Проект Сиб.фм «Будущее российской науки» открывает новую страницу портретной галереи молодых новосибирских ученых. О том, кто двигает науку завтрашнего дня, как их открытия уже сейчас помогают решать сложнейшие задачи и как они изменят нашу жизнь в недалеком будущем - обо всем этом, а также о том, о чем мечтают, как отдыхают и чем увлекаются создатели новых фантастических формул и технологий, они рассказывают сами.
Наш путь снова лежит в Академгородок, в Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской Академии наук. Но, прежде, чем представить героя нашего следующего сюжета, небольшая предыстория.
Помните детскую сказку про Золушку? Чтобы жизнь девушке не казалась медом, злая мачеха то и дело давала падчерице трудоемкие задания. И одним из самых изощренных наказаний было - разобрать по отдельным мискам смешанные зерна чечевицы, проса, мака или других зерен. И как сокрушалась Золушка, что с этим поручением ей быстро не справиться! И тогда на помощь приходили какие-то добрые помощники – фея или голуби, как в старом чешском фильме. Ну, понятно, ведь в те времена еще не было смартфонов с волшебным магазином приложений.
К чему это мы? А к тому, что современная наука, и, в том числе, биологическая и сельскохозяйственная, уже давно нуждались в упрощении, автоматизации некоторых процессов.
Возьмем, например, селекцию растений. Мы часто об этом не задумываемся, но в наше время эта отрасль оказалась одной из наиважнейших. С одной стороны, угроза человечеству от парниковых газов, по выбросам которых в атмосферу сельское хозяйство стоит на одном из первых мест, вынуждает подумать о более рациональном ведении этого самого хозяйства.
С другой стороны, есть очень много районов, называемых территориями рискованного земледелия, где климат вовсе не способствует хорошим урожаям. И наша Сибирь – одно из таких мест.
Ну и, наконец, людей на планете становится все больше. И некоторые солидные эксперты время от времени всерьез рассуждают о том, что прокормить растущее количество едоков становится все сложнее.
Если сложить все эти факторы, становится понятно, что выведение суперрастений, которые будут даже в самых суровых условиях и при всех отрицательных слагаемых давать хорошие урожаи – задача планетарной важности. И решать эту задачу желательно как можно быстрее. Поэтому ученые всех стран давно и активно работают в этом направлении.
В последнее время эта отрасль вышла на новый уровень, и все чаще в разработке новых сортов участвуют генетики. Им удалось накопить уже достаточно данных.
Но в этой работе и генетикам, и селекционерам приходится иметь дело и с живыми растениями, которые надо оценить по огромному количеству признаков, в том числе, внешних, и сопоставить эти признаки с генотипом.
Эта работа по анализу внешних признаков, особенно когда речь идет о той же пшенице или других злаках, по трудоемкости часто была сопоставима с упомянутым трудом Золушки.
Сколько нужно времени, чтобы перебрать вручную и осмотреть, описать сотни, а то и тысячи зернышек?
И вот тут на помощь селекционерам может прийти волшебная фея XXI века, разработанная новосибирскими учеными. С одним из авторов технологии мы и встретились в ИЦИГе.
В каких мобильных приложениях «зависают» селекционеры
Кандидат биологических наук Евгений Комышев – сдержанный, чуть застенчивый, немногословный и необъяснимо загадочный, как и многие программисты, с которыми когда-либо приходилось общаться.
«Фенотипирование растений, то есть, оценка таких их характеристик как форма, цвет, размер и так далее – является «узким местом» в плане трудоемкости и технической реализации этого процесса», - говорит он.
В мире существовали программы для морфометрии зерен на основе анализа изображений. Но в большинстве своем они получали изображения со сканера. Полученные изображения анализировались специализированными программами на ПК или ноутбуке и извлекали характеристики зерен.
А именно мобильного приложения для подсчета зерен не было. «И тогда мы с моим коллегой, Михаилом Александровичем Генаевым, решили создать «SeedCounter» - мобильное приложение на платформе Android для морфометрии зерен, - рассказывает Евгений Геннадьевич.
Первую версию разработчики выпустили в 2016 году, потом – в 2017-2018 годах вышли обновления этой программы.
Несмотря на то, что приложение предназначено для решения серьезных задач, работает оно довольно просто. Для того, чтобы проанализировать зерна, нужно рассыпать их на листе бумаги, предварительно очистив их, и распределить их по листу. С помощью приложения сфотографировать зерна. После этого приложение само анализирует полученную фотографию, производит коррекцию перспективы, распознает зерна в листе. И далее анализирует уже их характеристики – размеры, площадь контура и так далее. Пользователь получает в итоге в телефоне все эти параметры и может дальше их анализировать.
Сейчас, по словам ученого, эта сфера во всем мире очень бурно развивается, появляется множество различных программ, в том числе, мобильных. Но они менее специализированы. То есть, предназначены для более широкого класса объектов. Предложение же новосибирских ученых более специализировано, в нем больше функций, необходимых именно для селекционеров и аграриев. Поэтому оно популярно и востребовано.
«Наши приложения скачивают по всему миру, - с удовольствием рассказывает Евгений Комышев. - Больше всего пользователей у нас в Индии, России и Австралии, но есть и в США, и в Великобритании».
По словам ученого, приложение решает две основные задачи. Первая заключается в том, что ручной подсчет зерен трудоемок и затратен, а приложение позволяет подсчитывать сразу большое количество зерен.
