Новый язык науки

Физическая мезомеханика: от авиации до медицины.

 Новое научное направление всегда происходит несколько стадий своего развития: зарождение новой концепции, базирующейся на принципиально новых идеях, ее трудное становление (необходимость доказать всем скептикам свое право на существование) и, наконец, признание и плодотворная работа, в рамках которой зачастую удается решить такие проблемы, которые научному подходу «прошлого» - прежней парадигме были просто-напросто не по силам. Все это можно проследить на примере физической мезомеханики – направления, созданного академиком Виктором Паниным.

Мы учимся у самой природы

В первой декаде сентября в Томском научном центре СО РАН прошел крупный научный форум – Международная конференция «Иерархически организованные системы живой и неживой природы». В числе организаторов конференции: Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, а также другие академические институты РАН, Институт биохимии СО РАМН, Берлинский технический университет, Штутгартский университет, три Технологические платформы «Медицина будущего», «Материалы и технологии металлургии», «Легкие надежные конструкции», национальные исследовательские Томский Государственный и Томский политехнический университеты.

Торжественная церемония открытия конференции началась с выступления академика В. Е. Панина, создателя этого научного направления.

-  Мы проводим нашу конференцию в особенный период, когда тесным образом формируется связь таких направлений науки, как биология, физика, математика, медицина и другие. Мы пытаемся многому научиться у биологов, объектом исследования которых являются иерархически организованные системы, созданные самой природой: эти подходы взяты на вооружение и мезомеханикой.  

Физическая мезомеханика материалов зародилась в Сибирском отделении Российской академии наук почти тридцать лет назад. Это научное направление вызывает большой интерес не только в России, но и за рубежом. В настоящее время многоуровневые подходы физической мезомеханики признаны актуальными в самых разных областях науки — в физике, механике, химии, геологии, биологии и материаловедении, а также в многочисленных инженерных приложениях.

Если в основе традиционной механики лежал одноуровневый подход к описанию механического поведения нагруженного твёрдого тела на макромасштабном уровне, то на в настоящее время в механике развиваются многоуровневые подходы, в  рамках которых необходимо учитывать самосогласование процессов в нагруженном твёрдом теле в иерархии масштабов: нано, микро, мезо и макро.

Наиболее актуальным и новым, объединяющим ученых, ведущих мультидисциплинарные исследования, стал базовый, основополагающий тезис о связи живых и неживых иерархически организованных систем. Этому был посвящен один из юбилейных выпусков журнала «Физическая мезомеханика». Конференция, в свою, очередь стала площадкой для диалога ученых, одной из важнейших задач которого является определение перспективных направлений, по которым будет развиваться физическая мезомеханика.

Будущее физики – это биология.

Одной из ключевых задач конференции является поиск нового языка науки, который бы объединил исследователей из разных направлений науки из различных стран. Профессор Майкл Внук (штат Висконсин), постоянный участник конференции с 1995 года, отметил:

-  Академик Виктор Панин связал физику материалов, с математикой, биологией, инженерией. Это глубочайшее понимание тенденции современной науки имеет колоссальное значение для работы в сфере нанотехнологий. Я веду исследования по созданию материалов нового поколения для космической промышленности, в том числе с использованием наночастиц. Благодаря применению подходов физической мезомеханики удается адаптировать космическую технику выдерживать сверхтяжелые нагрузки (Интересно отметить, что научный коллектив под руководством академика В.Е. Панина успешно решил задачу государственной важности в России, разработав новый класс материалов для космической отрасли).

Сколько точек пересечения, сколько тонких, но таких важных моментов, имеющих чрезвычайное значение для будущего науки. В своем пленарном докладе Майкл Внук отметил, что «будущее физики – это биология». Именно это высказывание может служить лучшим прологом к рассказу о плодотворном сотрудничестве ИФПМ СО РАН с Институтом биохимии СО РАМН.

