Будущее начинается сегодня

«Наука в Сибири» публикует работы победителей конкурса эссе в честь Дня Академгородка на тему «В разработке какой важной для человечества научной темы или технологии я бы хотел принять участие?».

Вклад в общее дело

София Колесникова, I место
Средняя школа № 202, 7 «Д» класс

«Сегодня я обучаюсь в седьмом классе и старательно изучаю биологию, а в последующем займусь генетикой и химией. Мечтаю принять участие в групповой разработке по созданию микроорганизмов, поглощающих нефть, а также продукты ее разложения. Что подтолкнуло меня к этому выбору? Расскажу подробнее.

В последнее время в мире очень много внимания уделяется экологии, и в частности истощению запасов пресной воды. С каждым годом их становится всё меньше и меньше. А ведь вода — это главный ресурс человечества. Неоднократно случались аварии, при которых на огромные территории разливалась нефть. В такие моменты химические вещества проникают в почву, вода загрязняется на десятки лет, вымирает рыба и подводные растения. Всё это постепенно приводит к гибели нашей замечательной планеты.

29 мая 2020 года в Красноярском крае, в Норильске, произошла техногенная катастрофа: разгерметизировался бак с дизельным топливом. Об этом мне рассказал мой крестный, который был среди спасателей. Он рассказывал, что “вещество растеклось на сотни квадратных километров. На ликвидацию этой аварии были брошены огромные силы и средства”. Уже через несколько часов на любом канале можно было узнать о происходящем, но сам процесс ликвидации никому, кроме спасателей, не был известен. С чем пришлось столкнуться этим людям, спасая природу…

Родственники моего крестного также вспоминали о том, что в тот день ничего не предвещало беды... Обычный телефонный звонок — и сухие ответы крестного. И лишь по выражению его лица можно было понять, что случилось что-то серьезное. Позже узнали, что часть сотрудников отправили на ликвидацию аварии, куда попал и он. Во всей этой ситуации радовало только одно — была хорошая связь. Всё остальное было тяжело и печально. Мой крестный регулярно звонил своим родным. Об аварии рассказывал мало, всё больше о необычной и красивой природе Красноярского края с ее тундрами, непроходимыми болотами, богатыми лесами и бесконечным небом. Эта авария никак не вписывалась в образ “первозданной красоты мира”. Пересматривая высланные видео, я вновь и вновь удивлялась мужеству и отваге людей, которые не побоялись променять свои теплые постели на холодные палатки и круглосуточный труд. Я словно очутилась с крестным в этих страшных обстоятельствах и увидела, как мы, люди, сильно вредим природе. Даже если это происходит случайно.

Тогда я и поняла, что необходимо какое-то изобретение на такие случаи. Люди должны позаботиться о здоровой экологии, чистом воздухе и воде для себя и своих потомков.

Прочитав много информации по этой теме, я подумала — ведь в нашем организме существуют различные клетки, которые борются с инфекцией. К таким клеткам относятся нейтрофилы. Они захватывают патологических агентов и переваривают их внутри клетки. Можно попробовать встроить ген, отвечающий за эту функцию, в микроорганизмы, живущие в водоемах, чтобы те усиленно поглощали нефть и продукты ее распада. И для такого исследования необходимы знания в области микробиологии, генной инженерии, химии. Для реализации своего плана я уже делаю первые шаги — изучаю предметы, читаю научные статьи, провожу маленькие эксперименты. Однако очень многое еще предстоит изучить. Мне тоже хочется, как и мой крестный, делать полезное дело для экологии и людей, живущих на этой прекрасной планете».

Трансплантация бета-клеток — шанс для спасения людей с диабетом

Таисия Кирпикова, II место
Гимназия № 11 «Гармония», 8 «А» класс

«При возможности я приняла бы участие в новом открытии трансплантологии — пересадке бета-клеток. Сахарный диабет — заболевание, которое вызвано нарушениями в работе поджелудочной железы. В любом научном открытии главным является актуальность. Проблема сахарного диабета не теряет необходимости в своем решении и сейчас. Об этом свидетельствует высокая смертность людей по миру: 1,5 миллиона в год умирают от диабета. Каждого диабетика можно назвать обреченным. Последствия диабета ужасны — слепота, почечная недостаточность, инвалидность, инфаркт. Огромное количество людей с наследственной предрасположенностью должны во всем себя ограничивать. Есть ли возможность решить вопрос сахарного диабета навсегда?

