Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Сведения о фактическом выполнении плана работы в отчетном 2017 году. 1. Проведен дендрохронологический анализ имеющегося материала для региона исследования (кольцевого бореального трансекта) с помощью многомерных статистических моделей и методов теории классификации, имитационной модели Ваганова-Шашкина и ее модификаций, который выявил наличии нелинейных взаимодействий между радиальным приростом древесных растений и лимитирующими климатическими факторами, которые могут быть адекватно описаны соответствующими процессными моделями, например разработанным в рамках данного проекта имитационным VS-осциллографом. 2. Все метеорологические данные (суточного и месячного разрешения) для региона исследования (кольцевого бореального трансекта), используемые в данном проекте, были подвергнуты специальному анализу качества на основе специально разработанных в отчетном году генетических алгоритмов эволюции. Все алгоритмы интегрированы в информационную платформу VS-GENN (http://vs-genn.ru/). 3. Проведены экспедиционные работы по организации и сбору сезонных параллельных наблюдений за камбиальной активностью древесных растений хвойных пород с двух постоянных пробный площадей лесостепной части Южной Сибири. 4. В течении 2017 года в рамках выполняемого проекта функционировал еженедельный семинар, на котором члены временного коллектива по проекту обсудили наиболее интересные работы (более 30) по камбиальной активности древесных растений и связанному с этим моделированию, опубликованные в ISI журналах 1-го квартиля. Начато формирование реферативной базы знаний в данной предметной области, интегрированное в платформу проекта. 5. Разработана и протестирована концептуально новая архитектура разрабатываемой феноменологической модели на основе WEB-технологий, которая позволит в кратчайшие сроки вносить необходимые изменения в алгоритм работы, верифицировать работу данной модели на любых наборах данных, расположенных в любой точке планеты, используя любую компьютерную операционную платформу. 6. Разработан и протестирован на материале кольцевого бореального трансекта новый алгоритм, который позволяет соотнести клеточные размеры с конкретной датой формирования клетки в сезоне роста с точностью до дробной части суток. Такая модель представляет собой фундаментальный инструмент для двухмерного анализа структурных реакций древесины на изменения климата во времени и пространстве. 7. Проведен мета-анализа данных, включающих измерения с 349 участков по 27 видам древесных растений Северного полушария который показал, что размеры трахеид ранней зоны древесины играют определяющую роль в ее плотности, тогда как для поздней древесины наиболее значимым параметром для плотности является толщина клеточной стенки трахеид 8. Разрабатываемая в рамках проекта имитационная модель была апробирована для определения сроков активации клеток камбиальной зоны в начале сезона роста, а также сроков их перехода в состояние покоя в конце сезона роста для хвойных древостоев, расположенных на Тибетском плато (Китай), характеризующимся резко-континентальным полузасушливым климатом. В мета-анализе было проанализировано 3000 мониторинговых деревьев с 25 дендрохронологических участков. Данные модельные оценки были верифицированы при помощи прямых сезонных наблюдений за камбиальной активностью древесных растений, проводимых китайскими коллегами в 2012-2014 гг. на исследуемой территории. Результаты верификации показали, что модельные оценки сроков камбиальной активности статистически не различаются с оценками, полученными на основе прямых наблюдений. 9. В работе была проанализирована изменчивость радиального прироста и соотношения стабильных изотопов (Δ13C и δ18O) в годичных кольцах на двух участках произрастания Pinus sylvestris в лесостепной части Южной Сибири в условиях различных климатических трендов за период с 1940 по 2014 г. 10. Опубликовано 6 статей в ISI журналах, входящих в Web of Science, Scopus, РИНЦ, 5 из которых опубликовано в журналах, входящих в 1-ый квартиль Q1 SJR. 11. 5 статей отправлено и находятся на рецензии в ISI журналах, входящих в Web of Science, Scopus, РИНЦ, Q1. 12. Молодые ученые (Попкова М.И., Арсак А., Тычков И.