Цели научного исследования

Пополнение существующей сети станций дендроклиматического мониторинга на территориисеверной Евразии и совершенствование методов оценки влияния на рост древесных растений факторов климатической и неклиматической природы; использование индикационных возможностей годичных колец деревьев и кустарников для познанияуглеродного обмена между растительностью и атмосферой. 

Задачи научного исследования

Сбор материала и построение длительных древесно-кольцевых хронологий на территории  Сибири;

Продление существующих и получение новых хронологий длительностью тысячу лет и более;

 Совершенствование статистических и имитационных моделей реакции прироста древесных растений на локальные и региональные изменения климата;

Пространственный анализ изменений в приросте древесных растений в разные интервалы времени в 20 и 21 столетиях на региональные изменения климата в высоких широтах;

Совершенствование методов статистического прогноза длительных древесно-кольцевых хронологий (МТМ спектральное разложение, вейвлет-анализ и др.) для выделения и оценки периодичностей разной интенсивности в приросте древесных растений;

Анализ связи длительных древесно-кольцевых хронологий северной Евразии с индексами атмосферной циркуляции;

Сопряженный анализ длительных изменений прироста, плотности годичных колец и содержания изотопов 13C и 18O как индикаторов напряженности физиологических процессов аккумулирования углерода, так и косвенных индикаторов изменения климата;

Анализ сезонной динамики соотношения изотопов углерода и анатомической структуры годичных колец хвойных на севере  Сибири  в связи с погодными факторами для разработки более совершенной эко-физиологической модели аккумулирования двуокиси углерода древесными растениями;

Анализ влияния климатических факторов на годичную продукцию разных компонентов (деревья, кустарники, мхи) для количественной оценки текущих тенденций изменений продуктивности северных экосистем. 

Методы, используемые при сборе материала в полевых условиях, достаточно традиционные и опираются на разработанные ранее стратегии в отборе мест произрастания и подробных описаний и измерений основных параметров условий роста древесных растений и других компонентов лесных экосистем. Для анализа древесных образцов в лабораторных условиях используются имеющиеся в отделе измерители годичных колец (Rinn Corp., Германия), денситометрическая лаборатория (Walesch Electronics, Швейцария), анализаторы структуры годичных колец (собственной разработки и продукции Carl Zeiss, Германия). Изотопные измерения планируется провести в Германии (Институт биогеохимии) и Швейцарии (Физический институт Шлистера) совместно с зарубежными коллегами в рамках совместных проектов и стажировок молодых ученых. Необходимое специализированное матобеспечение для проведения автоматизированных измерений анатомической структуры и сезонных вариаций изотопов разрабатывается в отделе. При анализе результатов экспериментальных измерений используются как усовершенствованные статистические методы (расчеты "климатических функций отклика", МТМ спектральное разложение, вейвлет-анализ длительных временных рядов древесных колец и др.), так и оригинальные имитационные модели роста и формирования годичных колец. Важным методическим направлением остается разработка адекватных способов параметризации имитационных моделей и в этом направлении разрабатываются оригинальные алгоритмы и программные продукты.

Дендроклиматический и дендроэкологический мониторинг лесов Северной Евразии

Красноярская научная школа по многомерному комплексному анализу стала формироваться с 1965 года под руководством Л.А. Айзенберга и А.П. Южакова; первый из них возглавил направление по интегральным представлениям для голоморфных функций, а второй – теорию многомерных вычетов, заложенную в работах Е. Мартинелли (E. Martinelli) и Ж.-П. Лере (J.-P. Leray). 

За годы становления школы были созданы основные принципы теории интегральных представлений и вычетов, установлены связи интегральных методов с алгебраическими и дифференциальными уравнениями. Эти исследования отражены в монографиях Л.А. Айзенберга и А.П. Южакова; А.К. Циха; А.М. Кытманова; Н.Н. Тарханова; Л.С. Маергойза. Получены фундаментальные результаты по комплексной выпуклости, которые впоследствии были использованы и дополнены до развитой теории в монографиях скандинавских коллег: Л. Хермандера (L. Hörmander); М. Андерссона, М. Пассаре и Р. Сигурссона (M. Andersson, M. Passare, R. Sigursson). Также решена проблема устойчивости двумерных цифровых рекурсивных фильтров.  

