II. ПРОГРАММА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НА ДОЛГОСРОЧНЫЙ ПЕРИОД (2021 - 2030 ГОДЫ) | ПАСПОРТ Программы фундаментальных научных исследований в РФ на долгосрочный период (2021 - 2030 годы)

Направление науки: 2.1. Физические науки

Основные научные задачи и ожидаемые прорывные результаты
до 2030 года

В области астрономии и астрофизики фундаментальные задачи будущего десятилетия связаны с вопросами происхождения и эволюции Вселенной, синтеза химических элементов, возникновения и развития жизни в космосе, природы и эволюции темной материи и темной энергии, появления первых объектов во Вселенной. Важной задачей является изучение планетных систем вокруг других звезд нашей Галактики.

В кооперации с международными институтами будут продолжены работы по регистрации гравитационно-волновых сигналов от сливающихся черных дыр и нейтронных звезд, в том числе в электромагнитном диапазоне длин волн. Принципиальную роль в решении проблем эволюции Вселенной сыграет рентгеновская космическая обсерватория "Спектр-РГ". Значительное продвижение в понимании природы объектов со сверхвысокими плотностями будут иметь проводимые совместно с мировым сообществом исследования в области нейтринной астрономии и физики космических лучей сверхвысоких энергий, при использовании астрономических методов в совокупности с методами ядерной физики. Развитие гамма-астрономии посредством создания отечественных орбитальных и наземных гамма-обсерваторий нового поколения необходимо для исследования фундаментальных процессов в космических ускорителях частиц и проблем космической безопасности. Исключительно важным также представляется развитие оптических, радио- и субмиллиметровых наблюдательных средств. Российские ученые будут принимать участие в исследовании планет Солнечной системы, в первую очередь Венеры и Марса. Значительные усилия будут направлены на развитие технических средств для изучения Луны. Будет развиваться направление по изучению Солнца, солнечно-земных связей (включая ионосферные проявления) и малых тел Солнечной системы, в частности в контексте проработки фундаментальных основ создания системы прогнозирования и парирования космических угроз (проявления космической погоды, астероидно-кометная опасность и др.). Российским ученым и инженерам предстоит решить задачи освоения ультрафиолетового, инфракрасного и миллиметрового диапазонов длин волн, которые позволят изучать физические свойства материи во Вселенной в широчайшем диапазоне физических условий. Проблемы астрономии и астрофизики тесно переплетаются с современными задачами ядерной физики, в том числе поиском границы нашего мира и определением возможного количества химических элементов. Наряду с космическими исследованиями поиски новых типов материи будут продолжены на Большом адронном коллайдере.

Будут продолжены фундаментальные исследования колебательных и волновых систем и процессов, используемых для создания новых систем генерации, преобразования и регистрации электромагнитных волн, а также использования новых систем для диагностики окружающей среды и природных явлений катастрофического характера. Развиваются такие традиционные области, как радиофизика, радиофотоника, акустика и акустоэлектроника. Особое внимание уделяется фундаментальным проблемам распространения радиоволн, методам и средствам генерации, усиления, преобразования и приема электромагнитных волн, разработке когерентных источников микроволнового излучения и источников излучения со сверхширокополосным спектром.

Отдельный междисциплинарный интерес вызывают фундаментальные исследования в области современной оптики, фотоники и лазерной физики, в том числе вопросы создания новых лазерных генераторов и исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом. Во всем мире в перечень приоритетных направлений входят исследования в области физики экстремальных световых полей и экстремального состояния вещества, в первую очередь по проблемам создания рекордно мощных источников излучения с уникальными параметрами (в том числе рентгеновского и терагерцевого, аттосекундных импульсов, с использованием пучков заряженных частиц) и их приложений. Технологический прорыв ожидается в интегральной, волоконной и адаптивной оптике, где особой задачей является миниатюризация оптических элементов и совмещение их с электронными компонентами. Новые инструменты фотоники станут основой методов оптической диагностики веществ со сверхвысоким пространственным, временным и энергетическим разрешением. Достижения фотоники стимулируют развитие новых научных направлений, обеспечат революционное развитие современного материаловедения, электроники, энергетики, робототехники, информатики и медицины.

