Лазер за миллиард: зачем Россия вкладывается в научные мегапроекты

31 января 2018
Сергей Молодцов, научный директор Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах "European XFEL" РИА Новости https://ria.ru/science/20180130/1513527241.html

Научный директор Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах European XFEL, профессор Университета ИТМО Сергей Львович Молодцов рассказал РИА Новости, зачем Россия вложила огромные средства в эту установку, и объяснил, почему она способна совершить революцию в биологии, химии и других областях науки и техники уже в ближайшие месяцы и годы.

В 2007 году Германия и ряд европейских стран приняли решение построить мощнейший рентгеновский лазер на свободных электронах XFEL, который позволит наблюдать за движением молекул в режиме реального времени, получать высококачественные фотографии биологических объектов и прикоснуться к сокровенным, самым "малым" и "быстрым" тайнам природы.

Проект European XFEL оценивается примерно в 1,2 миллиарда евро, в нем участвуют 12 стран. Россия присоединилась к нему в июле 2009 года по инициативе Национального исследовательского центра "Курчатовский институт", возглавляемого Михаилом Валентиновичем Ковальчуком. Институт также выступил координатором научных программ российских исследователей. Россия выделяет на проект 306,4 миллиона евро, и только за последние три года была перечислена почти треть этой суммы — около 6,5 миллиарда рублей.

Первые эксперименты на XFEL были проведены в мае прошлого года, а в сентябре лазер официально начал свою научную карьеру. Как ожидают ученые, он поможет совершить тысячи новых открытий как европейским, так и российским биологам, химикам и физикам. 

— Сергей Львович, Нобелевская премия по химии была присуждена в этом году за создание технологий cryoEM-микроскопии, способной решать схожие задачи, что и синхротроны, и лазеры на свободных электронах. Будут ли XFEL и другие источники излучения такого рода конкурировать с подобными установками?

— Следует сразу отметить, что Нобелевский комитет серьезно рассматривает перспективу присуждения одной из последующих премий по физике за создание рентгеновского лазера на свободных электронах. Еще в 1980 году Евгений Салдин и Анатолий Кондратенко из Института ядерной физики имени Будкера в Новосибирске первыми в мире предсказали, что лазеры на свободных электронах могут действовать подобным образом.

Совсем недавно Евгений Салдин, который работает в настоящее время в Гамбурге, в Немецком синхротронном центре DESY, был приглашен на встречу с представителями Нобелевского комитета в Стокгольме, где он рассказал о том, как рентгеновские лазеры были изобретены и созданы в реальности. Остается ждать результатов этой беседы.

Если сравнивать лазеры на свободных электронах и криогенные микроскопы, и у тех и у других есть свои плюсы и минусы. И XFEL, и микроскопы могут получать фотографии клеток, белков и объектов неживой природы с атомным разрешением, однако имеется несколько серьезных отличий, которые позволяют нам говорить о том, что эти технологии дополняют друг друга, а не конкурируют между собой.

К примеру, для изучения клеток или каких-то живых организмов при помощи криоэлектронного микроскопа нам необходимо заморозить их — иными словами, существенным образом изменить их состояние. Этого не нужно делать, проводя эксперименты на XFEL.

Второе отличие заключается в том, как быстро мы можем получить результаты. Как правило, на заморозку образцов и их анализ под микроскопом уходит масса времени. Мы же можем напрямую изучать биологические объекты при помощи нашего лазера, помещая их в аэрозоли и распыляя их. Благодаря этому нам удается одновременно изучить колоссальное количество молекул или объектов за то же время, которое наши коллеги тратят на получение фотографий одного биообъекта.

Вдобавок мы можем следить и за тем, что происходит с отдельными атомами и молекулами внутри изучаемых объектов с течением времени, исследовать динамику их движения, что невозможно для замороженных объектов внутри криоэлектронных микроскопов.

Конечно, недостатки есть: лазеры на свободных электронах — безумно дорогие установки, доступные далеко не каждому ученому. Сегодня во всем мире существует всего около 15 станций, на которых занимаются подобными измерениями, а микроскопы можно установить почти в каждом институте или университете.

