Roślinny Big Brother w SGGW

Gdyby wynalazek prof. Hazema M. Kalajiego powstał kilka lat temu, z dużą dozą prawdopodobieństwa udałoby się powstrzymać wyręb zaatakowanych przez kornika drukarza drzew w Puszczy Białowieskiej. Dzięki zaprojektowanej przez niego prostej w obsłudze aplikacji rolnicy będą mogli odetchnąć i ratować swoje uprawy, gdy szanse na sukces są jeszcze wysokie.

Czytać sygnały

Od lat 90. naukowcy próbowali stworzyć system, który pozwoliłby nieinwazyjnie badać stan roślin i z wyprzedzeniem wykrywać niepokojące zmiany. Takie badania polegają na wykonaniu pomiar sygnału fluorescencji chlorofilu, czyli sygnału wysyłanego przez fotoukład drugiego (PSII), enzym znajdujący się w chloroplastach. Jest on bardzo czuły a zmiana wartości tych sygnałów informuje o tym, że roślina jest poddawana działaniu czynnika stresowego: może to być dźwięk, dotyk, wzrost temperatury, zasolenie, susza, szkodniki. Problem w tym, by odczytać sygnały i odpowiednio szybko zainterweniować. Pomocny w tym jest fluorymetr – urządzenie, które na bieżąco odczytuje sygnał fluorescencji i daje informację o tym, że z rośliną dzieje się coś złego.

Metoda pomiaru fluorescencji pozwala wykrywać zmiany i zapobiegać stratom, zanim pojawią się wizualne objawy. Do tej pory w rolnictwie reagowano dopiero wtedy, gdy zmiany było widać „gołym okiem” – na ogół w momencie, kiedy stresor (choroba, szkodnik, susza itd.) spowodował już istotne i nieodwracalne zmiany w wyglądzie i funkcjonowaniu całej rośliny. Teraz nie trzeba czekać – opracowany system pozwala w czasie rzeczywistym monitorować stan fizjologiczny roślin. Dzięki temu można interweniować na możliwie wczesnym etapie i znaczne ograniczyć negatywne następstwa oddziaływania czynnika stresowego (stresora).

Dzięki połączeniu wiedzy z zakresu sztucznej inteligencji, sieci neuronowych, uczenia maszynowego oraz fizjologii i biologii roślin prof. Hazem M. Kalaji z Katedry Fizjologii Roślin Wydziału Rolnictwa i Biologii SGGW wraz ze współpracownikami z sektora prywatnego (mgr. inż. Ryszardem Grodowskim z firmy Intertech Service oraz pracownikami firmy White Hill z Białegostoku) opracował innowacyjny system do ciągłego monitorowania stanu fizjologicznego roślin. Jak sam mówi – to roślinny Big Brother.

Całe urządzenie nie wygląda skomplikowanie: jest zmodyfikowaną kamerą przemysłową służącą do monitoringu. Ma dwoje oczu: jedno „fizycznie” monitoruje, co dzieje się z roślinami (jest zwykłym okiem kamery), a drugie za pomocą wiązki laserowej mierzy sygnał fluorescencji chlorofilu i przez internet wysyła wynik do komputera lub aplikacji mobilnej zainstalowanej w telefonie. W ten sposób można monitorować stan roślin na żywo, całą dobę: ustawić interwał i w określonym czasie zarejestrować aktualny pomiar. Można też ustawić alarm: gdy dzieje się coś złego z roślinami, aplikacja sygnalizuje, że potrzebna jest interwencja.

W szklarni i w kosmosie

Technologia laserowa dotąd wykorzystywana jest tylko przez NASA, która za pomocą fluorymetrów laserowych montowanych na satelitach monitoruje globalną produkcję fotosyntetyczną roślin lądów i oceanów. Dzięki temu Amerykanie wiedzą, jaka jest produktywność roślin na całym świecie. Pomiary służą celom obronnym – sygnały pochodzące z cyjanobakterii wód przybrzeżnych mogą wykryć ewentualne terrorystyczne ataki biologiczne – a także komercyjnym: Amerykanie mogą przewidywać, jak owocne będą plony w danym regionie świata i reagować na niedobory z wyprzedzeniem, przygotowując odpowiednią strategię ekonomiczno-gospodarczą.

Dzięki prof. H.M. Kalajiemu ten sam system będzie można wykorzystać nie tylko w szklarniach, ale i w lasach oraz na polach uprawnych. Wiązka laserowa umożliwia pomiary na odległość do ok. 300 km – wystarczy odpowiednio wysoki maszt, na którym umieści się kamerę. Jeśli na laser nałożymy system rozproszenia „scatter”, wiązka rozproszy się na wiele punktów. Możliwe będzie więc przeprowadzenie pomiarów w kilku różnych miejscach terenu i uzyskanie danych nie z jednego liścia konkretnej rośliny, ale z większości roślin wchodzących w skład uprawy. Przystosowanie aplikacji do pracy na polu było zresztą jednym z największych wyzwań. Głównym przeciwnikiem aplikacji było światło słoneczne, które zaburzało pomiary. Udało się jednak wyeliminować błędy w wynikach i tak skalibrować urządzenie, by działało niezależnie od zewnętrznego światła. Wielu naukowców na świecie próbowało poradzić sobie z tym problemem, ale dopiero nam się udało – mówi prof. H.M. Kalaji.

Dostępne od zaraz

Aplikacja jest już prawie gotowa. Jest prosta – ma bardzo przejrzysty i czytelny interface –  i tania: wystarczy kamera do monitoringu z wbudowanym fluorymetrem – miernikiem stresu. Oprogramowanie jest oparte na open source. Fluorymetr sygnalizuje zagrożenia aż 2–3 tygodnie (w zależności of rodzaju stresora) przed tym, zanim skutki zaczną być widoczne gołym okiem. Pomiar fluorescencji chlorofilu trwający 1 sekundę informuje o kilkudziesięciu parametrach, a naukowcy powoli uczą oprogramowanie interpretować konkretne sygnały tak, by od razu odczytywało informację i wskazywało, który wskaźnik przekracza normę: czy brakuje czegoś w pożywce, czy warunki otoczenia się niesprzyjające, czy pojawiła się jakaś choroba lub insekt. Dotąd jedynym obrońcą przed stratami była ostrożność: dlatego na duże plantacje (np. szklarnie przemysłowe) wchodzi się jak do sali operacyjnej w szpitalu, w odzieży ochronnej, nie wpuszcza się tam też osób nieuprawnionych. Dzięki wynalazkowi prof. Hazema M. Kalajiego uprawa roślin stanie się dużo łatwiejsza.

Opracowała: Katarzyna Wolanin, Biuro Promocji SGGW