Одна из богатейших и крупнейшая территория в России — Республика Саха (Якутия) — освоена менее чем на 1%. Теперь РАН планирует организовать вторую Якутскую научную Экспедицию — первую провела АН СССР 90 лет назад. (См. также «Комплексная научная экспедиция исследует Якутию») Председатель Якутского научного центра «Влияние экстремального климата на устойчивость живых организмов и сложных технических систем» член-корр. РАН Михаил Лебедев рассказал 29 сентября на заседании Президиума РАН о предстоящей экспедиции. Предлагаем краткое изложение доклада.
* * *
40% территории Республики Саха (Якутия) — за Полярным кругом. Здесь проживает около одного миллиона человек, так что плотность населения очень маленькая — менее одного человека на км2. Около 1700 км — протяженность Северного морского пути. Зимой температуры доходят до -67°C, а летом — до +40°C, т.е. годовая амплитуда колебаний составляет почти 110 градусов, а суточные перепады температур достигают 40°C. В 1924 году в местечке Оймякон (вблизи города Верхоянск) зарегистрирована рекордно низкая температура: −72,1°C.
Якутия всегда привлекала исследователей. В 1733 году капитан Витус Беринг организовал Камчатскую экспедицию, в рамках которой исследовалась Сибирь. 160 лет назад провел экспедицию в Якутии Александр Федорович Миддендорф: «нам необходимо произвести бесконечное множество исследований, чтобы понять, каким образом влияют низкие температуры, холод на живые системы», — писал он. В 1925-1931 гг. в Якутии была организована первая комплексная экспедиция: силами Академии наук СССР были выполнены выдающиеся работы. Кстати, руководители Республики тогда непосредственно участвовали в мероприятиях экспедиции. И одним из ее результатов стало то, что на сегодняшний день Якутский научный центр является самой крупной научной организацией в Республике: десять научных институтов продолжают научные исследования, есть развитая научная и социальная инфраструктура.
В последнее десятилетие повсеместно идет потепление климата — оно доходит до 2-3 градусов. В земле на различных глубинах мы также замечаем некоторое потепление. В Якутске, в уникальном объекте — шахте Шергина глубиной до 150 м — мы ведем мониторинг изменений температуры на различных глубинах: изучаем, как потепление влияет на состояние льдистых толщ. Береговая зона, которая была покрыта льдами, резко сокращается: в сравнении с аэрофотосъемкой 1951 года видно, что береговая зона отходит до километра в сторону земли. Потепление вызывает также появление термокарстовых озер. Например, в местечке Юкэчи в 50 км от Якутска — с 1993 года по 2013 год образовалось настоящее термокарстовое озеро. Заметно влияние потепления и на северных территориях. Скажем, озеро у поселка Батагай десять лет назад было крохотным, а сегодня имеет глубину до 80 м и длину 1,5 км.
Потепление климата влияет на технические системы, на сооружения в городах и поселках, происходит разрушение фундаментов жилых домов и зданий. Серьезные ситуации возникают на линиях электропередач, на нефте- и газопроводах, в частности, в условиях прокладки железнодорожной магистрали.
На территории Якутии по трубопроводной системе проходят большие объемы нефти. Нефть, проходящая по трубопроводной системе, даже зимой имеет температуру плюс 6°C — что тоже приводит к изменениям грунта поверхности, и есть места, где вероятны аварийные ситуации. Якутский научный центр, Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения РАН в последние годы проводят мониторинговые исследования.
Потепление климата приводит к разрушению типичных мест обитания животных и птиц. Это можно проиллюстрировать на примере стерха — самого редкого вида журавлей — и белого медведя, на маршрутах миграции северных оленей и т.д. По результатам исследований создана система особо охраняемых природных территорий, разработана и функционирует система международного мониторинга состояния популяции стерха в Северо-Восточной Азии. Основными нашими партнерами в этих исследованиях являются ученые из Китайской Народной Республики
Сама природа разместила на территории Якутии три природные зоны: арктические пустыни, тундра и таежная зона. Сотрудники Института биологических проблем криолитозоны изучают механизмы адаптации растений и животных к экстремальному климату. Приведем лишь несколько фактов из многочисленных исследований. В зимнее время в крови лошадей велико содержание ненасыщенных жирных кислот — и особенно линолевой, стеариновой, олеиновой, благодаря чему внутренний жир животного плавится при температурах около 0 градусов. А в наиболее холодные зимние месяцы температура тела у чистопородных якутских лошадей не опускается ниже 310С.