«Второй момент, - продолжает Евгений Комышев, - в том, что вручную никто не будет измерять некоторые характеристики зерен. Даже если размер еще можно измерить штангенциркулем или линейкой, то объективно проанализировать, например, шероховатость контура и тому подобные признаки практически невозможно. Приложение позволяет расширить спектр получаемых характеристик и получить гораздо больше точной информации. Наше приложение в основном измеряет морфометрические параметры. Для зерен – это длина, ширина, проецируемая на поверхность площадь, а также параметры контура: целостность контура, его округлость, ассиметрию и т.п. Для колосьев – это, в первую очередь, длина. С шириной несколько сложнее - для этого у нас есть несколько моделей для измерения разных форм колоса».
По словам разработчика, все эти параметры очень важны для аграриев, потому что эти параметры зачастую связаны с урожайностью. Важно знать размер зерна, его количество в колосе. Многие механизмы на уровне генов тоже связаны с формой колоса.
Поэтому все эти измерения важны для селекционно-генетических исследований. Получая большие данные о геноме, нам также требуются данные о внешних признаках, чтобы их сопоставить.
«В настоящее время требуется анализ десятков тысяч растений. Наши методы существенно облегчают этот процесс – удешевляют, повышают точность, исключают человеческий фактор, субъективизм. Все это помогает поддерживать техническую часть исследования. Помимо селекционеров, приложение может помочь и аграриям, например, там, где требуется оперативно оценить характеристики зерна. Оценив с помощью приложения образец в виде сотни-другой зерен, можно сделать вывод о качестве всей партии зерна», - говорит Евгений Геннадьевич. «Хранение зерна связано с изменениями его цвета, - приводит пример разработчик. - Чем дольше хранится зерно, тем оно краснее. И этот параметр связан со всхожестью: чем дольше зерно хранится, тем меньше всхожесть».
Мы помогаем не только другим исследователям, говорит он, но и сами используем свои методы в своих исследованиях.
По словам ученого, приложение позволяет выявить характеристики, которые уже исследованы, оценить эти характеристики и сделать какой-то вывод.
Например, по цвету ячменя можно судить о его пигментном составе. А этот показатель очень важен, так как пигменты связаны с полезными качествами злака. Его можно анализировать на сложном и дорогостоящем оборудовании. А можно теперь – с помощью программы новосибирских ученых.
Кроме «SeedCounter», за последние годы разработчики выпустили для селекционеров и аграриев еще несколько программ: мобильное Android приложение для подсчета мух-дрозофил «FlyCounter», консольное приложение «WERecognizer», которое анализирует характеристики колосьев. Последнее распознает колос, выпрямляет его, строит для него осевую линию, определяет его длину, строит несколько моделей, которые описывают его форму. «Для неспециалиста все это может показаться незначительным, но для селекционеров и аграриев – это очень важные и нужные функции, которые в разы упрощают их работу», - подчеркивает Евгений Комышев. Кстати, у «SeedCounter» тоже есть компьютерная версия.
Сейчас, по словам ученого, они с коллегой работают над обновлением приложения «SeedCounter», в котором будет еще больше возможностей и функций. Новая версия появится уже в ближайшее время.
«Наши приложения помогают в селекционно-генетических исследованиях, целью которых является выведение новых сортов с полезными качествами, такими как повышенная урожайность, устойчивость к болезням, засухе, вредителям», - подытоживает цель своих разработок Евгений Комышев.
Так что, как оказалось, мобильные приложения, к которым мы привыкли в наших смартфонах, могут помогать не только в быту или для развлечений, а решать очень серьезные профессиональные задачи.
«Будущую профессию мне предрекли в детстве»
О себе Евгений Комышев рассказывает не то чтобы неохотно, просто считает себя обычным человеком, который так же любит отдохнуть, просматривая любимые фильмы и сериалы. Жена Евгения тоже ученый-биолог, поэтому разговоры о работе в семье нередки.
Впрочем, одну интересную деталь нам все же удалось узнать.
«Мои родители никак не связаны с наукой: мама – картограф, папа – военный, - рассказывает Евгений Геннадьевич. – Но они сейчас активно интересуются всем, чем я занимаюсь, и поддерживают меня.
Они как-то рассказали мне, что в детстве я, общаясь с людьми, часто любил о чем-либо рассуждать. Наверное, - улыбается ученый, - это было необычно для ребенка. И однажды какая-то женщина, посмотрев на меня, сказала: будет профессором. Так мне еще в детстве «напророчили» будущую профессию».
Ну, а осознанное решение стать ученым, по словам Евгения Комышева, пришло к нему уже в процессе работы: «Я пришел в ИЦИГ на практику, мне дали работу, я втянулся и потихоньку занялся исследованиями. Вообще, анализ изображений заинтересовал меня еще во время учебы в университете. Мне была в принципе интересна мысль о том, что на основе анализа изображений можно извлекать какие-то характеристики растений, которые могут быть полезны».
Есть и еще одна интересная сторона в жизни Евгения – его хобби. «Одно из моих любимых занятий в свободное время – 3D моделирование интерьера», - рассказывает он о своем увлечении.
Ну, а нам пора прощаться с ученым: его ждет работа, а нас – новые знакомства с теми, от кого зависит завтрашний день российской науки.