И.), работающие по проекту, представили свои результаты в виде устных и постерных докладов в 4 международных конференциях и семинарах в России, Эстонии, Испании, Австрии. 13. Результаты, достигнутые по проекту в 2017 году, были широко представлены в ведущих российских средствах массовой информации, таких, например, как: РИА.Новости, Российская газета, Коммерсант.Наука, интернет издания Gazeta.ru. Сведения о достигнутых конкретных научных результатах в отчетном 2017 году. 1. Показано наличие нелинейных взаимодействий между радиальным приростом древесных растений и лимитирующими климатическими факторами, которые могут быть адекватно описаны соответствующими процессными моделями, например разработанным в рамках данного проекта имитационным VS-осциллографом. 2. Создана комплексная база данных климатических наблюдений, состоящая из трех независимых источников (CRU TS GRIDDED; Проект ECA & D; DAILY GLOBAL HISTORICAL CLIMATOLOGY NETWORK (GHCN-DAILY)), которая полностью интегрирована в информационную платформу проекта VS-GENN (http://vs-genn.ru/) и позволяющая получить оценки и прогноза адекватных климатических наблюдений суточного разрешения в любой точке Земного шара, включая бореальный кольцевой трансект проекта РНФ на основе разрабатываемых генетических и нейросетевых технологий. 3. Предложена концептуально новая архитектура разрабатываемой феноменологической модели на основе современных WEB-технологий, которая позволит в кратчайшие сроки вносить необходимые изменения в алгоритм работы, верифицировать работу данной модели на любых наборах данных, расположенных в любой точке планеты, используя любую компьютерную операционную платформу. 4. Было показано, что модифицированная VS-модель с новым алгоритмом (который позволяет соотнести размеры клетки, вышедшей из камбиальной зоны в зону растяжения, с конкретной датой формирования клетки в сезоне роста с точностью до дробной части суток) успешно выявляет особенности роста для деревьев Pinus sylvestris, растущих в чувствительной к засухе холодной среде лесостепной части южной Сибири. Такая модель представляет собой фундаментальный инструмент для кинетического двухмерного анализа структурных реакций древесины на изменения климата во времени и пространстве. 5. На основе мета-анализа данных, включающих измерения с 349 участков по 27 видам древесных растений Северного полушария было установлено, что размеры трахеид ранней зоны древесины играют определяющую роль в ее плотности, тогда как для поздней древесины наиболее значимым параметром для плотности является толщина клеточной стенки трахеид. При этом плотность ранней древесины отрицательно связана с шириной годичного кольца, тогда как плотность поздней древесины – положительно. 6. Мета-анализ смоделированных на основе разрабатываемой феноменологической модели сроков камбиальной активности показал, что многолетняя динамика начала камбиальной активности (начало сезона роста) (SOS) характеризуется отрицательным трендом, а, именно, сдвигом на более ранние сроки старта активации камбия (на 0,28 дня в год) на периоде с 1960 по 2014 гг для холодных полузасушливых климатических условий Тибетского плато. Конец камбиальной активности (EOS), наоборот, характеризуется сдвигом на более поздние сентябрьские сроки (на 0,33 день в год) для периода с 1982 по 2014 гг. Показано, что увеличение на 1°C апрель-июнской минимальной температуры приводит к увеличению на 6-7 дней сроков функционирования камбиальных клеток, удлиняя тем самым период образования древесного кольца. 7. Мета-анализ данных данных по приросту и стабильным изотопам (Δ13C и δ18O) выявил, что зависимость WUEi от дефицита увлажнения была в 3 раза выше в Сибири по сравнению с теплолюбивыми, средиземноморскими популяциями. Данные результаты показывают контрастные будущие траектории P. sylvestris, которые усложняют прогнозирование радиального прироста и секвестрации углерода в холодных и засушливых районах. 8. Все алгоритмы, разработанные и апробированные на различных массивах данных Евразии в течении 2017 года, интегрированы в информационную платформу проекта VS-GENN (http://vs-genn.ru/). 9. Опубликовано 6 (вместо запланированных 4) статей в ISI журналах, входящих в Web of Science, Scopus, РИНЦ, 5 из которых опубликовано в журналах, входящих в 1-ый квартиль Q1 SJR.