Академик РАМН Лев Евгеньевич Панин, директор ИБ СО РАМН  в беседе с корреспондентом «Науки в Сибири» подчеркнул:

- Мы находимся в самом начале интересного и сложного пути. Учеными наших институтов ведутся совместные эксперименты, позволившие накопить значительное количество новых данных и результатов. В частности, ведется изучение процессов, происходящих в клеточных мембранах под влиянием стресса. Сегодня эта тема имеет большую актуальность, потому что современного человека на протяжении всей его жизни сопровождают стрессовые ситуации. В медицине появился новый термин «кардиологический синдром Х». Суть его состоит в следующем: у здорового человека начинают появляться боли в сердце, гипоксические состояния. Раньше ученым была непонятна природа этого явления – предвестника ишемической болезни сердца. Важнейшей его особенностью стали те изменения, которые происходят на молекулярном уровне. Только с помощью новейших физических методов удалось зафиксировать изменения состояния клеточных мембран. Задача номер один сегодня и для физиков, и для биологов найти общие закономерности поведения жидких и твердых кристаллов, а также определить некие области, где каждые из них характеризуются разными состояниями.

Внезапная смерть звезд российского спорта – остановка сердца прямо во время тренировки или матча, проблемы адаптации людей из средних широт к экстремальным условиям Арктики – все уже перестало быть проблемами сугубо медицинскими. Изменения, происходящие в организме на молекулярном уровне, – изменения состояний клеточных мембран могут быть описаны лишь с применением законов термодинамики, багажа передовых знаний, накопленных, в том числе, и физической мезомеханикой.

Трещина – показатель состояния.

Практически каждый докладчик в своем сообщении касался такого сложного аспекта, как взаимопроникновение законов организации систем живой и неживой природы. От медицины – к авиастроению, от разломов горных пород – к исследованиям в сфере онкологии и создания новых стандартов лечения различных заболеваний.

В работе конференции принял участие профессор А.А. Шанявский (Государственный Центр безопасности полетов на воздушном транспорте ОАО «Аэрофлот»), известный в мире специалист в области исследований поведения титановых сплавов – материала-монополиста в современной авиационной отрасли (так как он, имея  плотность алюминия, в два с лишним раза превосходит его по прочности). Из титанового сплава изготавливаются диски авиадвигателей, разрушение которых приводит к аварийным ситуациям или даже к самым фатальным последствиям – крушению воздушного судна.

-  Необходимо совершенно новое понимание усталости металла, потому что модельные представления о сроке эксплуатации материала не отражают реального его поведения. Основополагающим фактором дефектности может быть является волокнистая структура материала - заложенная на этапе изготовления неоднородность его структуры. В результате, именно на таких неоднородностях могут возникать трещины, что становится главной помехой для безопасной эксплуатации дисков. В США предпринимались попытки повысить однородность материалов за счет отливки единой конструкции – диск совместно с лопатками. Однако этот путь на сегодняшний день представляется тупиковым, что связано с процессами сверхмногоцикловой усталости, когда трещины зарождаются под поверхностью, и выявить их традиционными средствами неразрушающего контроля не представляется возможным, - подчеркнул профессор Шанявский.

Благодаря пониманию природы этих явлений в России осуществлен переход на новые регламенты технического обслуживания и контроля, обеспечивающие своевременную смену дисков, что повышает безопасность эксплуатации воздушных судов.

-  Значимый вклад в изучение этих проблем внесен и томскими учеными. Институт физики прочности и материаловедения является лидером в исследовании процессов накопления повреждений в материале. Школа академика В.Е. Панина по праву считается одной из ведущих в мире, и она развивается весьма стремительно. 

Рак: загадка и отгадка.

Благодаря мультидисциплинарным подходам, лежащим в основе мезомеханики, удалось получить результаты, имеющие значимое фундаментальное значение для такого направления медицины, как онкология.  Значимую роль при получении этих результатов сыграло такое базовое понятие, как кристалл, прочно укоренившееся сегодня в мире различных иерархически организованных систем живой и неживой природы.

                        Профессор Л.Б. Наймарк, зав. лабораторией Института механики сплошных сред УрО РАН посвятил свой пленарный доклад проблеме многомасштабного экспериментального и теоретического исследования механобиологии и гомеостаза опухолей.

