Ядерный реактор уральской науки

Сфера научных интересов Адольфа Мокроносова – механизм фотосинтеза растений.

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.

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.

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.

Темы для семинаров биофизиков зачастую бывают весьма экзотичны.

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. Фотографии предоставлены организаторами выставки «Наука в большом городе»

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. 

Екатеринбург – Нижний Новгород