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Сведения о фактическом выполнении плана работы на год 1. Экспедиционные работы. Для исследований закономерностей сезонного формирования древесины хвойных были отобраны образцы деревьев Pinus sylvestris (105 образцов) и Larix Sibirica (105 образцов)(с. Вершино-Биджа), а также Picea obovata (130 образцов) (с. Туим) в южной полузасушливой части Сибири, входящей в кольцевой бореальный трансект проекта. Для изучения сезонного роста годичных колец выбирались здоровые деревья без видимых признаков повреждения пожарами, насекомыми или человеком, с нормальной развитой кроной из основного яруса. Параллельно на новых пробных площадях проводились измерения приземной температуры воздуха. 2. Измерения анатомической структуры древесных растений хвойных видов. Была продолжена работа по получению клеточных анатомических характеристик годичных колец хвойных деревьев по материалу экспедиционных работ 2017-2018 гг. 3. Сравнительный анализ результатов статистических моделей и имитационного моделирования, усовершенствование параметризации имитационной модели В работе по проекту были использованы статистические линейные модели, имитационная нелинейная модель Ваганова-Шашкина (VS-модель) на новых данных (ширина ранней древесины, ширина поздней древесины и ширина переходной зоны годичного кольца), характеризующих структуру годичных колец на расширенном кольцевом Енисейско-Ленском трансекте. Также велась работа по усовершенствованию автоматической параметризации имитационной VS-модели на основе новых информационных технологий. 4. Интеграция частных моделей в единую имитационную модель с учетом видовой специфики исследуемых древесных пород В ходе работ в 2018 году была уточнена работа частных моделей. Модифицированные алгоритмы, позволяющие с разных сторон и с разной степенью детализации отражать рассматриваемые биологические и физиологические процессы с учетом всех необходимых специфик и ограничений, интегрированы в развиваемую феноменологическую модель проекта. 5. Верификация феноменологической модели решением обратной задачи – расчет кинетических характеристик камбиальной зоны по сформированной двумерной структуре ксилемы Для верификации феноменологической модели были произведены расчеты кинетических характеристик камбиальной зоны по сформированной двумерной структуре ксилемы на примере анатомических (в том числе и сезонных) измерений годичных колец хвойных видов на материале по расширенному Енисейско-Ленскому трансекту. 6. Верификация феноменологической модели и формулируемых количественных закономерностей роста и дифференцировки клеток на основе анализа камбиальной активности различных популяций хвойных В работе была протестирована новая web-архитектура феноменологической модели, позволяющая динамически интегрировать в разрабатываемую модель новые и уточненные блоки дифференцировки клеток ксилемы на основе анализа активности клеток камбиальной зоны. При тестировании (верификации) с использованием суперкомпьютера были задействованы пространственно-распределенные дендроэкологические данные по четырем видам древесных растений (Larix siberica, Larix gmelini, Larix cajanderi, Pinus sylvestris)с 70 участков расширенного кольцевого Енисейско-Ленского трансекта и суточные климатические наблюдения с 64 метеостанций, сопряженных с участками. 7. Обобщение концептуальной модели включением в нее ранее разработанной имитационной модели роста и формирования годичных колец ксилемы в зависимости от внешних факторов (в первую очередь, климатических) Концептуальная модель, как и базовая модель Ваганова-Шашкина, использует 42 входных параметра, которые адекватно оцениваются в автоматическом режиме для различных древостоев и местообитаний. Основными параметрами роста клеток ксилемы являются: (1) Временной шаг камбиальной модели (день), (2) Минимальная скорость роста камбиальной клетки , (3) Начальные размеры клетки (мкм), (4) Размер клетки на момент начала митотического цикла (мкм), (5) Скорость роста в течение митотического цикла (мкм/день), (6) Размер камбиальной клетки, в которой происходит митоз (мкм). 