Актуальными будут мероприятия по созданию новых источников энергии, а также по разработке новых методов генерации интенсивных потоков ускоренных частиц и электромагнитного излучения. Российской Федерации принадлежит приоритет в области создания гиротронов - источников излучения, используемых для нагрева плазмы и генерации постоянных токов, обеспечивающих стабильность работы установок по получению управляемого термоядерного синтеза. Важным приоритетным направлением исследований будет разработка мощных источников термоядерных нейтронов. В центре внимания фундаментальных исследований в области физики плазмы будут находиться крупные национальные и крупные международные проекты по освоению энергии управляемого термоядерного синтеза (в том числе международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР). Большое внимание будет уделяться изучению процессов ионно-атомных взаимодействий.

Новым прорывным направлением являются квантовые технологии, развитие которых позволяет вести поиск и исследование новых эффектов, интересных с точки зрения понимания квантовой механики, а также обеспечивает создание принципиально новых устройств, например, с элементами нанофотоники и наноплазмоники, имеющих потенциальное применение в области квантовой информатики, криптографии, сенсорики, телекоммуникаций.

Актуальными остаются исследования физических и технологических основ создания элементов квантовых симуляторов, квантовых компьютеров и квантовой связи, в том числе с использованием сверхпроводящих структур, лазерно-охлажденных атомов в вакуумных ловушках, атомов примесей в изотопически чистых полупроводниках, квантовых точек, фотонных чипов. Высокая прикладная значимость таких исследований определяется необходимостью разработки новых стандартов времени и частоты, совершенствования метрологических и навигационных систем, создания новых сенсорных инструментов и квантовой криптографии.

Указанные исследования непосредственно связаны с основными задачами физики конденсированных сред, физического материаловедения, физики поверхности и границ раздела, физическими и технологическими основами создания новых типов функциональных материалов и устройств с заданными характеристиками. Значительный междисциплинарный интерес представляет создание новых типов функциональных материалов и структур - полупроводников и наногетероструктур, высокотемпературных сверхпроводников, конструкционных материалов и композитов, структур и покрытий с заданными характеристиками (например, жаропрочные, с заданными трибологическими свойствами, "умные" материалы, эффективные фотовольтаические и магнитные материалы). Технологии создания новых материалов с заданными свойствами и эксплуатационными характеристиками входят в перечень важнейших наукоемких технологий, утвержденный Указом Президента Российской Федерации от 18 июня 2024 г. N 529 "Об утверждении приоритетных направлений научно-технологического развития и перечня важнейших наукоемких технологий". Важными задачами физического материаловедения являются создание технологий получения порошков, новых инструментальных, функциональных металлокерамических и керамических компактных материалов и покрытий с применением методов плазмохимического синтеза, искрового плазменного и жидкофазного спеканий, электроискрового легирования, установление физико-химических и технологических основ получения металлокерамических, интерметаллидных и биосовместимых металлических покрытий, применяемых в машиностроении, энергетике и медицине, установление оптимального состава, структуры и свойств высокоэнтропийных сплавов (ВЭС), предназначенных для формирования жаро- и износостойких покрытий и получения компактных металлокерамических материалов на основе карбидов переходных металлов, установление влияния электронной структуры полученных новых систем со структурой перовскита на их каталитическую активность.

В области физики конденсированного состояния будут продолжены поиск и исследования фундаментальных физических эффектов, в том числе таких, как нелинейные эффекты, поляритоны (гибридные состояния "свет - вещество"), электронные эффекты, связанные с сильным спин-орбитальным взаимодействием, спиновые взаимодействия в наноструктурах, спиновые волны и другие возбуждения, процессы их генерации, детектирования, распространения, Бозе-конденсация. Важными являются также комплексные исследования физико-механических свойств и закономерностей эволюции дефектной структуры материалов разных типов с целью повышения функциональных свойств и выявления физических закономерностей развития разрушения.