Есть, и это разработка внутривенной трансплантации бета-клеток (клетки, необходимые для выработки инсулина внутри поджелудочной железы). Другие методы лечения плохи тем, что возникает иммунное отторжение, и для его подавления пациентам приходится проходить иммуносупрессивную терапию. В Приволжском исследовательском медицинском университете (ПИМУ) был предложен метод введения бета-клеток в пористых капсулах. Защитная реакция иммунной системы организма не будет опасна благодаря небольшому размеру пор. В случаях малоинвазивных операций это открытие поможет многим людям победить сахарный диабет. 

Как утверждает заведующий кафедрой факультетской хирургии и трансплантологии ПИМУ Владимир Загайнов, до этого было только одно известное решение — пересадка поджелудочной железы. Нехватка доноров и отторжение сделали эту процедуру практически невозможной для среднего жителя России. Если же превращать донорские стволовые клетки в бета-клетки in vitro, создавая условия, идентичные островкам Лангерганса, а потом заключать их в биоразлагаемый материал с мелкими порами, уменьшится вероятность отторжения. Для подходящей среды необходимо три-четыре поджелудочных железы, но их можно заимствовать частями у доноров. Впоследствии капсула вводится в печень по воротной вене или в брюшную полость путем пункции.

Развитие трансплантации бета-клеток в капсулах спасет жизни многих людей, и усовершенствованная версия идеи ПИМУ достойна воплощения в реальность».

Использование робототехнических систем для улучшения среды обитания человека в рамках создания средств для реабилитации больных с нарушениями опорно-двигательного аппарата

Владислав Можин, III место
Вторая новосибирская гимназия,9 инженерный класс

«Будущее должно быть заложено в настоящем. Это называется планом. Без него ничто в мире не может быть хорошим». Как прав был Георг Кристоф, немецкий ученый и философ XVIII века, произнося эти слова. Всё, что мы планируем и разрабатываем в настоящем, обязательно найдет применение в будущем и сделает жизнь легче и качественнее.

Хочу обратить внимание на актуальную, на мой взгляд, проблему и предложить пути совершенствования разработанных технологий.

В мире ежегодно регистрируется 10,3 миллиона случаев инсультов, при этом 
53 % людей, перенесших его, нуждаются в постороннем уходе. Наиболее тяжелым исходом инсульта являются двигательные нарушения вплоть до парализации. Актуальным становится поиск способов адаптации и реабилитации людей с подобными нарушениями. Именно в развитии технологий помощи этим людям я бы хотел принять участие.

Восстановление движения в руке является одной из важнейших задач для реабилитации таких пациентов, потому что все действия по самообслуживанию (одевание, прием пищи, гигиена), выполнение профессиональной деятельности, связанной с высокоточными движениями кисти и пальцев рук, не могут быть осуществлены без полного включения руки в действие. Восстановление движения кисти — процесс долгий. Для выздоровления человеку может потребоваться не один год. Уже представленные на рынке разработки экзоскелета кисти задействуют кору головного мозга, используя программное обеспечение с методикой мозго-машинного взаимодействия воображаемого движения с контролем степени этой активации по биологической обратной связи (“Экзокисть-2”). Но данная разработка — реабилитационно-тренировочная. Ее невозможно использовать в целях облегчения выполнения бытовых каждодневных действий: например, прием и приготовление пищи, умывание. Существуют также разработки зарубежных ученых, которые направлены на улучшение контроля рук пациентов с БАС (боковой амиотрофический склероз — прогрессирующее заболевание нервной системы, при котором поражаются моторные (двигательные) нервные клетки в коре головного мозга и в спинном мозге). Механизм работы такого роботизированного экзоскелета кисти руки достаточно прост: с помощью кнопки человек с нарушениями функций кисти руки может осуществлять все необходимые действия. Но можно ли обойтись без кнопок? И если да, то каким образом это сделать?

Сейчас я принимаю участие в развитии данной технологии на базе Второй гимназии. Мы создаем новую систему электронейромиографического контроля и управления таким экзоскелетом.

Я считаю, что развитие данной технологии должно быть наиболее приоритетным, так как цель изучения данного направления я вижу не только в восстановлении утраченных функций, но и в облегчении жизни людей в текущем моменте».