Спячка животных с температурой тела ниже нуля позволяет видам выживать в окружении глубоко промерзающих почв. Способность черношапочных сурков, арктических и длиннохвостых сусликов поддерживать метаболизм при отрицательных температурах тела является важнейшим фактором успешности зимовки видов. У сурка длиннохвостого и сусликов наблюдается глубокая спячка — она каждые две-три недели прерывается периодическими пробуждениями, во время которых температура тела поднимается от +0-5°C до 36°C. Обмен веществ у якутских сусликов во время спячки может замедляться в 50-350 раз.
Бурый медведь впадает в особую форму спячки — зимний сон, во время которого температура его тела держится на уровне 27-28°C. Изучение уровня метаболизма (неэстерифицированные жирные кислоты, гликоген, аскорбиновая кислота, витамин А и др.) показало роль энергетических субстратов и антиоксидантов в адаптационном процессе в разных физиологических состояниях, таких как зимняя спячка, пробуждение, активный летний период, подготовка к спячке. А сопряженные метаболиты — эндогенный этанол и эндогенный ацетальдегид, — повышая устойчивость организма к воздействию холода, образуют одну из систем регуляции интенсивности метаболизма в организме не только зимоспящих животных, но и всех северных аборигенных животных, адаптированных к холоду.
Эколого-физиологические механизмы адаптации птиц разнятся — например, тетеревиные, употребляя более низкокалорийную пищу, используют условия, которые присутствуют на данной территории — например, снежный покров, а врановые употребляют высококалорийную пищу, и им достаточно при таких экстремальных условиях сохранять свою жизнедеятельность.
Все эти исследования необходимы, чтобы определить подходы к главной проблеме: как экстремальные факторы оказывают влияние не только на жизнедеятельность растений и животных, но и на здоровье человека, который проживает на Севере.
У коренных народов Севера имеются особенности морфологических и биохимических параметров организма, особенности формирования специфического морфотипа этносов северян. В настоящее время по результатам научных исследований выявлены состояния регуляторных и функциональных систем северных народов, обеспечивающих им лучшую адаптацию к экстремальным условиям.
Однако вслед за промышленным освоением территории состояние здоровья северных народов стало зависеть также от воздействия и техногенных, и социальных факторов, более того, именно они стали выступать на первый план. В итоге произошло снижение качества здоровья коренных народов за счет нарушения биологических функциональных ритмов жизнедеятельности.
Изучение состояния здоровья некоренных жителей, временно или периодически прибывающих из других регионов, выявило специфические для Севера особенности механизмов формирования адаптационных процессов — так называемые синдром полярного напряжения и синдром полярного метаболического типа. Формирующийся полярный метаболический тип характеризуется снижением роли углеводов и повышением роли липидов на энергетическом обмене. Со временем это приводит не только к значительному увеличению массы тела, но и к массивным выбросам в кровь атерогенных фракций липидов, что в дальнейшем приводит к развитию атеросклероза. Установлено, что у приезжего населения частота коронарного атеросклероза нарастает с увеличением северного стажа и возраста.
Особенности фотопериодизма населения и влияния техногенных факторов за счет снижения уровня гормонов развиваются за счет десинхронизации функций и за счет снижения уровня гормона мелатонина. Уменьшение содержания мелатонина, не восполняемое полярной ночью, приводит на Севере к снижению адаптивных ресурсов организма и нарастанию частоты метаболических нарушений, к онкопатологии и ускоренному старению.
Сейчас «вахтовый» метод применяется очень широко. И Министерство обороны также отправляет своих сотрудников в данный регион. Поэтому возникающие ситуации со здоровьем населения ученые и специалисты должны уметь контролировать. Якутский научный центр планирует усилить это направление и будет рад подключению к данной тематике по кооперации других научных учреждений Российской академии наук.