Будет развиваться медицинская физика в части глубоких фундаментальных исследований на стыке физики, химии и биологии и в части разработки новых методов и инструментов диагностики и лечения различных заболеваний.

В рамках сформулированных основных задач будут разработаны фундаментальные основы технологий, имеющих высокое прикладное значение, в том числе ядерных, лазерно-оптических (фотонных), квантовых, координатно-навигационных и метрологических, медицинских, технологий физического материаловедения.

Перечень приоритетных направлений фундаментальных
и поисковых научных исследований

Направление науки: 2.2. Химические науки

Основные научные задачи и ожидаемые прорывные результаты
до 2030 года

Первостепенной задачей современных фундаментальных исследований в области химии остается поиск методов контроля химических реакций на уровне отдельных реагирующих молекул, который является основой всех практических приложений современного химического знания от биохимического медицинского анализа до разработки крупнотоннажных химических производств.

Другая ключевая задача химии будущего - установление химических механизмов появления жизни и процессов в живых системах. Изучение химии мышления и памяти живых систем, тесно связанное с разработкой искусственного интеллекта и развитием бионических технологий, будет иметь приоритетное значение. Развитие комплекса химических и междисциплинарных подходов к описанию сложности живых систем обеспечит переход к комплексному управлению процессами жизни на молекулярном уровне. Фундаментальное изучение химической природы живых организмов - основа разработки лекарственных средств и методов лечения от неизлечимых и социально значимых заболеваний в рамках направления фундаментальных физико-химических исследований механизмов физиологических процессов и создание на их основе фармакологических веществ и лекарственных форм для лечения и профилактики социально значимых заболеваний. Важное значение будут иметь задачи создания новых лекарств для ранней диагностики и лечения онкологических и тяжелых вирусных заболеваний, аутоиммунных и орфанных заболеваний. Большим вызовом для химии является антибиотикорезистентность и поиск альтернативных, принципиально новых антибактериальных средств.

В связи с глобальными климатическими изменениями возрастающую роль в развитии химической науки будут играть исследования, нацеленные на охрану окружающей среды и снижение антропогенной нагрузки на экосистемы. Понимание химических взаимосвязей планетарного комплекса, включающих землю, море, атмосферу и биосферу, позволит эффективно поддерживать сложный экологический баланс и жизнеспособность биосферы нашей планеты. Решение этой фундаментальной проблемы имеет принципиальное значение для разработки государственной политики, нацеленной на предотвращение деградации окружающей среды. Одно из ключевых направлений "зеленой химии" будущего - создание биоподобных химических технологий с использованием самособирающихся сложных систем и материалов. Динамическая самоорганизация смесей химических компонентов в сложные системы от наноразмерных до макроскопических по аналогии с биологической сборкой станет основой технической революции в химическом производстве. Новые принципы химического преобразования вещества, основанные на переходе от синтеза соединений, нуждающихся в выделении и очистке, к "самооптимизирующемуся" целевому синтезу готового продукта, поднимут эффективность химического производства на принципиально новый уровень и одновременно снизят нагрузку на окружающую среду.

Важными задачами остаются социально ориентированная разработка новых материалов и технологий их производства, создание эффективных систем защиты граждан от терроризма, несчастных случаев, преступлений и болезней, минимизация урона в случае техногенных катастроф. Исследования в этой области будут нацелены на создание высокоселективных сенсоров и тест-систем для идентификации опасных веществ и организмов, быстрого и надежного обнаружения токсичных и опасных химических веществ, а также взрывчатых веществ.