                        -  Направленность исследований в механобиологии предполагает, что изменения в механике клеток, структуре околоклеточной матрицы могут способствовать пониманию ряда заболеваний, в том числе рака. На масштабах клетки механобиология изучает физические факторы, определяющие способность клетки чувствовать усилия и физическое окружение через ее цитоскелетную организацию, изменять форму и подвижность клетки.  На больших масштабах эти изменения влияют также на функции тканей.

                        В настоящее время наблюдается тенденция к нарастанию объема клинических данных о том, что многие люди имеют скрытые опухоли, которые не развиваются в онкологические заболевания, то есть формирование опухолей не всегда завершается раком. Почему эти опухоли не прогрессируют в выраженный рак, остается загадкой, и обширные исследования дают возможность получить ответы только на некоторые вопросы. В области онкологии начинают развиваться подходы, учитывающие тот важный факт, что возникновение рака, его распространение и противодействие этому организма связано с изменением механического фенотипа клеток и тканей. Это проявляется как внутреннее изменение в структуре клеток и тканей, и их механических свойств.

                        Имеются данные о том, что силовой баланс может контролировать удивительно широкий диапазон клеточных свойств, играющих критическую роль в генезисе опухолей, включая структуру, подвижность, пролиферацию, деление и сохранение стволовых клеток. Обоснованным является предположение, что мезоскопическая среда, окружающая рак, в этих случаях обеспечивает реакцию подавления до тех пор, пока архитектура гомеостаза ткани существенно контролируется.

Гуманитарная миссия мезомеханики

                   Социальное и общечеловеческое значение физической мезомеханики таково, что благодаря ей удается решить и важнейшие гуманитарные задачи. Так согласно статистическим данным, от небезопасной питьевой воды погибло больше людей, чем во всех военных действиях на планете. 80% всех инфекционных заболеваний связано с некачественной питьевой водой. В современном мире мощное действие антибиотиков привело к распространению резистентных микроорганизмов. Образование таких штаммов делает человечество беззащитным перед многими болезнями, которые в недавнем прошлом излечивались сравнительно просто. 30% случаев заражения синегнойной палочкой не поддается лечению имеющимися на рынке препаратами. От 70 до 100 % штаммов энтеробактерий и грамотрицательных бактерий в хирургических и ожоговых стационарах проявляют клиническую устойчивость к риванолу, фурациллину, хлорамину.

                                      При этом антибиотики, считавшиеся раньше панацеей от всех серьезных инфекций, по большому счету теперь перед лицом многих опасностей бессильны. Фармацевтической промышленности экономически не выгодно искать решение этой страшной задачи, потому что создание одного такого препарата требует колоссальных вложений – до ста миллионов долларов, а срок его службы составляет всего лишь три года: потом антибиотик перестает быть эффективным и поэтому не окупает затраченных на него средств.

                                    На базе фундаментальных достижений мезомеханики в ИФПМ СО РАН в течение последних 12 лет были разработаны подходы к направленному воздействию на микроорганизмы с помощью низкоразмерных электроположительных структур. Благодаря этому появилась возможность лечения раневых инфекций без применения антибиотиков и антисептиков – создания качественно новых стандартов лечения инфицированных ожогов II-III степени, пролежней, трофических язв, рожистых воспалений, ведения инфицированных хирургических и бытовых ран. Разработанные в ИФПМ СО РАН фильтрационные материалы позволяют добиться удаления бактерий и вирусов из водных сред с эффективностью 99,99 %.

                                    P.S. Как отметил чл.-корр. РАН, директор ИФПМ СО РАН Сергей Псахье, физическая мезомеханика на современном этапе развития науки имеет очень большие перспективы: в рамках этого направления удается получить значимые фундаментальные результаты, которые находят отражение и в практических приложениях – космической и авиационной отраслях, ядерной энергетике и медицине. С точки зрения материаловедения принципиально важно то, что удается создавать материалы с мультимодельной структурой, обладающими уникальными физико-механическими и функциональными свойствами. Все это открывает новые перспективы дальнейшего развития данного научного направления и можно с уверенностью заявлять, что подходы физической мезомеханики найдут еще много важных для человечества практических приложений.

                        Ольга Булгакова