Юбилей заведующего лабораторией экологической информатики Института биофизики СО РАН, доктора технических наук, профессора Анатолия Петровича Шевырногова по времени практически совпал с 65-летием Сибирского отделения Российской академии наук. Анатолий Петрович посвятил красноярской биофизике почти 60 лет своей научной жизни. За это время в морских экспедициях он побывал почти во всех мировых океанах: от тропических широт до Арктических и Антарктических льдов, занимался пионерными исследованиями земли с помощью авиационных и космических спектральных съемок, им разработаны новые приборы для исследования морских глубин и поверхности земли, опубликованы более сотни научных работ, он работал с легендарными людьми, которые повлияли и на него, и на развитие науки. Анатолий Петрович рассказал историю своей научной жизни. Нам показалось интересным, как она переплетается с историей развития сибирской и российской науки.

Как все начиналось

Я окончил машиностроительный факультет Красноярского политехнического института, где с третьего курса начал общаться с сотрудниками кафедры физики. В Институт физики СО РАН в лабораторию тонких магнитных пленок меня пригласил основатель красноярской академической науки Леонид Васильевич Киренский, чьим именем впоследствии и был назван институт. Но очень быстро меня привлекла биофизика. Сначала я перешел в лабораторию биофизики, которая в последствие переросла в Институт биофизики, где я и работаю с 1964 года. Здесь я собирал первые уникальные приборы для культивирования клеток и тканей, измерений параметров воды в морях и океанах, а затем для наблюдения за поверхностью земли с борта самолета. Мой профессиональный рост на всех этапах жизни был завязан на общении с людьми.

Моим первым научным руководителем был Александр Михайлович Родичев специалист в области магнитных явлений в лаборатории тонких магнитных пленок. Вместе с Родичевым мы работали со сложной на то время техникой. Затем, на кафедре физики я встретился с Марком Яковлевичем Поперекой советским, а позже американским математиком, физиком и механиком, литератором. Удивительно талантливый человек! С ним у меня появилась первая научная работа, которая вообще никакого отношения к биофизике не имела. Она называлась «Внутренние напряжения в тонких пленках цинковых электролитических осадков». Для проведения такой работы были необходимы уникальные эксперименты, и не менее особенные приборы. Но Марк Яковлевич умел ставить точнейшие физические эксперименты, пользуясь простейшими средствами. Все благодаря глубокому пониманию законов физики.

Ассистентом хорошо, а ученым лучше

Благодаря моей любознательности и стремлению к техническому творчеству, меня оставили преподавать в Политехническом институте. Там я как молодой ассистент читал курс «Расчет и конструирование точных механизмов». Через год Леонид Васильевич Киренский написал письмо в Политехнический институт с просьбой перевести меня в Институт физики СО РАН. Здесь я попал в отдел биофизики.

В отделе биофизики мой научный путь начался под руководством Иосифа Исаевича Гительзона, который позже долгое время руководил Институтом биофизики СО РАН, был избран академиком РАН, получил всероссийское и мировое признание. Так или иначе, вся моя научная жизнь связана с Иосифом Исаевичем. Он постоянно поддерживал все мои творческие начинания. Этот человек — хороший аналитик, интегратор, который видит проблему целиком. Благодаря ему в Красноярске были созданы и развились целые научные направления.

Гительзон направил меня к доктору биологических наук Владимиру Прокофьевичу Нефёдову. Мы занимались культивированием животных клеток, в том числе раковых. Мне удалось создать сложные стерильные системы культивирования. Это было крайне непросто технически. Увидев результаты моей работы, Иосиф Исаевич предложил применить инженерный подход в группе по исследованию биолюминесценции бактерий. Так я попал в группу кандидата биологических наук Раисы Ильиничны Чумаковой. Она изучала физиологические и биохимические основы морской биолюминесценции. В этой научной группе я также занимался культивированием, но уже светящихся бактерий. Это было трудно, но интересно. Были получены рекордные результаты: благодаря оптимальным условиям культивирования клетки делились каждые 4-5 минут.

Уже в те годы стало понятно: глобальные проблемы, которыми мы занимаемся, требуют большого количества расчетов. Необходимым стало создание новых информационно-вычислительных систем, которые соответствовали бы масштабу решаемых задач. Основой задачей стало развитие экспрессных методов получения биофизической информации о биосфере в сочетании с новейшими вычислительными технологиями. Те, кто помнит это время, знают, как остро стоял вопрос компьютеризации. Тогда еще не было малогабаритных доступных компьютеров. Нам нужно было получить мини-компьютер, который позволил бы нам работать в экспедиционных условиях, на научных судах РАН. Сергей Никитович Хрущев, сын того самого Никиты Сергеевича, отвечал за информатику в Академии наук. Он помог получить мне первую в Красноярске портативную ЭВМ.