К прорывным направлениям будет относиться разработка соединений и материалов с заданными свойствами, инновационных материалов для обеспечения материальной основы информационных технологий, которые определяют успехи инновационной промышленности. "Биоподобная" стратегия химического синтеза в сочетании с методами хемоинформатики и быстрого скрининга открывает возможность для получения принципиально новых, адаптивных, самовосстанавливающихся умных "материалов-устройств", "материалов-гибридов", сочетающих в себе органические и неорганические соединения, и молекулярных машин, интегрированных с нейронными сетями и системами машинного обучения. Следствием развития химии самосборки станет создание компактных, программируемых, универсальных синтезаторов материалов, способных производить функционально различные материалы из одного и того же набора стартовых компонентов и адаптировать конечный продукт под конкретную задачу.

Одним из ключевых направлений фундаментальных исследований в химии станут химические проблемы получения и преобразования энергии, использования альтернативных и возобновляемых источников энергии. В условиях растущей конкуренции за энергетические ресурсы и уменьшения глобальной ресурсной базы актуальным будет развитие "зеленой" энергетики на основе возобновляемой дешевой энергии с новыми способами ее производства, хранения и транспортировки. Современные способы производства и использования энергии, основанные на потреблении конечных ресурсов и природных ископаемых планеты, создают экологическое давление на окружающую среду и человечество. Эффективной альтернативой ископаемому топливу, наряду с атомной энергетикой, станет использование топливных элементов различных типов на основе водорода, использование неисчерпаемой энергии солнечного света и применение сверхпроводников, которые позволят существенно снизить потери при передаче и повысить эффективность распределения энергии.

Перечень приоритетных направлений фундаментальных
и поисковых научных исследований

Направление науки: 2.3. Науки о Земле

Основные научные задачи и ожидаемые прорывные результаты
до 2030 года

Новые фундаментальные знания постоянно формируют базис для развития наук о Земле и одновременно способствуют решению важнейших задач, среди которых расширение минерально-сырьевой базы, поиск и разведка твердых, жидких и газообразных стратегически важных полезных ископаемых, безопасная и ресурсосберегающая разработка их месторождений, глубокая переработка минерального сырья с учетом комплексного содержания ценных компонентов, прогноз и предупреждение опасных катастрофических природных и техногенных явлений, адаптация к изменениям окружающей среды и климата.

Геология, геофизика, геохимия, геоэкология, география, науки об атмосфере и климате играют огромную роль в выполнении задач, поставленных в Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 28 февраля 2024 г. N 145 "О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации", в области поиска, добычи и переработки углеводородов и минерального сырья, экологии и снижения негативного воздействия человека на окружающую среду и климат.

Российская Федерация обладает огромными запасами природных богатств, от рационального и научно обоснованного использования которых зависит настоящее и будущее нашей страны. В связи с этим необходимо наращивание региональных геологических исследований в целях расшифровки строения и эволюции крупных сегментов складчатых поясов и платформ в отношении перспективных видов минерального сырья, а также в целях разработки новых эффективных, экологически безопасных технологий поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых, в том числе в арктических условиях.

Важным является получение новых фундаментальных результатов в области происхождения жизни, кризисов в эволюции биосферы Земли, седиментационных процессов в океанических, окраинно-морских и континентальных бассейнах.

Исследования минералогии и петрологии магматических, метаморфических, метасоматических и рудно-магматических систем, а также элементной и изотопной геохимии и геохронологии служат фундаментальной основой для всех геологических и минерагенических работ. Разностороннее развитие этих направлений является главным фактором прогресса знаний в науках о Земле. Для понимания процессов формирования и эволюции Земли большое значение имеют процессы, протекающие в мантии, при взаимодействии коры и мантии, мантии и ядра. Одной из важных задач является изучение глубинного вещества Земли, поступающего на поверхность, - ксенолитов мантийных пород и минералов, расплавных и флюидных включений в магматических породах. Исследования вещества метеоритов, планет и их спутников, позволяют проводить реконструкции химического состава, возраста и условий формирования самых ранних стадий эволюции Земли, а также способствуют человечеству осваивать внеземные объекты.