Из 1 млн жителей Республики 300 тыс. проживает в Якутске. Много молодых сегодня переезжает из сельскохозяйственных районов в города, хотя их не так много. Но переезжают потому, что там есть и школы, детские сады, почта, и рабочие места. Естественный прирост населения в Республике заметен — это коренное население, которое хотя и живет, с точки зрения климата и природы, в стабильно экстремальной ситуации, но не собирается уезжать из Республики в другие территории страны. Люди хотят осваивать край, и при этом чтобы были созданы комфортные условия — пока сохраняется уверенность, что это произойдет в скором времени, они настроены работать в регионе.
Пока же, увы, если отъедешь за 100 км от Якутска — там ХIХ век, жилища отапливаются дровами. Какой молодой человек видит там перспективу? А если там мы будем использовать эффективные альтернативные источники энергообеспечения, если будут хорошие дороги, то молодые будут оставаться. Край, на самом деле, прекрасный. Морозы мы переносим хорошо, а летом здесь — комфортная температура.
В последние десятилетия разработаны и разрабатываются новые подходы и методы оптимизации адаптационного процесса сохранения здоровья и работоспособности человека в экстремальных и неадекватных условиях, в том числе биопрепараты, которые получены из северного растительного и животного сырья. Разработка методов повышения качества жизни, работоспособности и увеличения продолжительности жизни человека в экстремальных условиях является наиважнейшей задачей медицинской науки и практического здравоохранения.
На проблему разрушения среды обитания живых организмов Якутии накладывается и существенная антропогенная трансформация экосистем. Институт биологических проблем криолитозоны на протяжении последних двадцати лет при финансовой и методологической поддержке СО РАН и наших зарубежных партнеров (в первую очередь это Япония и Нидерланды) проводит международные интеграционные проекты. По всей территории Республики функционируют долговременные стационары биофизических, биокриологических и биологических наблюдений, создана сеть биологических станций, охватывающих среднетаежную подзону и входящих в международную сеть наблюдений за потоками энергии, воды и парниковых газов. Мы работаем с 36 партнерами из 14 стран Европы и Японии.
Другая большая часть исследований в Якутском научном центре (ЯНЦ) — изучение устойчивости сложных технических систем, надежности и работоспособности техники в экстремальных климатических условиях. В период бурного роста промышленности с 70-х гг. прошлого века, массовая эксплуатация сложных технических систем — экскаваторов, большегрузных самосвалов — приводила к серьезным аварийным ситуациям. Это было связано и с конструктивными недостатками, и с проблемами в ремонтной сварке, и с усталостью металла при низких температурах. Доля отказов систем в их электрической и механической части достигает 95% всех отказов. Аварии приносят не только технический урон, это и большие экономические затраты.
Два слова в порядке детализации проблемы: одним из важных моментов работоспособности узлов техники является пусковой момент — период, когда температура достигает рабочей температуры. При низких климатических температурах продолжительность пускового периода увеличивается — но, тем самым, увеличивается износ. Математическая модель систем показывает, что происходит изнашивание двух тел. Значит, нужны эффективные составы защитных покрытий. Необходимо анализировать разрушение различных технических систем, чтобы определить остаточный ресурс. Уже многое изучено — методики, разработанные под руководством академиков М.А. Лаврентьева, И.Д. Черского, Б.Е. Патона, В.П. Ларионова, члена-корреспондента Н.А. Махутова позволяют сегодня оценить остаточный ресурс сложных технических систем.
Способ оценки потери пластичности по изменению показателей микротвердости — еще одна из методик, которую необходимо разрабатывать в дальнейшем. Натурные испытания, которые проводит Институт физико-технических проблем Севера им. Ларионова, являются основой для получения дальнейших результатов. Например, автоматизированный комплекс, который работает в Институте, исследует особенности появления трещин в сосудах высокого давления. Структурное моделирование градации и адаптации технических систем с изучением особенностей на наноуровне позволяет также прогнозировать остаточный ресурс. Кстати, якутские ученые планируют применить данные подходы и к живым системам.