Из глубин океана в космос

Следующим этапом в моей научной жизни стало изучение морской биолюминесценции. Она открыла возможность применить физико-технические методы для изучения жизни в океане. Многие приборы для экспедиций мы делали сами — их нельзя было купить или их вовсе не существовало. В первую очередь, это оборудование для зондирования поверхностных и глубинных вод океана. Герметичные корпуса из алюминия и титана делали с нуля в мастерских Института физики или, в особо сложных случаях, на «Красмаше». Для обеспечения оптической части приборов, мы сотрудничали с Ленинградским оптико-механическим заводом. В итоге удавалось сделать уникальные системы для изучения океана, которые использовались на кораблях Академии наук. Например, исключительную по тем временам глубоководную камеру, рассчитанную на максимальную глубину океана в 11 км. Был создан и испытан глубоководный прибор, отработавший несколько погружений в глубоководных впадинах Тихого океана. Во время работы приходилось проводить много времени на «Красмаше», на ходу корректировать технологию, делать специальные испытательные камеры. При создании более «простых», приборов приходилось их «доводить до ума» и совершенствовать на корабле. И здесь уже нужны были не только хорошие мозги, но и практические навыки инженера.

Тогда же в 60-е годы появились первые спутники Земли. Это позволило взглянуть на планету из космоса как на единое целое. Когда я увидел еще в очень низком разрешении американский снимок поверхности океана, то понял, что сочетание информационных и космических технологий может позволить реализовать одну важную для нас идею. В это время в Академии наук и прикладных институтах начало развиваться направление «Интерпретация космических изображений Земли». В Сибирском отделении работал академик Александр Леонидович Яншин. Масштаб этой личности поражает. Он был представителем первого талантливого потока людей, которые из Москвы приехали в Новосибирск и создали Академгородок. Он стал первым председателем Совета РАН по применению космических изображений. Этот совет объединил десятки институтов по всей стране для решения новых перспективных научных задач. В то время я постоянно участвовал в работе этого Совета. При общении с коллегами возникло много взаимополезных научных связей.

Затем в моей жизни появляется еще одна масштабная личность — Николай Павлович Лаверов. Он был вице-президентом академии наук СССР, занимался климатом, океаном и проблемами предсказания землетрясений. В РАН была создана российско-американская группа «Науки о Земле». Тогда шел интенсивный научный обмен, и было установлено так: один год мы едем и делаем доклады в Вашингтоне, в следующем году американцы приезжают к нам и делают доклады в Москве. Такое взаимодействие продолжалось несколько лет. В результате возникло множество контактов с американскими учеными. В то время еще не было регулярного виртуального доступа к спутниковой информации, первые данные мы привозили после таких рабочих поездок на дисках.

Николай Павлович Лаверов вел линию, показывающую важную лидирующую роль советской, российской науки — представлял достижения нашей науки за рубежом. Уже позже, посещая Москву, я всегда заходил к Николаю Павловичу в Президиум Российской академии наук. Он всегда интересовался новыми результатами наших исследований динамики океана, особенно его интересовала изменчивость. Сам он изучал землетрясения как явление глобального масштаба, поведение океана его интересовало в свете важности предсказания цунами. Судьба привела меня к общению с этой личностью. Что характерно для человека такого масштаба, у него не было ни чванства, ни снобизма.

Взгляд сверху на сибирские леса

Как только мы начинаем изучать землю на основе данных дистанционного зондирования, то сразу получаем возможность исследовать разные экосистемы. В одной из экспедиций вместе с нами были два будущих академика. Один из них – Александр Сергеевич Исаев. Это значимый для российской науки ученый. Он занимался лесной тематикой, был директором Института леса. Помню, как мы вылетали на самолете из Южно-Сахалинска на Курильские острова в небольшой аэропорт Менделеево, а затем летали далеко от берегов над Тихим океаном. Мы проводили спектральные съемки для изучения поверхностных вод океана.

В Институте леса традиционно использовали классические методы изучения лесов. Когда Александр Сергеевич полетал с нами над океаном, то оценил перспективы дистанционного зондирования. После этого в Институте леса дистанционная тематика заняла достойное место. Много лет Исаев участвовал во многих совещаниях по методам обработки космической информации, в том числе в работе группы «Науки о Земле».

Во время совместного визита в Вашингтон в начале 90-ых годов прошлого века планировалось получение первой американской спутниковой станции. Она была установлена над корпусом экологии в Академгородке и долгие годы была основным источником спутниковой информации для красноярских ученых. Мы обсуждали, кого же сделать начальником этой станции. Я предложил Анатолия Ивановича Сухинина, который позже и стал ее первым руководителем. Позже на базе этой спутниковой станции в Красноярске был образован отдел МЧС, который следит за лесными пожарами до сих пор. Можно сказать, что с тех пор в Красноярске началось спутниковое лесопожарное направление. Первое время у нас не было необходимой информации. Поэтому Сухинина для получения опыта отправляли в Японию и США. Сибирские бореальные леса занимают большую часть северного полушария. Вклад Анатолия Ивановича в развитие этого направления в Красноярске был очень существенным. Он бы сделал еще больше, если бы так рано не ушел из жизни.