Для развития фундаментальных основ прогноза и раннего предупреждения природных катастроф важными являются наземный и спутниковый мониторинг активных геодинамических процессов (землетрясения, вулканизм, оползни, карст, цунами, лавины и др.), совершенствование методов их изучения и моделирования, включая моделирование опасных морских явлений и оценку их воздействия на прибрежную инфраструктуру. Прогресс в этой области может быть достигнут путем анализа больших массивов наземных и спутниковых геолого-геофизических, географических и геодезических данных с применением системного анализа, математического моделирования, цифрового картографирования, машинного обучения и искусственного интеллекта.

Важной задачей является изучение состава, структуры и динамики атмосферы (включая ионосферу и магнитосферу), в частности развитие теоретических методов описания, диагностики и прогнозирования процессов в атмосфере и экстремальных явлений. Регистрация и изучение магнитных бурь и их характеристик - амплитуды, интенсивности, момента начала бури и ее длительности.

В условиях меняющегося климата важнейшим направлением является оценка региональных и глобальных климатических изменений, структура и прогноз состояния криосферы, в том числе многолетнемерзлых толщ и криогенных ландшафтов. В условиях антропогенных загрязнений и климатических изменений фундаментальное значение имеет повышение эффективности использования водных ресурсов суши с целью обеспечения населения страны чистой питьевой водой и прогнозирование изменений состава воды. Для решения геоэкологических проблем важным является оценка воздействия промышленных и бытовых объектов на загрязнение природной среды Российской Федерации.

Перечень приоритетных направлений фундаментальных
и поисковых научных исследований

Направление науки: 2.4. Биологические науки

Основные научные задачи и ожидаемые прорывные результаты
до 2030 года

Современная биология рассматривает организацию живых систем на двух уровнях. Общая биология исследует процессы на уровне организмов, популяций, видов, сообществ и экосистем в их взаимодействии с окружающей средой. Физико-химическая биология изучает молекулярные основы жизни, состав и строение клеток и лежащие в основе их жизнедеятельности молекулярные процессы.

Исследования в области биологии развития и эволюции живых систем направлены на решение важнейших проблем биологии - понимание эволюции живых организмов, механизмов формирования биологического разнообразия и роли в этом процессе онтогенетических преобразований. Знание этих механизмов позволяет понять ход эволюционного процесса в органическом мире в прошлом и прогнозировать его перемены в будущем.

Исследования экологии организмов и сообществ направлены на получение новых знаний о структуре и функциях живых систем на уровне организмов, популяций, сообществ и экосистем, на выявление факторов, механизмов и закономерностей их функционирования и динамики в связи с глобальными изменениями на Земле (включая изменение климата и антропогенное воздействие).

Исследования биологического разнообразия и биоресурсов направлены на получение новых результатов по оценке их современного состояния и динамики. Большое значение имеет изучение еще малоисследованных групп организмов, сообществ и биоценозов. Эти работы необходимы для создания новых биологических коллекций и разработки новых биотехнологий (для сельского, лесного и рыбного хозяйства, фармацевтики, сохранения окружающей среды и др.). Такие исследования позволят разработать новые технологии устойчивого и неистощительного использования природных биологических ресурсов.

Исследования в области общей генетики направлены на выяснение молекулярно-генетических механизмов генотипической и фенотипической изменчивости и адаптаций организмов, разработку основ управления генофондами организмов. Будут выполнены актуальные исследования по выявлению генов и генных сетей, контролирующих развитие ценных признаков растений и животных, разработке молекулярных маркеров для селекции, а также изучению механизмов взаимодействия "паразит - хозяин" с использованием омиксных технологий (на геномном, транскриптомном и протеомном уровнях). Актуальны и исключительно важны исследования по структуре генофонда и истории формирования народов Российской Федерации.

