ИСПОЛЬЗОВАНИЕ 3D Java ДЛЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ И

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ 3D Java ДЛЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ И
ВИЗУАЛИЗАЦИИ КЛЕТОЧНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ РАННЕГО ЭМБРИОНА
МОРСКОГО ЕЖА
К.Соболев, С.Ю.Суркова, Д.Л.Кречман, М.Г.Самсонова
Институт высокопроизводительных вычислений и баз данных Миннауки РФ, СанктПетербург
Тел.: (812) 251-00-38, факс: (812) 251-90-92, e-mail: [email protected]
Эмбриональное развитие многоклеточных организмов является одним из самых
загадочных и поразительных биологических явлений. В силу этих причин
эмбириогенез стал предметом пристального изучения как с теоретической, так и с
инженерной точек зрения в различных областях знания, включая информатику. Хотя
за последнее десятилетие получен огромный объем информации о механизмах
эмбриогенеза у животных, универсальной модели этого процесса до сих пор не
создано. Одним из подходов к созданию такой модели является компьютерная
реконструкция эмбрионального развития.
К числу наиболее популярных объектов эмбриологии принадлежит морской еж. Это
объясняется в первую очередь удобством культивирования эмбрионов этого организма
и небольшим количеством (около 2000) образующих зародыш клеток, ведущих свое
происхождение от небольшого числа клеточных линий. В настоящее время с помощью
экспериментальных методов детально прослежены ранние стадии эмбрионального
развития ряда видов морских ежей. На ранних стадиях происходят решающие процессы
морфогенеза – детерминация осей строения организма и судьбы клеток, а также
закладка зародышевых слоев. Характерной особенностью развития морского ежа
является чрезвычайно ранняя детерминация судьбы клеток, которая практически
завершается к моменту образования 60-клеточного эмбриона. Это приводит к
формированию так называемых эмбриональных территорий – областей, образованных
клетками одного типа.
Нами разработана компьютерная система для конструирования и визуализации
клеточной организации раннего эмбриона морского ежа. Построенные модели эмбриона
морского ежа на стадии 2, 4, 8, 16, 32 и 60 клеток использованы для компьютерной
реконструкции ранних стадий эмбрионального развития этого организма.
До стадии 60 клеток эмбрион морского ежа имеет шарообразную форму. Форма клеток,
образующих этот эмбрион, также близка к шарообразной; начиная со стадии 16
клеток, эмбрион составлен из нескольких типов клеток, различающихся по размеру.
Компьютерная система для конструирования и визуализации эмбриональных моделей
создана с использованием технологии Java-апплетов.
При создании апплетов использовались JDK 1.5 и AWT. Таким образом, они будут
работать на любой платформе, поддерживающей технологию Java с установленным JDK
1.5 и выше.
Базовыми элементами являются клетки, изображаемые в виде разноцветных шариков.
Разные типы клеток обозначаются шариками различных цветов и размеров. Новые типы
могут быть легко добавлены на уровне исходного кода.
В задачу конструктора входит создание из клеток различных пространственных
моделей. Входными данными для конструктора является файл, содержащий описание
всех клеток, из которых будет создаваться модель, с указанием их первоначального
положения, включающего геометрические координаты, тип и другие атрибуты. При
этом поддерживается загрузка дополнительных групп клеток из файла. Конструктор
позволяет производить над моделью следующие основные действия:
–
–
–
–
–
вращение с помощью левой кнопки мыши;
масштабирование модели в пространстве;
перетаскивание отдельных элементов в 3D-пространстве;
объединение клеток в группу и выполнение операций с группой клеток.
загрузка группы клеток из файла и сохранение измененной геометрической модели.
Для настройки свойств конструктора используются элементы управления, находящиеся
в окне "controls". Поддерживаются следующие основные функции:
–
–
–
–
–
–
вращение модели вокруг любой из осей на заданный угол;
изменение чувствительности мыши;
изменение коэффициента перспективного искажения;
включение/выключение показа координатных осей;
включение/выключение тумана для лучшей передачи объема;
включение/выключение режима автоматического обновления списка координат клеток.
Как известно, на Java-апплеты наложены ограничения, обуславливаемые
безопасностью в сети. Для решения этой проблемы было найдено следующее решение:
текущие параметры модели отображаются в специальном списке, содержимое которого
может быть записано в файл с помощью буфера обмена. Тот же подход используется и
для записи группы выделенных клеток.
Для просмотра используется отдельный апплет – viewer. Имя файла, содержащего
параметры модели, задается в виде параметра в HTML-файле. Кроме того, каждому
типу клеток может быть назначен URL-адрес, на который будет осуществлен переход
в случае щелчка по любой клетке этого типа кнопкой мыши. Эта функция может быть
полезной при создании баз данных.
Результаты.
Разработан конструктор и осуществлено конструирование моделей эмбриона морского
ежа на стадии 2, 4, 8, 16, 32 и 60 клеток. Разработанный нами визуализатор
позволяет просматривать эти модели с помощью WWW-браузера. Свободное вращение
модели в любом направлении дает ясное представление о взаимном расположении
клеток на каждой стадии развития. Принадлежность клеток эмбриона к различным
территориям обозначена разными цветами. Гипертекстовые ссылки на файлы,
содержащие информацию об отдельных клетках и о клеточных линиях, позволяют
проследить происхождение каждой клетки и установить на какой стадии происходит
ее детерминация.