Научные направления и проблемы исследования

Известно, что одно из самых популярных интегральных преобразований, – преобразование Фурье, играет важную роль в проблеме раскрытия дуалистических связей между волновой и корпускулярной теориями света. Аналогичными свойствами обладают и все родственные интегральные преобразования (Лапласа, Меллина, Коши, а также более позднее преобразование Радона, лежащее в основе принципа действия современного томографа), так как, по сути своей, они являются функционалами на пространствах других функциональных объектов, заданных на многообразиях. Эффективность использования интегральных преобразований особенно ярко проявляется в рамках комплексного анализа, где, благодаря теореме Коши-Пуанкаре, т.е. теории вычетов, значительно расширяются возможности точного или асимптотического вычисления интегралов. Теория вычетов, лежащая на стыке комплексного анализа и алгебраической геометрии, играет важную роль в этих направлениях математики, а также в их приложениях: в теории двойственности коммутативной алгебры, при исследовании векторных полей, дифференциальных и разностных уравнений. Традиционно рассматриваются два подхода в теории многомерных вычетов: гомологический (теория интегрирования замкнутых дифференциальных форм по циклам) и потоковый (основанный на интегрировании финитных тестовых форм). Оба подхода включают в себя два аспекта: первый заключается в проблеме конструирования вычетных ядер, а второй - в проблеме выбора естественных двойственных циклов к указанным ядрам.  

Интегральные методы в комплексном анализе и алгебраической геометрии

В числе первых академических научных школ, возникших в Красноярске и получивших мировое признание, созданная трудами академиков Терскова И. А. и Гительзона  И.И.  школа экологической биофизики, развитая впоследствии И. И. Гительзоном в современную школу Биофизики и биотехнологии.


Научные связи школы в рамках совместных проектов

 Институт молекулярной биологии РАН, Зоологический институт РАН (Санкт-Петербург), Красноярский Государственный аграрный университет, Институт микробиологии РАН (Москва), Институт биологии внутренних вод РАН (Ярославль), ОАО «Биохиммаш» (Москва), Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, Институт биоорганической химии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск), НИИ трансплантологии и искусственных органов МЗ РФ (Москва), Научный гематологический центр РАМН (Москва), Красноярский кардиологический центр, Красноярский научный стоматологический центр, ИМБП РАН (Москва), Институт биохимии и биофизики Казанского НЦ РАН, СИФИБР СО РАН (Иркутск), Лимнологический институт (Иркутск),  МГУ (Москва), Санкт-Петербургский госуниверситет, ТГУ (Томск), ТИБОХ (Владивосток), Дальневосточный федеральный университет, Казанский федеральный университет, Южный федеральный университет и другие. 


Европейское космическое агентство (ESA),Китайский центр подготовки космонавтов, Пекинский университет астронавтики и
аэронавтики, NASA, Японский Институт исследования окружающей среды и Японское космическое агентство, Канадское космическое агентство, Molecular Microbiology and Biotechnology Institute (Германия), METU BIOMAT (Department of Biological Sciences Biotechnology Research Unit Ankara, Туркция), EMPA (Materials Science and Technology Abt. Biomaterials. Gallen Швейцария), Институт экологии
(Нидерланды), Университет Мадрида (Испания), Институт микробиологии (Швейцария), National Water Research Institute (Canada),  Университеты Флоренции и Болоньи (Италия); Университет Бирменгема (Англия); Гарвардский университет (США), Университет Флориды (США) и другие. 


Создана методология синтеза замкнутых экологических систем на основе развитой биотехнологии параметрического управления биосинтезом в популяциях микроорганизмов и растений. Она позволила осуществить первую и остающуюся уникальной действующую замкнутую экосистему жизнеобеспечения человека «Биос». В настоящее время эти работы продолжаются в сотрудничестве с Европейским космическим агентством.
Рассчитана на математической модели и создана экспериментальная модель нового поколения биорегенеративной системы жизнеобеспечения (БСЖО) для дальних космических полетов, основанная на новом подходе к замыканию круговорота вещества - биологическом и физико-химическом «сжигании» тупиковых растительных продуктов, что обеспечило повышение устойчивости БСЖО и степени замкнутости круговорота выше 95%. Развитая методология перенесена на исследование природных экосистем. 

