Научное импортозамещение: учёные СФУ создали новую программу для изучения анатомии деревьев

Учёные Сибирского федерального университета и Института леса им. В. Н. Сукачёва СО РАН разработали программное обеспечение с открытым исходным кодом AutoCellRow (ACR), позволяющее быстро и точно анализировать клетки древесных тканей на основании снимков высокого разрешения микросрезов годичных колец.

Новая программа автоматически определяет параметры клеток в годичных древесных кольцах — их количество, размер и пространственное расположение; помогает узнать радиальный и тангенсальный диаметры, площадь люмена и толщину стенки клетки. Воспользоваться программным обеспечением может любой специалист, изучающий динамику развития древесных растений. Доступ к продукту на сайте СФУ открытый и бесплатный. Основные итоги исследования опубликованы в журнале Dendrochronologia.

Количественная анатомия древесины — это стремительно развивающаяся область дендроэкологии, посвящённая исследованию клеточного строения древесины, описанию структурных особенностей отдельных типов клеток и их сочетаний, а также микроскопическому изучению процессов, происходящих в живых клетках. Чтобы исследовать клеточную структуру древесины, её образцы после обработки специальными химическими реагентами нарезают слоями в несколько микрон с помощью прибора микротома, оборудованного острейшими лезвиями. Затем эти «срезы» окрашивают специальным красителем и изучают под микроскопом. Именно такие «фотографии» помогают анализировать клеточные структуры древесных колец и получать информацию о функционировании деревьев.

«Необходимость в анатомических измерениях древесины хвойных видов у красноярских учёных возникла достаточно давно, однако изначально мы пользовались программами от канадских и американских разработчиков. В том числе, были попытки перейти на американскую программу Image Pro Plus с „надстройкой“ ROXAS, разработанной нашими коллегами из Швейцарского федерального института леса, снега и ландшафта (WSL). Эти попытки были не очень успешными. Ввиду возникшей необходимости импортозамещения, на базе СФУ был создан совершенно самостоятельный продукт, для работы которого не требуется участие зарубежных партнёров и привлечённые дополнительные финансовые ресурсы. Замечу, что наше программное обеспечение самое быстрое в мире на данный момент. Его тестировали на пяти видах хвойных деревьев, произрастающих в полузасушливых районах Южной Сибири. Полученные измерения в сравнивали с измерениями, полученными на ROXAS. Точность измерений в обоих случаях идентична», — отметил заведующий кафедрой математических методов и информационных технологий Владимир Шишов.

Большую роль в разработке программы сыграла группа исследователей Института космических и информационных технологий СФУ.

«Наши студенты под руководством заведующего кафедрой информационных систем Петра Дьячука разработали программный код на основе быстрых методов теории распознавания образов, который после тестировали специалисты-практики под руководством Альберто Арсака. Испытания показали, что начинающие программисты с работой справились отлично», — сообщил доцент кафедры информационных систем СФУ Сергей Виденин.

Исследователи подчёркивают: их продукт предназначен для широкого круга специалистов, изучающих физиологию древесных растений, в частности, экологов, которым анатомические измерения нужны для понимания климатических изменений и эмиссии CO2.

«Учитывая просто гигантское количество измерений, с которыми работают эти специалисты, эта программа существенно облегчит им жизнь. Для нас принципиально, что всю «рутинную» работу выполняет машина, а не человек, это соответствует духу постиндустриальной эпохи. Также программой могут воспользоваться аспиранты, студенты или даже абитуриенты любого вуза, интересующиеся экологией и биологией древесных растений», — заявил Владимир Шишов.

Особенностью новой программы является её «непривередливость» к загружаемым снимкам. Если для европейского ROXAS подходят только цветные фото высокого качества, то отечественная разработка готова взаимодействовать практически с любыми, в том числе, чёрно-белыми изображениями древесных срезов.

«У хвойных специфичная структура древесины, отличающаяся от структуры листопадных деревьев. Разработанная нашей группой программа позволяет делать измерения как по всему сегменту годичного кольца, так и по отдельным рядам клеток. Это оригинальная и, самое главное, российская разработка, ни в чём не уступающая лучшим мировым аналогам, а где-то и превосходящая их. В целом же, высокий результат исследования и эффективный инструмент, каким является новое программное обеспечение, появились благодаря слаженной работе четырёх научных подразделений Сибирского федерального университета. Коллеги из Хакасского филиала СФУ под руководством Елены Бабушкиной подготовили необходимые срезы древесины и фотографии, специалисты по математическому моделированию и информационным технологиям формализовали задачу и разработали надёжный код, а исследователи из лаборатории комплексных исследований динамики лесов под руководством Альберто Арсака доказали на практике неоспоримые преимущества нового продукта», — резюмировал научный руководитель СФУ, академик Евгений Ваганов.

Работа поддержана Российским научным фондом.

Пресс-служба СФУ,

Вы можете отметить интересные фрагменты текста, которые будут доступны по уникальной ссылке в адресной строке браузера.