В каком-то смысле на микроскопах ученые проводят предварительные измерения, итоги которых потом дадут им возможность сделать более сложные и дорогостоящие эксперименты уже у нас, на лазерах. Иными словами, микроскопы осуществляют своеобразный естественный отбор, помогая самым интересным и серьезным проектам реализоваться. 

— Директор DLS часто сравнивает свой синхротрон с Солнцем. С чем можно было бы сравнить яркость и другие отличительные характеристики XFEL?

— Здесь достаточно сложно проводить параллели и сравнивать наши установки, так как размеры пучка на синхротронных источниках рентгена, как правило, в десятки тысяч раз больше, чем у лазеров на свободных электронах. Иными словами, те "миллиарды солнц", которые производят DLS и другие синхротроны, нужно сжать в десятки тысячи раз, чтобы получить фантастически маленькую, пикометровую точку света, в которой будет сосредоточена та же энергия, что и в их большом луче.

Представьте себе, что у вас в руках лупа и вы хотите что-то выжечь на поверхности дощечки. Вы фокусируете свет, уменьшая луч Солнца в несколько раз, и чувствуете, что дерево прогревается. Чем больше "сжимается" луч, тем горячее его пятно, и в конечном итоге он прожигает не только дерево, но и металл.

Нечто похожее происходит и в нашем случае, мы получаем пучок света такой яркости, что можем решать любые мыслимые и немыслимые задачи, как гиперболоид инженера Гарина из романа Алексея Толстого.

Еще наш лазер можно сравнить с Братской ГЭС, средняя мощность которой соответствует пиковой мощности нашей установки в течение фемтосекундного (10 в минус 15-й степени секунды) импульса рентгеновского излучения. За одну фемтосекунду свет проходит всего три десятых микрона, а за секунду он может пролететь расстояние между Луной и Землей.

Длина импульса определяет временное разрешение эксперимента, которое в нашем случае позволяет следить за химическими реакциями, изучать, например, то, как работают катализаторы, и целенаправленно их создавать, что было невозможно в рентгеновской области до XFEL.

К примеру, представьте себе, что вы пришли на футбольный матч, сели на свои места и увидели только начальный счет, 0:0, и итог матча — скажем, 5:1. Вам показали всего два кадра и вы не знаете, как проходила игра. То же самое с синхротронами — европейский ускоритель ESRF с длиной импульсов света в тысячи раз большей, чем у XFEL, в постройку которого Россия тоже внесла значительные средства, позволяет нам увидеть начальное состояние вещества и конечный продукт реакции, которую мы изучаем. Все самое интересное остается за кадром.

— Были ли какие-то другие причины, заставившие Россию вложиться в постройку этого лазера?

— Если мы сравним XFEL и ESRF, то можно выделить сразу несколько черт, выгодно отличающих нашу установку. Первая из них, как я уже говорил, — высокая яркость света. Для чего это важно? Представьте себе, что у вас есть белковая молекула, обладающая относительно небольшими размерами, которую вы планируете изучить.

Если вы хотите попасть в нее лучом света и этот пучок фотонов гораздо шире, чем сама молекула, то тогда большая часть фотонов пролетит мимо молекулы и потратится впустую. Свет можно сжать до нужных размеров на лазерах на свободных электронах, но не всегда это удается осуществить на синхротронах.

Вдобавок каждый наш импульс света, длящийся считаные мгновения, содержит в себе около триллиона или десяти триллионов фотонов. Импульсы, вырабатываемые синхротронами, содержат на семь порядков меньше частиц света, хотя они длятся гораздо дольше. Это важно по той причине, что биологические объекты и молекулы нужно изучать очень быстро, пока они не разрушились под воздействием излучения.

К примеру, одну из недавних Нобелевских премий по биологии получили ученые, раскрывшие структуру рибосом при помощи синхротронов. Сам эксперимент был довольно простой, но им понадобилось 20 лет на то, чтобы собрать кристаллы из единичных молекул рибосом и получить достаточно четкую фотографию их структуры.

