Новосибирские физматовцы следят за дыханием

Участие школьников в научных проектах помогает развить понимание научного метода и процессов исследования. Фото с сайта www.sesc.nsu.ru

Физико-математическая школа Новосибирского государственного университета (НГУ) – один из специализированных учебных научных центров (СУНЦ), созданных по национальному проекту «Наука и университеты». Это сильнейшая школа России по естественно-научным, техническим направлениям и точным наукам. Во время учебы школьники активно вовлекаются в научные исследования, занимаются с лучшими преподавателями своего вуза. Для них открыты как собственные лаборатории СУНЦ, так и НГУ, а также исследовательских институтов Новосибирского научного центра Сибирского отделения (СО) РАН.

Проекты

Школьники принимают участие в исследованиях в разных ролях, начиная с помощников научных сотрудников и заканчивая полноценными исполнителями отдельных частей проектов, рассказали в пресс-службе СУНЦ НГУ.

В зависимости от уровня подготовки ребята могут участвовать в экспериментах, сборе и анализе данных, проведении вычислений, а также в разработке прототипов и моделей. Под руководством преподавателей и ученых они занимаются решением задач, которые помогают развить понимание научного метода и процессов исследования.

Среди проектов прошлого года – исследование по численному моделированию электрического пробоя жидких диэлектриков. Оно помогает понять поведение материалов в экстремальных условиях.

Также школьники работали над синтезом пленок нитрида алюминия с использованием магнетронного распыления. Уникальное решение поможет создать новые высокотехнологичные материалы с улучшенными свойствами.

Есть и проекты, связанные с биологией и экологией. Например, исследование влияния азотобактерий на загрязненность почв, изучение генетических факторов, способствующих появлению рака желудка, а также анализ индивидуальных различий чувствительности вкусовых рецепторов у человека. Эти проекты требуют от школьников освоения сложных биохимических и генетических методов и позволяют применить их в реальных исследованиях.

В этом году школьники займутся сбором и обработкой данных, применением методов биоинформатики для анализа результатов метаболомных данных, изучат связи между генами и их влияние на метаболизм.

В проекте по разработке устройства для измерения уровня концентрации углекислого газа ребята будут решать инженерные задачи: спроектируют и проведут тестирования прототипов, запрограммируют датчики и проанализируют необходимые показатели.

Проектная деятельность в СУНЦ НГУ охватывает широкий спектр направлений – от физики и инженерии до биологии и экологии. Именно здесь школьники приобретают ценный опыт участия в реальных научных исследованиях и развивают свои исследовательские и аналитические навыки.

Лаборатории

С сентября 2024 года обучение проводится в новом корпусе СУНЦ кампуса НГУ. Инженерная лаборатория оборудована специализированной мебелью для занятий робототехникой, монтажными столами, паяльными станциями, столярными верстаками, слесарными, токарными, точильными и сверлильными станками.

В лабораториях физики есть подвесная система с подачей света, электричества, источники постоянных и переменных слабых токов и сжатого воздуха. Также установки для изучения физических явлений, законов и измерения отдельных физических величин. Кроме того, функционирует установка по определению универсальной газовой постоянной величины магнитного поля Земли, скорости звука в воздухе, поверхностного натяжения воды, ускорения свободного падения в поле тяжести Земли и др.

Для школьников работает мастерская, оснащенная монтажными столами с паяльными станциями, слесарными верстаками, сверлильным, токарным и фрезерным станками и 3D-принтером. В составе научного оборудования биологических лабораторий – автоклав, термостат, спектрофотометр, электрофорезные камеры, ДНК-амплификатор, шейкер-инкубатор для пробирок и колб, гель-документирующие системы, исследовательский микроскоп и др.

Воспитанники физматшколы НГУ Леон Козеев и Валерия Карпекина изучили влияние частоты дыхания на организм человека.  Фото с сайта www.sesc.nsu.ru

Одно из научных исследований, проведенных учениками СУНЦ НГУ, касается чувствительности организма человека к частоте легочного дыхания. Цикл биомедицинских исследований в этой области проводится в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова с использованием тепловизионного и другого современного научного оборудования.

Частота дыхания – физиологический параметр организма, способный изменяться в широких пределах и служащий одним из информативных факторов кардиореспираторных и ряда других заболеваний человека.

Ученые установили, что синхронный мониторинг одновременно около десятка параметров организма дает возможность получить много полезной информации. К примеру, взаимосвязь скорости распространения пульсовой волны в лучевой артерии с фазой дыхания.

Школьники изучили влияние на организм человека внешней нагрузки – строго регулярного дыхания под управлением метронома. Биофизические параметры контролировались с применением разного рода измерительной аппаратуры. Так, миниатюрный электрокардиограф определял частоту сердечных сокращений, тепловизор – температуру пальцев рук и ног, то есть частей тела с наиболее удаленными от сердца участками кровеносной системы.

Тепловизор применялся также для измерения частоты и профиля дыхания. Для этого перед внешними дыхательными отверстиями испытуемого помещали тонкий бинт. Поскольку температура и влажность в легких значительно выше, чем в окружающей среде, при выходе наружу пар конденсировался на бинте с выделением теплоты фазового перехода. При вдохе молекулы испаряющейся влаги попадали обратно в легкие. Динамика определялась по перепаду температуры от вдоха к выдоху.

Скорость пульсовой волны в лучевой артерии также измерялась оригинальным способом, разработанным в НГУ. Упругая пульсовая волна бежит по артериям в несколько раз быстрее, чем кровь.

Воспитанница центра Валерия Карпекина применила следующую технологию: испытуемому ставили один датчик в зону локтевого сгиба, другой – в область запястья. Деление длины предплечья на интервал времени между последовательными сигналами датчиков давало искомое значение скорости. Частота дыхания задавалась метрономом и варьировалась от 6 до 60 циклов в минуту. Цель – обнаружить чувствительность показателя скорости к такому воздействию на организм.

«Меня заинтересовали изучение влияния стрессорного воздействия на организм сверстников и инициатива повысить точность измерений посредством автоматизации метронома, – рассказала Валерия Карпекина. – В первую очередь новым для меня стал сам метод синхронного измерения биофизических данных, позволивший впоследствии пронаблюдать качественные изменения со временем физиологических параметров».

Школьник Леон Козеев разработал модуль для автоматизации работы метронома на языке Python. Он встроен в программу управления экспериментом, генерирует требуемые звуковые сигналы с различными параметрами. Это облегчило работу ученых, повысило надежность и воспроизводимость результатов, полученных с использованием метронома.

В результате исследований у практически здоровых испытуемых был обнаружен и проанализирован выраженный системный отклик организма в ответ на внешнее воздействие, были найдены корреляции одних физиологических показателей с другими.