Институт физико-технических проблем Севера (ЯНЦ) совместно с Всероссийским институтом авиационных материалов проводит исследования в условиях различного климата. Уже подготовлен достаточный материал, чтобы в следующем году начала работать Федеральная подпрограмма, которая будет связана с деятельностью национальной сети Центра климатических испытаний. Институт физико-технических проблем Севера будет проводить исследования в Якутске, в поселках Оймякон, Тикси и Нижний Бестях.
Испытания композиционных материалов проводятся и в Якутске, и в Москве, и в Геленджике. Рецептура, полученная в Институте проблем нефти и газа — позволяет повысить и износостойкость, и маслостойкость, и другие физико-механические характеристики. Эти технологии, а также созданные нашими специалистами детали востребованы зарубежными коллегами и производственными предприятиями за рубежом.
Особо надо отметить то, что жителю центральной части страны малоизвестно: мерзлота это средообразующий фактор, уникальный ресурс. Институт мерзлотоведения — единственный институт в мире, который изучает особенности вечной мерзлоты, вечномерзлых грунтов. Можно много говорить об интересных научных результатах Института, которые касаются развития и исследования вечной мерзлоты, но ограничимся лишь упоминанием объекта, который рекомендован Институтом и носит название «Федеральное криохранилище»: здесь при помощи естественного холода хранятся элементы растений, семена растений, которые будут сохранять свои свойства сотни лет.
Рубежный момент в исследовании Республики Саха (Якутия) — поручение Президента РФ Председателю Правительства Д.А.Медведеву и президенту РАН В.Е. Фортову по организации комплексных научных исследований в Республике Саха (Якутия), направленных на развитие производительных сил и социальной сферы. Важно, что успех в реализации программы будет обеспечен только комплексным, интеграционным подходом, с участием ведущих научных школ Российской академии наук. Необходимо сконцентрировать усилия и Президиума Российской академии наук, и ФАНО России, и правительства России, и правительства Республики Саха (Якутия).
Ход реализации данной программы обсуждался 25-27 июня 2015 года в Якутске. Егор Афанасьевич Борисов, глава Республики, принял активное участие в этом обсуждении и, в частности, заверил, что на каждые пять рублей, выделенных федеральным бюджетом на эту программу, Республика будет выделять со своей стороны один реальный рубль. Якутскому научному центру нужно реализовать, образно говоря, «дорожную карту», что придаст уверенности всем участникам всех инстанций, что важное поручение, связанное с безопасностью Российской Федерации — будет выполнено.
Докладчик завершил свое сообщение словами Председателя Совнаркома Якутской Республики Максима Кировича Аммосова на заседании в 1925 году, посвященном 200-летнему юбилею Академии наук: «едва ли какая другая народность или окраина СССР так близко связана с научной деятельностью Академии, как наша Якутия. Историческое вчерашнее, сегодняшнее и завтрашнее Республики неразрывно связаны с именем Академии наук».
* * *
Последовала дискуссия участников заседания.
Академик В.Е. Фортов, президент РАН. Недавно Институт высоких температур исследовал вопрос о том, где применять возобновляемые источники энергии. Оказалось, в Якутии число солнечных дней почти такое же, как в Ташкенте. Учитывая большие расстояния с проживанием всего лишь одного человека на один кв. км, большая энергетика там не имеет перспектив, потому что это очень дорого. А возобновляемые источники, которые раньше были неинтересны, поскольку были до́роги, сейчас вышли на стоимость кВт установленной мощности ниже, чем тепловые станции. За последние 10 лет промышленная стоимость фотоприемника упала в три-четыре раза. Поэтому возобновляемая энергетика для Якутии, может быть, эффективнее всего остального. А энергетика потянет за собой предприятия, технологии, отопление и т.д. Давайте обратим внимание на это и решим проблему.