Встречи с яркими учеными

Большую роль в моей жизни сыграло общение с академиком Кириллом Яковлевичем Кондратьевым. Его основные труды относятся к исследованиям в области физики атмосферы, спутниковой метеорологии, атмосферной оптики, актинометрии, проблемам глобальной экологии и глобальным изменениям. Научная координация дистанционного зондирования из космоса осуществлялась Советом под управлением Кирилла Яковлевича. Благодаря ему мне довелось поработать со «звездным городком» и пообщаться с космонавтами. Я тогда «потрогал» руками один из первых кораблей «Союз». Кирилл Яковлевич написал очень много книг, великолепно знал английский язык. Его фраза: «Если ты хочешь общаться на международном уровне, ты должен знать язык».

Свою докторскую диссертацию я защищал в Институте океанологии РАН в Москве. Одним из членов совета был академик Михаил Евгеньевич Виноградов, занявший заметное место в моей жизни. Советский и российский океанолог, доктор биологических наук, профессор, академик АН СССР по Отделению океанологии, физики атмосферы и географии. Примечательно, что в свое время он учился вместе с И.И.Гительзоном в Московском государственном университете. Он изучал динамику жизни океана. Его идея была в том, что океан нужно изучать комплексно, потому что это единый живой организм. Очень многие морские экспедиции, в которых нам довелось принять участие, проходили под его руководством. В моей домашней экспозиции «По волнам моей памяти» есть карта Мирового океана с маршрутами и фотографиями 7 кораблей, на которых мы изучали океан. Это: «Витязь», «Витязь-2», «Академик Курчатов», «Академик Ширшов», «Дмитрий Менделеев», «Академик Вернадский», «Василий Путинцев».

Мы с ним многократно были в экспедициях на разных кораблях. Он мне говорил: «Почему ты не публикуешься в Океанологии?». А мне казалось, что нужно исследовать, познавать новое, а публикации потом. Сейчас сильны позиции «наукометрии», всюду рейтинги. Тогда подход был немного другой. Публиковаться было нужно, но это не было самоцелью. Надо было найти что-то принципиально новое, а потом уже публиковаться.

Большое впечатление на меня произвел работавший в НИИ Телевидения Илья Иоаннович Цуккерман. Это был выдающийся технический специалист, с огромной эрудицией и неуемной энергией. В советские времена НИИ Телевидения был закрытым институтом, где работали с космической информацией в прикладных целях. Он тогда впервые показал мне у себя в лаборатории, как на космических снимках можно увидеть самолеты в небе. В те далекие годы такое было почти нереально. Идея, что земля единая, что все системы связаны, что на нее нужно смотреть как на единое целое, как на единый организм — это стало его убеждением, и в чем-то передалось мне.

Много полезного я получил от общения с директором Института вулканологии на Дальнем Востоке Анатолием Петровичем Хреновым. Его интересовало, что такое Земля, что такое оболочка Земли. Когда мы ходим по земле, мы слабо представляем, что жизнь очень хрупкое явление. 5 километров вниз и примерно 30 километров вверх – тончайшая в космических масштабах оболочка — основа биосферы. Одна из центральных идей в биофизике и, в частности, в моей личной работе — получение информации о биосфере физическими методами. С помощью физических методов можно узнать о биологических объектах, биосфере, ее изменчивости.

Океан в динамике

Распределение жизни в океане изучено достаточно хорошо. Казалось бы, все понятно, на севере и на юге концентрации фитопланктона повышенные. В тропиках и субтропиках – «голубая пустыня». Все это привязано к структуре крупных океанских течений, глобальной циркуляции океанических вод, к региональным климатическим особенностям. На космических снимках почти все однородно, кроме фронтальных зон на границах крупных течений и отдельных прибрежных особенностях течений у различных континентов. Однако выяснилось, что наибольшая фундаментальная и практическая новизна содержится в динамике океанических явлений. Важной оказалась изменчивость. Когда мы стали изучать динамику объекта через временные ряды, нам удалось выявить то, что никто и никогда ранее не видел в океане. Концентрация фитопланктона на разных широтах постоянно меняется. Мы решили посмотреть на тип изменчивости. Оказалось, что на основании спутниковых измерений, можно выявить несколько особенностей. Одна из них — наличие квазистационарных зон в океане, районов с подобным типом изменчивости. Нами была получена карта квазистационарных зон Мирового океана. Такая карта проявила всю структуру океанских течений: и крупных, и мелких. Это оказалось очень полезным в практическом плане для климатологов, биологов, и исследователей многих других направлений. Это один тип динамики. Есть и другие.