Исследования почв как компонента биосферы имеют исключительную важность, поскольку их плодородие является важнейшим фактором обеспечения продовольствием населения нашей планеты. В связи с этим большое значение имеет изучение влияния глобальных климатических изменений и хозяйственной деятельности на экологические функции почв, понимание направленности и скорости элементарных почвенных процессов в ходе естественной и антропогенной эволюции почв вследствие экзогенных поступлений (удобрения, гербициды, пестициды), что позволит разработать биогеохимические стандарты, связанные с воздействием на окружающую среду и здоровье человека. Особую актуальность имеют проблемы регулирования циклов биофильных элементов в наземных экосистемах, включая исследование особой роли почвы в круговоротах углерода и азота и оценку роли почв и почвенного покрова в эмиссии и стоке парниковых газов.

Исследования в области функциональной микробиологии включают анализ микробных сообществ различных экологических ниш, разработку методов анализа их метагеномов, поиск продуцентов новых антибиотиков и биокатализаторов. Актуальным в экспериментальной биологии растений является изучение детальных механизмов фотосинтетических процессов с перспективой создания в будущем эффективных искусственных фотосинтетических систем, что позволит получить неисчерпаемый источник пищевых ресурсов непосредственно из атмосферы. Важнейшими задачами этого направления являются создание методологии управляемого онтогенеза и продуктивности растений, исследование стратегии и механизмов их адаптации к стрессовым факторам среды, конструирование биологически безопасных линий растений с заданными свойствами при помощи генетического редактирования.

Исследования в области биохимии, биофизики и структурной биологии направлены на идентификацию и установление состава и пространственной структуры биомолекул, а также понимание, как структура биомолекул определяет их функцию. Изучение совокупности химических реакций клетки и закономерностей их катализа позволит выявить новые точки приложения для создания новых лекарств и иных биорегуляторов клеточных процессов. На основе полученных данных будут разрабатываться дизайн (в первую очередь компьютерный) и синтез биомолекул любого класса и их неприродных аналогов, в том числе посредством методов органического синтеза, а также белковой, клеточной и генной инженерии.

Молекулярная биология, молекулярная генетика и геномные исследования направлены на изучение механизмов хранения, передачи и реализации генетической информации. Особое значение имеют установление молекулярных механизмов взаимодействия белков и низкомолекулярных биорегуляторов с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК) и рибонуклеиновой кислотой (РНК), а также раскрытие регуляторных механизмов координированного функционирования генов, приводящих к появлению определенных признаков, и изучение посттранскрипционных этапов экспрессии генетической информации. Полногеномные исследования позволят создать новые методы диагностики и терапии наиболее распространенных наследственных заболеваний. Большие перспективы открываются в связи с развитием геномного редактирования.

Исследования в области клеточной биологии и иммунологии направлены на выяснение причин онкологических заболеваний, в значительной степени связанных с нарушениями клеточной дифференцировки и иммунитета. Важнейшими задачами данного направления являются выявление генетических программ старения, смерти и механизмов нарушения нормального развития клеток, а также разработка методов повышения эффективности иммунной системы организма. Особое значение имеет получение стабильных линий стволовых клеток человека, способных к тканеспецифической дифференцировке и применению при создании искусственных органов.

Исследования в области системной биологии и биоинформатики направлены на решение актуальных задач биологии с использованием современных математических и вычислительных методов. Особую актуальность имеет разработка алгоритмов и программ для высокоэффективной функциональной аннотации геномов, транскриптомов, протеомов, метаболомов микроорганизмов, растений, животных и человека, создание теоретических основ и методических подходов к изучению сетевых динамических взаимодействий биомолекул.

Работы в области биотехнологии позволят создать новые эффективные технологии для промышленности, сельского хозяйства, медицины, рационального природопользования и сохранения природных экосистем.

Исследования в области синтетической биологии направлены на создание технологий и инструментов целенаправленного изменения и конструирования геномов в целях создания организмов и их компонентов, содержащих не встречающиеся в природе биосинтетические пути. В результате этих работ в дальнейшем предполагается разработка подходов к разработке технологий создания полностью искусственных живых организмов.

Перечень приоритетных направлений фундаментальных
и поисковых научных исследований