлен целый ряд уникальных объектов, в том числе сооружения Чудова монастыря и здания Приказов, в которых располагались центральные органы управления Русского государства.

"Кремлевский культурный слой открывает новые аспекты истории не только этого города, но и России, - говорит Макаров. - Становится более понятно, как происходил подъем и возвышение Москвы, как она, казалось бы, один из рядовых городов Северо-Восточной Руси, превращается во властный центр огромного государства".

И, конечно, настоящей сенсацией стало инициированное академиком Макаровым исследование генофонда древнего населения Русской равнины от каменного века до средневековой Руси. А конкретно изучался генетический облик Рюриковичей.

Отметим, что до недавнего времени исследование древней ДНК проводилось почти исключительно в зарубежных лабораториях. Этот проект - первый, в котором вся лабораторная часть выполнена в России. Одним из результатов стал полногеномный анализ костных останков представителя рода Рюриковичей - князя Дмитрия Александровича, сына великого князя Александра Ярославича Невского. Он первый представитель этого княжеского рода, останки которого надежно документированы и оказались доступны для изучения.

Размер каждой премии 10 миллионов рублей. Церемония вручения состоится в День России, 12 июня.