А.А.Стручков, постоянный представитель Президента РФ в Республике Саха (Якутия). В Республике сохраняется положительная динамика всех основных макроэкономических показателей, рост ВВП примерно в 3-4 процента. По приросту населения последние пять лет фиксируем положительную динамику. Миграция происходит, но внутренняя — из сельской местности в город. Что касается внешней миграции, то, несмотря на принимаемые меры, приход новых крупных компаний, реализацию инвестиционных проектов на территории республики — этот отток продолжается, но по сравнении с тем, что было в начале 90-х и даже в середине 2000-х годов, эта цифра, к счастью, сегодня минимальна.
Что сделано в соответствии с поручением Президента РФ Правительству РФ, Российской академии наук по организации комплексных научных исследований в период 2016-2020 гг. с целью развития производительных сил и социальной сферы Республики? Подготовлен проект Концепции и создан проект Программы комплексных научных исследований — она ориентирована на наиболее проблемные зоны, которые в ближайшее время могут оказать значительное воздействие на процессы модернизации Дальнего Востока и Российской Федерации в целом. На эти проекты уже получены заключения во всех федеральных министерствах и ведомствах, в том числе в Президиуме РАН и Сибирском отделении РАН. Федеральные органы власти указали в замечаниях, что названная Программа должна осуществляться в строгом соответствии с Программой фундаментальных научных исследований государственных академий наук и что финансированию из федерального бюджета подлежат только фундаментальные и поисковые научные исследования. Республикой Саха (Якутия) принято решение о финансировании прикладных научных исследований из средств госбюджета республики.
Академик М.И. Эпов. Президиум Сибирского отделения неоднократно рассматривал Программу, предлагаемую комплексной Якутской экспедицией, она подверглась существенной переработке, и то, что сейчас представил Михаил Петрович Лебедев — это плод усилий многих ученых Сибирского отделения РАН.
На территории Республики Саха (Якутия) необходимо сосредоточить все научные силы. Я имею в виду Северо-Восточный федеральный университет, где имеется большой резерв молодых сил, а также институты не только Сибирского отделения, но и Дальневосточного отделения РАН. В Республике действуют крупные промышленные предприятия — «Алроса», алмазодобывающая компания, для нее разработки станут очень актуальными, и компания «Сургутнефтегаз», которая добывает нефть в Южной Якутии — их также нужно привлекать для работы в рамках обсуждаемой Программы. Предлагаю: представителей названных организаций включить в Координационный совет.
Д.м.н. А.Н. Мартинчик (Институт питания РАН). Мы должны проецировать то, что делается в Якутии — и на другие регионы Крайнего Севера. Мы видим четыре категории населения, которые требуют внимания. Это аборигены, которые живут традиционным укладом жизни. Это — коренные жители, но урбанизированные, живущие в городах и крупных конгломерациях. Это — пришлое население: вахтовики, экспедиционщики и др. И, наконец, армия, которая сегодня возвращается в Арктику. Поэтому один из важнейших вопросов — изучение питания и его роли в адаптации организма к условиям Крайнего Севера. А эти условия характеризуются отнюдь не только холодом, но и рядом других физических факторов. Требует дальнейшего изучения метаболизм энергии, энергетический обмен организма при адаптации к холоду. Скажем, у аборигенов, проживающих на Севере, повышен основной обмен, но как это же повлияет на «пришлого» человека, мы пока не знаем. Т.е. затрагиваются субстанциональные проблемы живого, изменяется энергетический обмен, а какие нарушения здоровья отсюда следуют? Надо исследовать.
Институт питания РАН постоянно сотрудничает в области медико-биологических проблем с якутскими исследователями, в частности, с Центром питания при Северо-Восточном федеральном университете, который сейчас там организован. Мы занимаемся проблемой разработки препаратов и биологически активных добавок, биологически активных веществ, которые помогают в адаптации организма — мы не за повсеместную «БАДизацию» северных народов, но, все-таки, в частных конкретных вопросах адаптации это может иметь значение. Институт питания РАН примет участие в работе по выполнению Программы Якутского научного центра, мы уже много делаем, в частности обучили специалистов по оценке питания.
Д.т.н. Е.Е. Зорин, зав. кафедрой материаловедения Московского государственного машиностроительного университета.