Технологии создания мультисенсорных экспозиций для слепых и слабовидящих

Алёна Халманская, III место 
Инженерный лицей НГТУ, 9 «В» класс

«Чуть больше месяца назад состоялась церемония закрытия летней Олимпиады в Токио. Олимпиада в древности должна была продемонстрировать сходство эллинов с богами, показать их способности и безупречность человеческого тела. Тогда никто не мог бы и подумать, что в современном мире на одном уровне с Олимпийскими играми будут проводиться Паралимпийские — состязания для людей с инвалидностью. В древности к инвалидам относились с неприязнью и всячески ограничивали в правах, а сейчас для них доступны все блага человечества. Технологии помогают им облегчить повседневную жизнь. Сейчас в России действует государственная программа “Доступная среда”, призванная создать полноценные условия для интеграции в общественную жизнь людей с ограниченными возможностями. Новые здания почти всегда проектируются так, чтобы в них могли попасть люди на инвалидных колясках, программы для чтения текста с экрана компьютера помогают слепым и слабовидящим. Таблички со шрифтом Брайля появляются всё чаще, а собаки-проводники уже давно имеют особый статус, благодаря аудиокнигам слепые погружаются в мир литературы. Но мы пока что не можем создать для незрячих технологии, дающие возможность эстетического наслаждения, которое можно испытать, рассматривая шедевры изобразительного искусства. Как вызвать у них те же самые чувства, которые возникают при посещении художественных выставок? Как при помощи звука, запаха и тактильных ощущений описать картину? Да, не все произведения доступны для такого описания, но это поможет незрячим открыть для себя удивительный мир изобразительного искусства, которое они будут в состоянии познать.

Насколько нам известно, познание — активное отражение или воспроизведение действительности в сознании человека, его постоянное углубление, расширение и совершенствование. Наравне с рациональным познанием фундаментальное значение играет чувственное познание, что так важно для людей с ограниченными возможностями, в частности для слепых и слабовидящих. Если мы дадим им возможность исследовать живопись при помощи собственных ощущений, то сделаем их жизнь гораздо лучше, ведь они наконец-то смогут по-настоящему прикоснуться к прекрасному. Слабовидящие не должны быть отделены от искусства! У них тоже есть потребность в эстетических переживаниях. Удовольствие, которое нам доставляет рассматривание произведений искусства или их создание, то есть эстетическое наслаждение, должно быть доступным. Мы должны дать каждому возможность удовлетворить свои эстетические потребности.

Одной из попыток сделать это стала выставка тактильных картин “Видеть невидимое”. Копии мировых шедевров были созданы при помощи объемной многослойной печати, для каждого элемента подобрана своя текстура. Благодаря аудиогиду посетители могли ознакомиться с экспозицией выставки. Сейчас созданием тактильных 3D-картин занимается тифлоцентр “Вертикаль” — методом вакуумной формовки, где рельеф картины создается из пластика. В последние годы в других странах тоже наблюдается интерес к этой теме, появилось множество энтузиастов, создающих мультисенсорные выставки по всему миру. Например, в музее Пети Пале Катрин Андре организовала выставку La mallette multisensorielle для людей с нарушениями зрения, состоящую из шести картин европейских художников. В ней используется принцип мультисенсорности — использования более одного чувства для восприятия чего-либо.

Но что если не ограничиваться тактильными ощущениями? В исследовании Museum Experience Design Based On Multi-Sensory Transformation Approach рассматривается возможность преобразования одного чувства в другое: визуального в звуковое, звукового в обонятельное, вкусового в визуальное и так далее. Например, можно к каждой рельефной картине добавить аудиосопровождение или сделать так, чтобы от объектов на картине раздавался определенный запах, добавить изображенным предметам фактуру. Можно использовать идею Эзги Укар, которая в своей выставке Multisensory Met соединила картину Клода Моне “Жан Моне на лошадке” с переключателем, чтобы при прикосновении к разным частям картины воспроизводились разные звуки. Для придания аромата взять ароматизированные этикетки, как в журналах, чтобы при трении от определенных объектов исходил запах. 

