виртуальные биологические музеи – новый облик биологии 21

ВИРТУАЛЬНЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МУЗЕИ – НОВЫЙ ОБЛИК БИОЛОГИИ 21
ВЕКА
Тирас Х.П., Майоров С.Р.1
Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Пущино, Пущинский
Государственный университет,
1
Ботанический сад МГУ им. М.В. Ломоносова
21 век принято считать одновременно веком биологии и веком информатики.
Наверное, поэтому не случайно, что именно начало нашего века ознаменовано появлением
новой науки – компьютерной биологии, как особой, пограничной области между биологией
и информатикой, которая появилась и бурно развивается в настоящее время, используя
возможности цифровой фото- и видеотехники.
До этого времени к компьютерной биологии принято относить математическое
моделирование биологических процессов, в том числе с помощью компьютеров, а также
работу с компьютерными банками данных, в основном о первичных последовательностей
нуклеиновых кислот и белков. Однако, по своей сути, биология – это наука о биологических
объектах,
растениях,
животных,
микроорганизмах.
Не
случайно,
именно
базовые
биологические дисциплины – зоология и ботаника, являются ядром так называемой общей
биологии. Поэтому, как самостоятельная биологическая дисциплина, компьютерная
биология начинается только тогда, когда создается электронное изображение (имидж) то или
иного биологического объекта. Именно имиджи живых растений и животных являются
объектом исследования этой науки, а методы анализа этих изображений, в свою очередь,
аналитическим инструментарием компьютерной биологии.
В общем, можно констатировать, что цифровые технологии дают ключ к решению
одной из самых важных проблем общей биологии, как науки: переход ее из разряда
описательных «качественных» – к разряду «количественных» дисциплин.
Действительно, как только мы создали имидж того или иного объекта, мы получили
некий континуум цифр, который можно анализировать с применением всевозможных
формальных, но количественных признаков. Задача перехода к количественной биологии
стоит остро не только в зоологии и ботанике, но и в других биологических дисциплинах,
однако можно констатировать, что сегодня общая биология лидирует в данном направления.
Тем самым, общая биология вновь выдвигается на передовые рубежи в биологии вообще,
получает новое дыхание. Она становится привлекательной для новых поколений биологов, у
которых появляется реальный шанс серьезного продвижения в решение самой главное
задачи биологии – описания живой Природы нашей планеты. По экспертным данным, в
настоящее время на Земле проживает порядка 15 миллионов видов животных, растений и
микроорганизмов, а описано всего около 1.75 миллиона. Ясно, что традиционными методами
невозможно решить проблему биологического, а тем более фенотипического разнообразия.
Одним из новых путей решения этой проблемы является создание и анализ электронных
изображений животных и растений.
Метасистемным (по терминологии В.Ф.Турчина) является и другое последствие
широкого применения цифровых технологий: в биологию возвращается цвет. Ведь еще на
заре ботанической науки, когда К.Линней создавал классификацию растений, такие
параметры, как цвет, вкус и запах объекта были “изгнаны” из науки. Тогда было просто
невозможно точно отобразить и сохранить эти, несомненно, важные биологические
признаки. И вот, благодаря цветным электронным фотографиям и сканерам, стало
возможным реально зарегистрировать и использовать для дальнейшей оценки цвет объекта.
Одним из первых реальных результатов компьютерной революции в биологии стала
создание первых виртуальных биологических коллекций или музеев (Тирас, 2000, 2001,
Тирас и др., 2001а, б, Тирас, Майоров, 2001). Впервые в России создается Пущинский
виртуальный биологический музей, на базе высокопроизводительного вычислительного
кластера (сервер SGI Origin 200). Его особенностью является то, что в собранных
коллекциях представлены так называемые “плоские” объекты, то есть те биологические
объекты, морфология которых с максимально возможной полнотой может быть
представлена в виде двумерной проекции. К ним относятся листья растений, крылья бабочек
и стрекоз, плоские черви планарии и ряд других зоологических групп.
Любой пользователь сети Интернет сможет войти в сервер виртуального музея и
получить электронные изображения (имиджи) растений и животных с необходимым ему
качеством. Предусматривается трехуровневая система сохранения изображений: в виде
“легких” и “средних по весу” .jpg-файлов в прямом доступе на сайте виртуального музея, а
также “тяжелых” .tiff-файлов, которые отправляются пользователю по специальному запросу
либо на компакт-дисках, либо по сети. Имиджи листьев растений создаются с помощью
планшетных сканеров с разрешением 600 dpi, а имиджи бабочек и планарий - путем
сканирования цветных слайдов с разрешением 2820 dpi. Для постоянного хранения
первичная информация переносится на ленту. Сохранение оригинальных изображений на
слайдах обеспечивает дополнительный вариант сохранения информации.