8. План по публикациям (5 статей в изданиях, индексируемых в системе Web of Science и Scopus и 4 статей в РИНЦ) на 2018 год перевыполнен, а именно, опубликовано 9 статей (Web of Science и Scopus), 7 из которых относятся к первому квартилю SJR Q1, и 9 статей в РИНЦ. 1 статья находится в печати в журнале (Web of Science, Scopus, Q1). 9. Результаты работ были представлены на 4-х международных конференциях в виде устных и стендовых докладов молодыми учеными (членами научного коллектива) и руководителем проекта в Германии, Франции, Болгарии и Канаде. Сведения о достигнутых конкретных научных результатах в отчетном году (до 5 стр.) 1. Разделение регистрируемого сигнала сезонной динамики стволов деревьев на составляющие, обусловленные: а) индивидуальными и видовыми особенностями исследуемых древесных растений; б) внешними атмосферными и почвенными условиями. Были проведены статистический анализ и вычислительные эксперименты на базе концептуальной феноменологической модели и данных Енисейско-Ленского трансекта, которые позволили с определенной вероятностью разделить регистрируемый сигнал в годичных кольцах на климатическую и неклиматическую компоненты (Arzac et al., 2018; 2019) 2. Формулировка концептуальной модели функционирования ксилемы хвойных (вариант без внешнего воздействия). Ее количественное представление и разработка алгоритма для компьютерных расчетов. Основой концептуальной модели функционирования ксилемы хвойных являлась «классическая» имитационная модель Ваганова-Шашкина. Была уточнена работа частных моделей (блоков) , а именно, блока по временной привязки вновь образующихся клеток в годичном кольце (TimingProcedure) (Popkova et al., 2018), усовершенствованного блока по продукции клеток на основе нейросетевых технологий (NeuralCellProduction), усовершенствованного блока по оценки конечных размеров клеток (ModeledTracheidograms). Работа модифицированных алгоритмов тестировалась на новых гистометрических данных. 3. Определение ключевых экспериментальных данных, однозначно проверяющих адекватность предложенной модели. Верификация модели с учетом специфики гистометрических, изотопных данных исследуемых хвойных пород. В зависимости от уровня детализации потенциальных задач в дендроэкологии и физиологии древесных растений, в концептуальной модели набор входных данных и параметров может существенно варьироваться (Фонти и др., 2018; Sanchez-Salguero et al., 2018; Santini et al., 2018; Alday et al., 2018). Отметим, что настройка запуска самой модели при решении конкретной задачи может выполняться удаленно (для авторизованного IP) в интерактивном режиме. Верификация отдельных блоков концептуальной модели показала хорошее соответствие модельных результатов с экспериментальными наблюдениями на независимых по времени выборках дендроэкологических данных . 4. Параметризация и апробация модели для описания реакции в анатомической структуре ксилемы, в сезонном цикле ее формирования на изменения внутренних факторов. Было показано, что параметризация VS-модели является мощным инструментом для надежного объяснения взаимосвязи между ростом деревьев, процессом формирования ксилемы, фенологией камбия и ежедневными наблюдениями за климатом (Tychkov et al., 2018). 5. Максимальная интеграция разработанных алгоритмов в информационную web-платформу VS-GENN проекта. Для серверной части проекта была решена проблема технологической разницы, когда разные библиотеки имеют несовместимые форматы обмена данными, протоколы взаимодействия и интерфейсы. В веб-платформе VS выполнена интеграция на уровне данных и все приложения обращаются в единую масштабируемую распределенную базу данных. Взаимодействие модулей системы выполнено на уровне сервисов. Все использованные алгоритмы и модели проекта сохранены в общем репозитории проекта для дальнейшей интеграции, в форме интерактивного вычислительного приложения. Новая архитектура концептуальной модели обеспечивает возможность подключения к удаленным вычислительным ядрам. Удаленные ядра, в свою очередь, позволяют пользователям подключаться к вычислительной экосистеме, настроенной на удаленном сервере, с их локальной машины. 6. Опубликовано 9 статей (Web of Science и Scopus), 7 из которых относятся к первому квартилю SJR Q1, и 9 статей в РИНЦ.