Или вовсе не использовать формат картины, а создать целую локацию, посвященную какому-то полотну, и воспользоваться пространством вокруг. Например, представить предметы из натюрморта лежащими на столе, придать им фактуру, включить музыку, подходящую настроению натюрморта. Для пейзажей можно сделать несколько источников звука, чтобы при приближении посетитель мог слышать лучше то, что рядом с ним. Для слабовидящих, которые могут воспринимать свет, включить его в определенном месте — например, на картине Айвазовского “Девятый вал” это поможет передать ощущение надежды на спасение. Также можно воспользоваться технологиями, используемыми в 4DX-кинотеатрах: созданием ветра, ароматическим паром, водяными брызгами, возможно даже тряской. 

В будущем я хочу связать свою жизнь с искусством и создать свою выставку, на которой будут представлены локации, посвященные известным картинам, чтобы внести вклад в развитие мультисенсорных музеев, которые будут интересны зрячим и незрячим. Эта тема мне любопытна, потому для нее есть множество вариантов исполнения».

Нейротехнологии во благо человечества

София Тамбашова, III место
Средняя школа № 82, 9 инженерный класс

«XXI век — время открытий и высоких технологий. С каждым днем человечество развивается, основополагающей частью нашей жизни является прогресс. Как говорится, ученье свет, а неученье — тьма. С развитием науки жизнь становится проще, нам открывается светлая дорога в будущее.

Можно утверждать, что все научные прорывы и изобретения были открыты и созданы человеческим разумом. Головной мозг — уникальнейший орган, иногда кажется, что благодаря ему люди способны осознать и покорить всё существующее во Вселенной.

С малого возраста меня поражают эти мысли, и я почти всю жизнь ищу ответы на вопросы по данной теме. Как же орган, состоящий из клеток, передающих электрические импульсы, способен думать, осознавать, изобретать и так далее? Нейроны, как и любая материя во Вселенной, состоят из химических веществ, которые, в свою очередь, — из атомов, а те — из элементарных частиц. Это немыслимо, что всё сложилось именно так, и, как следствие, мы имеем такой уникальный орган, как головной мозг. Мы пытаемся изучать эту сложнейшую систему, понять, как она создает интеллект и сознание, разгадать чудо, созданное природой. Звучит парадоксально, ведь получается, что изучаем мы разумом, который возникает в мозге. Получается, головной мозг пытается понять сам себя.

Интересуясь когнитивными науками и занимаясь инженерией, я поняла, что между мозгом и современными изобретениями много общего. Например, существует схожесть между головным мозгом и компьютером в хранении и обработке информации, память компьютера подобна памяти человека. Или, к примеру, алгоритмы машинного обучения своей спецификой напоминают работу человеческого мозга. Меня заинтересовала тема в сфере нейротехнологии об управлении силой мысли какими-либо предметами. Например, бесконтактное управление компьютерной мышью или набор текстового сообщения. Данное приспособление актуально, так как оно позволило бы людям, лишенным конечностей или парализованным, управлять электронными устройствами. Похожие разработки сейчас создаются в США. Для связи с электронным устройством и мозгом можно использовать чип, встроенный в мозг. Сенсор будет воспринимать сигналы нейронов и в беспроводном режиме передавать их по Bluetooth-устройству. В результате люди с ограниченными возможностями обретут возможность работать за компьютером и использовать смартфон. Такой нейрочип мог бы также пригодиться и человеку, которому приходится набирать много текста вручную. Также мозговой имплант может интерпретировать электрические импульсы в движение тела за счет сокращения мышц. Это поможет парализованным обрести движение. Также чип может отправлять сигнал в протезированную конечность, как в компьютер, и она будет совершать движения не хуже живой, так как тоже управляется мозгом. Я бы хотела предложить для вживления нейрочипа в мозг использовать максимально тонкие и гибкие электроды для провода сигнала, для того чтобы не повредились сосуды головного мозга. Также это нужно, чтобы имплант не покрылся фиброзной капсулой, так как он является инородным телом, — от этого зависит качество сигнала и состояние нервной ткани. В будущем я хотела бы создать для импланта такой материал, чтобы свести к минимуму реакцию мозга на инородное тело. Так как я еще занимаюсь программированием, мне бы хотелось разработать протез, который будет безошибочно, как здоровая конечность, реагировать на сигналы нейрочипа. 

Я мечтаю принять участие в разработке данного мозгового чипа в качестве инженера и поработать в команде с профессиональными учеными и изобретателями. Мне хочется стать одной из создателей этой невероятно полезной разработки, которая вернет к нормальной жизни парализованных или лишенных конечностей людей, а также поможет упростить жизнь абсолютно всем. Но чтобы воплотить в реальность это изобретение, нужно для начала познать себя, то есть человеческий мозг. Исследовав все тонкости и принципы работы головного мозга, мы сможем добиться величайших успехов в сфере когнитивных наук и нейротехнологий. Открытия пролагают путь в высокотехнологичное, счастливое будущее».