Эксплуатация сложных технических систем в условиях Крайнего Севера, на значительную перспективу определяет нашу техническую и энергетическую независимость. Речь о магистральных трубопроводах. По территории Якутии проходит трансконтинентальный нефтепровод «ВСТ-1». Как показала практика, мы оказались совершенно неготовыми к эксплуатации трубопроводов и в условиях криолитозоны, и в условиях карстообразования. Традиционные приемы строительства трубопроводов, эксплуатации и поддержания их технического состояния, мягко говоря, слабо работают в этих условиях. Трубопровод северов имеет значительное воздействие при низких температурах и главное, что воздействует — сезонная подвижка грунтов.
Мы практически не знаем, как трубопроводы эксплуатируются. 100 м трубы может лежать в песке, и она будет лежать там 100 лет, а рядом другие 100 м трубы могут лежать на грани суглинка и болота, и аварии там будут происходят раз в два года, и пока сделать с этим ничего не удается. А подходы должны быть, поскольку прокладывать трубопроводы надо: проект «Сила Сибири» пойдет параллельно с «ВСТ-1». В Якутии на 2010 г. подтверждено 3 трлн. кубометров газа, т.е. эти магистральные газопроводы обеспечат стабильный экспорт.
Прежде всего, это проблема материалов. Сейчас в целях экономии внедряются все более высокопрочные трубные стали — «Х-70», «Х-80», уже говорят об «Х-100» и «Х-120». Но в условиях криолитозоны и карстообразования такие трубы дают значительные деформации — на участках от 10 до 50 м происходят провалы или перемещение трубопроводов.
Появился новый вид разрушения — кручение, когда трубопровод вмерзает в карстообразование, особенно в осенний период, когда суточные перепады температуры достигают 40 градусов (плюсовая температура днем и минусовая — ночью), а карстовые озера мало засоленные и начинают кристаллизоваться, замерзать при температурах около нуля. И такая «динамическая система» начинает «работать» на протяжении всего срока эксплуатации трубопровода.
Решение в двух направлениях. Необходим научно обоснованный непрерывный мониторинг таких трубопроводов. И необходим новый класс стали, которая сохранила бы прочность, но при этом была бы увеличена ее пластичность. Безусловно, без привлечения академических институтов эти проблемы не будут решены. Следовательно, нужно в Якутске на базе Института физико-технических проблем Севера создать программу, аналогичную программе «Техника Севера», а, если вы помните, в ее рамках были решены серьезные задачи, обеспечившие добычу и эксплуатацию алмазных месторождений. Т.е. такую же программу надо создавать для трубопроводной системы Якутии. 60 процентов территории Якутии находятся в таких экстремальных условиях — ни обойти, ни объехать эту проблемную ситуацию мы не сможем.
Владимир Евгеньевич Фортов сказал про возобновляемые источники энергии, а ведь, честно говоря, это очень многим не приходило в голову в тех краях, по той простой причине, что Якутия имеет колоссальные запасы газа. Однако газифицировать в условиях Якутии намного дороже, чем монтировать солнечные батареи, так что этим направлением надо усиленно заниматься.
Академик В.Е. Фортов. Тема в последнее время находится в фокусе внимания руководства страны. В Академии наук создали специальную программу «Север», которая входит в Программу фундаментальных работ Президиума РАН, эта программа включает многие вопросы, которые здесь прозвучали — и оборону, и ресурсные аспекты, и демографические проблемы. Это не очень частый случай, когда существует софинансирование — часть денег дает Республика. Исторически Республика к науке всегда относилась по-доброму — Президент Якутии неоднократно приезжал к нам подписывать договор о сотрудничестве, и профильные институты очень плотно занимаются всей этой программой. Мы и далее будем вместе с Сибирским отделением поддерживать эти работы и сделаем все возможное, чтобы данное направление было у нас хорошо представлено. Здесь названы проблемы, которые без науки решены быть не могут. Хочу поблагодарить Михаила Петровича за очень интересное сообщение, вы его хорошо изложили, спасибо.