В нашем случае этого делать не нужно — большое число фотонов в наших импульсах позволяет нам получать все необходимые данные всего за один "выстрел" по одиночной молекуле. Поэтому можно уже сейчас сказать, что мы расшифруем структуры громадного числа веществ, в том числе структуру белков ВИЧ, которые сегодня остаются тайной для наших коллег-биологов.

И наконец, наша установка имеет еще два технических плюса — у нас огромная пропускная способность, мы можем измерять огромное число биологических образцов практически без какой-либо подготовки, и у нас, как я уже упоминал, гораздо более высокое временное разрешение.

С другой стороны, надо понимать, что пробиться к нам очень сложно, поэтому все предварительные эксперименты проводятся на ESRF и других синхротронах. По этой причине решение Курчатовского института и России поддерживать и тот и другой проект абсолютно правильно — эти установки не заменяют, а дополняют друг друга.

— Не опасаетесь ли вы, что дальнейшее ухудшение отношений между Европой и Россией может усложнить доступ нашим ученым к XFEL или лишить его в принципе?

— Наука — это последнее, что умирает в отношениях между странами, за нее обычно держатся до самого последнего момента, когда в политике уже некуда отступать. Наука интернациональна по определению, на XFEL сейчас задействованы представители 45 национальностей, и немцев среди моих коллег лишь примерно 40%.

В нашем проекте работает много российских и итальянских ученых и есть даже представители таких государств, как, например, Доминиканская Республика. Я лично работаю в Германии уже больше 30 лет — попал сюда по обменной программе между Ленинградским университетом и Свободным университетом Западного Берлина.

Этот договор о сотрудничестве был заключен во времена блокады Берлина, в самый разгар холодной войны. Тогда всем казалось, что политическая обстановка накалена до предела, но наука продолжала существовать. И сегодня, несмотря на ухудшение отношений, мы постоянно контактируем и сотрудничаем с российскими коллегами.

В декабре 2017 года, к примеру, мы провели семинар на ускорительном комплексе BESSY в Берлине, посвященный 15-летию работы российско-германской лаборатории на этом комплексе. В нем участвовали представители Министерства науки и МИД Германии, а также посольства России.

Официальные представители России и Германии приняли участие в торжественном открытии мемориальной доски Вере Константиновне Адамчук, профессору ЛГУ, ставшей первым российским ученым, чья память была почтена подобным образом на европейской ускорительной установке.

— Когда мы увидим первые серьезные результаты с XFEL?

— Пока у нас работают две из шести станций, одна из которых занимается биологическими исследованиями, а вторая — химическими и каталитическими реакциями, которые, к примеру, изучали коллеги из Южного федерального университета России.

Первые эксперименты, в том числе и с участием российских исследователей, были проведены уже 14 сентября 2017 года, практически сразу после официального запуска лазера. В общей сложности XFEL успела воспользоваться примерно дюжина российских научных групп, например ученые из Пущино, которые приезжали сюда и проводили здесь биологические исследования.

На настоящий момент у нас есть много новых заявок от российских университетов. Приведу пример Университета ИТМО, исследовательские группы которого хотят изучать так называемые металло-органические комплексы, относительно нового класса катализаторов. Коллеги из Петербурга, что важно, не только проводят исследования, но и создали центр, помогающий российским ученым правильно готовить заявки для работы с XFEL.

— Планируете ли вы использовать лазер для необычных задач, к примеру, изучения картин или исторических и палеонтологических артефактов?

— Конечно! Нам ничто не мешает проводить подобные эксперименты — большое число и яркость импульсов помогает нам проникать на гораздо большую глубину в картины и артефакты, чем удается сделать синхротронам и ускорителям частиц. Это, например, очень важно при изучении картин — часто художники создают одно полотно, а потом пишут поверх него еще одну или даже две-три картины. Рентгеновские лазеры позволяют нам понять, что скрывается под каждым таким слоем, не разрушая их при этом, и для этого нужна и большая глубина проникновения, и большая энергия фотонов.

Подобные исследования культурного наследия входят в научную программу Курчатовского института под руководством Екатерины Борисовны Яцишиной, в которой мы готовы принять самое серьезное участие.