Проблема голода и план действий для ее решения

Анна Сизикова, приз зрительских симпатий от председателя жюри д.ф.-м.н. С. В. Головина
Гимназия № 16 «Французская», 9 «Б» класс

«Хотелось бы начать с определения понятия “голод”, чтобы в дальнейшем понимать, о чем я буду говорить. Голод — термин, употребляющийся для обозначения ощущения, сопровождающего определенное физиологическое состояние организма и для обозначения массового явления, выражающегося в длительной недостаточности удовлетворения пищевой потребности. Это серьезная проблема, которая представляет угрозу для человечества. На данный момент она проявляется по большей мере только в части стран, но если мы не сможем помочь этим странам, то эта проблема может перенестись и на оставшиеся цивилизованные страны. Тогда решения для этой проблемы искать будет уже поздно. 

Для того чтобы найти решение этой проблемы, изначально нужно глубоко изучить эту проблему, найти ее корень и постараться его ликвидировать. Моя идея отчасти состоит из мысли о том, что нужно изучить не только проблему голода в глобальном, мировом масштабе, но и углубиться в эту проблему каждого региона отдельно, чтобы впоследствии найти верное индивидуальное решение для проблемы голода в отдельно взятом регионе, так как причинные факторы голода в отдельно взятом регионе различаются. Наиболее частыми факторами являются: продолжительная война внутри государства или с соседними странами, засуха, нехватка водных ресурсов, отсутствие денежных средств у государства для строительства фабрик и заводов по производству пищевой продукции, коррупция в высших органах управления, климатические особенности, не способствующие развитию земледелия или животноводства. Существуют факторы, которые невозможно изменить, например такие как климат. При наличии подобного фактора нужно искать способы приспособления к климатическим условиям, которые смогут позволить те или иные продовольственные продукты в конкретном регионе. Я считаю, что когда вся достоверная информация будет получена и обработана, нужно сначала устранить факторы, из-за которых появилась эта проблема в том или ином регионе, а затем проанализировать, каких именно макро- и микроэлементов не хватает индивиду в отдельно взятом регионе. Я считаю этот план действий более эффективным по сравнению с остальными, потому что мы сможем дать человеку именно те продукты, которые ему больше всего необходимы. Когда все люди будут иметь определенное количество продукции в постоянном доступе, когда дети не будут умирать от голода, тогда стоит задуматься о разнообразии продуктов питания в том или ином регионе. Для производства первостепенно необходимых продуктов питания потребуются денежные средства для строительства заводов и фабрик. Одновременно с поиском решения проблемы голода необходимо привлекать внимание благотворительных организаций, частных инвесторов, более обеспеченных государств, которые смогут вложить средства в строительство. Логичным будет вопрос ко мне: что я сама могу сделать для решения этой проблемы сейчас, в будущем? На данном этапе, в 14 лет, я готова отправлять ежемесячно небольшую сумму из карманных денег в фонд борьбы с голодом или Всемирную организацию здравоохранения, привлекать внимание к этой проблеме через социальные сети, искать оригинальные способы решения этой проблемы. Например, этим летом мы с частью моих друзей разработали проект фермы по производству верблюжьего мяса и молока в Чаде. Конечно, этот проект требует доработки, но начало положено. В будущем я планирую создать фонд поддержки голодающих, доработать свой проект и воплотить его в жизнь.

В заключение мне бы хотелось еще раз повторить, что голод — это серьезная проблема, требующая оперативного поиска решений. Мы живем в век технологий и уделяем им большое внимание, но нельзя забывать о первостепенных потребностях человека, таких как потребление пищи и воды. Также очень важно давать огласку этой проблеме, так как для большинства людей, проживающих на территории цивилизованных стран, где проблема голода неярко выражена, она не является глобальной, создающей угрозу для развития популяции человечества. Каждый человек должен задумываться об этой проблеме, так как случайный человек может придумать гениальное решение, до которого ученый дойти не сможет. Привлекая внимание людей, не разбирающихся на научном уровне, можно найти креативное и полезное решение, которое будет проще воплотить в жизнь».

Фото из открытых источников