Однажды в океане, когда мы шли от берегов Северной Америки в сторону Европы, посреди ночи всех разбудил общий корабельный сигнал, и сообщение: «Все на палубу, начинаем работать срочно!» Оказывается, посреди океана обнаружили «аномальное» явление. В этой точке наблюдался бурный рост жизни. Уже на суше, в лаборатории, я предложил взять спутниковые данные и проанализировать появление таких точек во всем мировом океане. Обнаружилось, что так называемые аномалии возникают в разных частях океана. Когда мы провели комплексный анализ, нашли зоны с повышенной вероятностью аномалий в различных частях океана.

Третий тип динамики, который нам удалось выявить – многолетние тренды. Было показано, что в одной части океана идет понижение биологической продукции, а в другой — ее рост. При этом по всему мировому океану среднее количество фитопланктона почти не меняется. Получается, что жизнь в Мировом океане, выраженная в виде первичной продукции, более или менее стационарна. Но при этом происходит некое перераспределение активности между разными зонами. Мировой океан — это сложнейшая система, которая живет по своим законам, она как гигантский организм. Да и вся биосфера в чем-то ведет себя как один организм. А как можно изучать такой гигантский объект? Только с помощью сочетания космических и информационных технологий. Вместе они позволяют изучать Землю как единое целое — это главное.

«Зеленая волна» как основа жизни

Из этих идей возникла глобальная научная программа «Зеленая волна». Зеленая волна — это очень образное описание ежегодной жизни нашей биосферы. Особенно понятным оно становится в наших широтах. Там, где зимой лежит снег, летом все заполняется зеленью. Если посмотреть на планету сверху, то с началом весны, зелень двигается с юга на север, а осенью уходит назад. Каждый год зеленая волна проходит по Земле с юга на север и обратно, движение этой волны является основой жизни на планете. То, что успело вырасти, попадает в кругооборот, становится пищей для других организмов. Через год начинается новый цикл.

Идея «Зеленой волны» принята международным сообществом и перспективна для изучения биосферы. Ко всем пришло понимание, что биологические процессы нужно изучать в динамике. На данном этапе особенно интересен практический аспект, связанный с сельским хозяйством. Но есть и фундаментальный — познание законов природы. Для реализации глобального подхода мы решили перенести методики, которые хорошо работают для океана, на сушу. Оказалось, что и на суше они работают эффективно.

В настоящее время в лаборатории ведутся работы по двум основным направлениям. С одной стороны, мы анализируем закономерности глобальной динамики биосферы. Наша задача связать поведение растительности с изменениями климата на различных широтах по спутниковым данным. С другой, стоит задача разработки и внедрения методов раннего прогнозирования урожайности зерновых культур в сибирском регионе по данным дистанционного зондирования. Для этого мы используем весь накопленный потенциал по анализу динамики фитопигментов суши и океана.

За последние годы за счет национального проекта «Наука», в результате междисциплинарного сотрудничества между разными институтами ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» наша лаборатория пополнилась новым оборудованием. Сегодня у нас есть разные беспилотные и наземные научные средства, уникальный гиперспектральный спектрофотометр. Работа ведется на опытных полях ФИЦ в Красноярском крае. Например, аппаратура дистанционного зондирования земли работает в Курагинском ОПХ. С помощью беспилотных летательных аппаратов проводятся спектрофотометрические и температурные измерения. Осуществляется трехуровневый мониторинг сельскохозяйственных объектов: спутниковые измерения, измерения на земле, измерения беспилотниками. Такие измерения позволяют оценить состояние сельскохозяйственных культур и земли в течение вегетационного периода: с даты посева до сбора урожая.

Время передачи накопленных знаний

В свое время вместе с бывшим ректором Политехнического института Анатолием Михайловичем Ставером и академиком Гительзоном нами была создана уникальная в то время связка кафедра-лаборатория. Это была кафедра экологической информатики в Политехе (позже СФУ) и лаборатория экологической информатики в Институте биофизики СО РАН. С начала организации кафедры на ней работали практически все заведующие лабораториями Института биофизики. Был период, когда на кафедре одновременно работали десять докторов наук из разных научных институтов.

По рейтингам Минобразования РФ кафедра многие годы по своей специализации занимала призовые места в стране. Я заведовал этой кафедрой больше 15 лет. В свое время получил награду «Лучший профессор года», много лет входил в президиум профессорского собрания Красноярского края. Что дало создание кафедры-лаборатории и руководство кафедрой? Результат – более 200 специалистов, способных работать как на производстве, так и в науке, причем на очень высоком уровне. Среди них есть и те, кто теперь руководит лабораторией экологической информатики. Наша же задача, оставаться в строю и помогать молодым ученым.