Сформулированы законы устойчивости «идеальных» водных экосистем. Созданы основы теории поддержания устойчивых пространственных неоднородностей биолого-химических компонент в проточных (р.Енисей) и стратифицированных (оз. Шира, Красноярское водохранилище) водных экосистемах, которые служат основой для разработки способов управления ими. На основе лабораторных биофизических экспериментов и расчетов, выполненных на эколого-математической модели, показана возможность успешной биоманипуляции «top-down» в обход трофического каскада в природном водоеме и осуществлена первая в России биоманипуляция - целенаправленное изменение трофической структуры экосистемы водохранилища с целью ликвидации «цветения» цианобактерий и восстановления качества воды. В полном соответствии со сценарием, разработанным на математической модели, было ликвидировано массовое размножение цианобактерии Microcystis aeruginosa в водоеме. 

Разработанные методы параметрического управления биосинтезом хемоавтотрофных бактерий позволили направить программу синтеза на создание преимущественно (более 70% биомассы) полиоксиалканоатов, новых биополимеров весьма перспективных для медицины и промышленности. На основе полученных фундаментальных знаний о закономерностях синтеза полимерных макромолекул хемоавтотрофными бактериями синтезировано семейство биорезорбируемых линейных биополимеров различной химической структуры, изучены их базовые физико-химические свойства. Из полиалканоатов получено семейство полимерных изделий медицинского назначения. 

Проведены комплексные биомедицинские исследования, разработаны и зарегистрированы в Госстандарте РФ технические условия на три типа полимеров: для протезирования сосудов сердца, для матриксов растущих клеток и для внутриорганизменного длительного депонирования лекарственных средств. По гранту МНТЦ создана первая в стране установка для синтеза этих биополимеров. Уникальное сочетание ряда условий делает Красноярск предпочтительным местом для создания здесь новой отрасли промышленного синтеза биодеградируемых полимеров на основе этих работ. 

По инициативе основателя школы были начаты первые в Советском Союзе инструментальные исследования общеокеанического природного
явления – биолюминесценции морских организмов, разработан комплекс зондирующих приборов и создана первая карта светимости Мирового океана, собрана в экспедициях и поддерживается крупнейшая мировая коллекция светящихся бактерий. Развернуты работы по изучению молекулярного механизма биолюминесценции; расшифрованы гены и белковая структура излучающих ферментов – люцифераз ряда видов животных. На основе этих работ из светящихся ферментов и их генов методами генной инженерии и химическим синтезом созданы высокочувствительные биолюминесцентные метки для молекулярной диагностики в имунноферментном  анализе  тиреоидных и гонадотропных гормонов, альфафетопротеина, вируса  гепатита Б и других.

Совместно с Институтом молекулярной биологии РАН разрабатываются биолюминесцентные микрочипы для применения в медицинской диагностике. В
последние годы развернуты исследования биологических эффектов взрывных наноалмазов, показана их перспективность как нового средства хроматографии и медицинских применений в качестве носителя ферментов и других биологически активных молекул. 

Развитая Школой биосферно-ноосферная методология послужила основой для проекта «Экологизация образования и технологий», предложенного КрасГУ и получившего многолетнюю финансовую поддержку в виде совместного гранта Минобрнауки и Американского фонда поддержки гражданского общества (CRDF, США). Для выполнения проекта в структуре КрасГУ был создан Научно-образовательный центр «Енисей».  

Школа академика И.И. Гительзона выполняет научные проекты, поддержанные российскими и международными фондами. В рамках школы были реализованы 3 мегапроекта, возглавляемыми ведущими учеными, в том числе  нобелевским лауреатом Осаму Шимомура. 

Scientific schools

Дендроклиматический и дендроэкологический мониторинг лесов Северной Евразии

Руководитель: Ваганов Евгений Александрович

Интегральные методы в комплексном анализе и алгебраической геометрии

Руководитель: Цих Август Карлович

Экологическая биофизика

Руководитель: Кратасюк Валентина Александровна