Методология создания музея состоит, в том числе, в формировании экспертных
групп, которые вырабатывают внутренние стандарты создания файлов разных групп
объектов. После этого, любой посетитель сети сможет принять участие в пополнении
коллекций музея, присылая свои собственные имиджи по электронной почте или на компакт-
дисках. Такая структура музея позволит радикально расширить географию мест сбора
первичной информации, а также число коллекторов материала. К настоящему моменту
создана первая коллекция листьев липы (Tilia cordata Mill.), дуба (Quercus robur L.) и клена
(Acer platanoides L.) юга Московского региона, по 50 листьев с 10 деревьев в четырех
реперных точках Московской и Тульской области. Эта коллекция занимает 110 Ггб дисковой
памяти, а также скопирована на ленточный носитель. Назначение этой выборки – как
первичная отработка технологии сканирования листьев растений, хранения исходного
массива данных и подобных технических задач, так и сугубо биологические цели.
Необходимо научиться описывать форму живых объектов, так как тривиальные измерения
длины, ширины, частей листа для растений с их открытым ростом малоинформативны.
Возможность формализованного описания биологических объектов позволит строго
количественно охарактеризовать базовое, внутривидовое биоразнообразие формы этих
объектов , что даст возможность исследовать это явление, из слоганов зеленого движения
вернуть этому понятию научное содержание. Появляется еще один способ оценить внутри- и
межпопуляционное разнообразие, изучить географическую изменчивость биоразнообразия.
Выбор
видов
деревьев
–
объектов
изучения
–
обусловлен
следующими
соображениями. Это широко распространенные и хорошо известные виды, не имеющие в
этой части ареала похожих видов, что позволяет избежать ошибок при первичном сборе
материала. С другой стороны, листья этих деревьев имеют достаточно сложную форму. Есть
надежда, что отработанные на таких модельных растениях алгоритмы будут применимы к
широкому кругу объектов.
Ценность любой коллекции состоит в том, чтобы она была востребована возможно
более широким кругом пользователей. Поэтому, первостепенной задачей коллекции листьев
растений юга Московской области является создание экономичной системы мониторинга
окружающей среды региона. Наша коллекция будет включать имиджи растений
экологически «чистых» и «грязных» точек области, будут разработаны методы анализа
изображений для
количественного сравнения состояния листьев из соответствующих
городов. Например, листья из Троицка будут сравниваться с листьями из Подольска,
пущинские с серпуховскими и т.д. На первом этапе проекта надо отработать алгоритмы
самого анализа изображений и выбрать подходящее дерево для такого анализа.
Не менее важен и этический аспект проблемы. Представляется особо ценным, что
для создания виртуальных коллекций животных надо создавать имиджи, по возможности, в
естественных для них условиях. Для этого животных не надо умерщвлять, а, наоборот,
создать им наилучшие, комфортные условия съемки, чтобы полученное изображение было
максимально точным, то есть наиболее информационно ценным. Это удается сделать в
случае с плоскими червями – планариями. Исключением пока остаются бабочки и другие
насекомые, для которых не удается подобрать подходящих условий, поэтому на первом
этапе коллекции имиджей насекомых будут формироваться путем фотографирования и
последующего сканирования имеющегося коллекционного материала.
Особое значение виртуальные биологические музеи имеют для среднего и высшего
образования. Под руководством научных сотрудников и преподавателей студенты и
школьники могут работать над созданием и поддержанием, как самих коллекций, так и их
веб-версий. При этом студенты-биологи одновременно получат знания в области
информатики и овладеют информационными технологиями, которые будут им нужны в
последующей научной работе. Так, в создании Пущинского виртуального музея
непосредственное участие принимают студенты биофака МГУ и студенты, и магистранты
Пущинского госуниверситета. Планируется расширить рамки взаимодействия университетов
в этом направлении, включить работу по созданию виртуальных коллекций растений юга
Московского региона в качестве одного из направлений летних практик студентовботаников биофака МГУ в Пущине на базе Пущинского виртуального музея.