Компьютерные технологии в биологии: Virtual Herbarium ALTB
2. Дмитриев Денис Александрович
ИТ-проект позволяет успешно реализовывать ряд актуальных задач в области науки, образования, природоохранной деятельности и продовольственной безопасности:
– создание и продвижение первого крупнейшего научного депозитария по фиторазнообразию (совокупность и разнообразие растений) Алтайской горной страны (далее – АГС) в мировой цифровой среде биологических данных;
– предоставление заинтересованным пользователям – ученым, экологам и представителям государственных ведомств охраны природы, обучающимся и исследователям природы, востребованной информации о фиторазнообразии территории АГС и прилегающих территорий;– проведение флористического, биоклиматического, биоресурсного и геоэкологического мониторинга на основании точных данных о распространении хозяйственно-ценных (лекарственные, пищевые и др.), редких и эндемичных и пр. растений с территории АГС;
– стабильная публикация открытых данных о местонахождениях растений высокогорной флоры АГС в Глобальную информационную систему по биоразнообразию (GBIF.org), пополнение единого хранилища биоданных в целях научного обмена информацией;
– развитие и продвижение одного из крупнейших Гербариев России - Гербария ALTB (АлтГУ, Барнаул, седьмое место в РФ), поддержание цифровой коллекции на национальном сервере;– развитие научной грамотности в исследовательских группах обучающихся университета по спецификации Darwin Core, адаптация деятельности исследователей к мировым стандартам, используемых в биологии и экологии;
– решение научных проблем в систематике и морфологии перспективных групп растений, обитающих на территории четырех стран – Россия, Китай, Казахстан, Монголия;
– привлечение ведущих в своей области исследования ученых мира, заинтересованных в изучении биоразнообразия АГС.ИТ-проект представляет собой научно-образовательный комплекс, состоящий из трех компонент: (1) базы данных, представленной на сайте «Virtual Herbarium ALTB» – http://altb.asu.ru/, и индексируемой в GBIF (глобальной информационной системе по биоразнообразию, https://www.gbif.org/) – https://www.gbif.org/dataset/2dda31ff-f776-452f-9a4b-d5229f6e3494), (2) массовых онлайн курсов «Компьютерные технологии в биологии» (на платформе «Единого образовательного портала АГУ» – https://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=2987 и российской образовательной платформы Stepik – http://stepik.org (в разработке)) и (3) сетевой международной площадки для ученых исследователей фиторазнобразия Алтая «Flora Altaica» (http://altaiflora.asu.ru).
Основой для эмпирических сведений базы данных «Virtual Herbarium ALTB» является Гербарий Южно-Сибирского ботанического сада Алтайского государственного университета. Он с 1996 г. включен в международный Союз гербариев мира (Index Herbariorum) под акронимом ALTB. На сегодняшний день это один из самых динамично развивающихся гербариев в России. По количеству числа гербарных образцов он занимает седьмое место в России среди университетских коллекций и коллекций институтов Академии наук (более 450 000 гербарных листов).
База данных «Virtual Herbarium ALTB» содержит цифровую копию гербарного листа, его уникальный номер (ваучер) и электронный вариант этикетки. Совместно с студентами на сегодняшний день для базы данных было оцифровано, набрано и опубликовано 17 350 записей о растительных объектах АГС. Частично работы по наполнению базы данных проводились при поддержке продолжающегося гранта «Научный депозитарий фиторазнообразия Алтайского края и прилегающей территории Алтайской горной страны» (РФФИ, 2019–2021).
Методологическая поддержка, проводимых работ обучающимися по ИТ-проекту по накоплению цифровыми данными по фиторазнообразию АГС, осуществляется в рамках руководств раздела «Глобальные данные о биоразнообразии» онлайн курса «Компьютерные технологии в биологии и экологии» (выполненного на платформе Moodle «Единого образовательного портала АГУ»).
Сайт «Virtual Herbarium ALTB» подготовлен авторами ИТ-проекта и функционально выполнен с использованием языка программирования PHP и для облегчения отделения представления от логики приложения был использован шаблонизатор Smarty. Сайт взаимодействует с базой данных «Virtual Herbarium ALTB» и осуществляет структурированную визуализацию представленных данных с использованием стандартизированного языка разметки документов HTML. Для улучшения визуального представления географического положения представленных в базе данных образцов в проекте был использован API Яндекс.Карт, которые позволяет использовать картографические данные и технологии Яндекса в проекте. Логика созданного приложения позволяет формировать индивидуальную этикетку каждого гербарного листа представленного в базе данных «Virtual Herbarium ALTB».
Для последующей интеграции в Глобальную систему по биоразнообразию (GBIF.org) этикеточные сведения гербария ALTB, содержащие также координаты, были переведены в спецификацию Darwin Core. Darwin Core (http://rs.tdwg.org/dwc/terms/#dwc:identifiedBy) представляет собой, стандарт, разработанный международной группой «International Working Group on Taxonomic Databases For Plant Sciences (TDWG)» специально для обмена и хранения данных в биологии. В нашем случае для подготовки таблиц в csv (содержащих в том числе гиперссылку на цифровую копию на сайт «Virtual Herbarium ALTB») из этикетки гербария были выбраны 20 терминов Darwin Core. Процедура публикации данных в GBIF.org осуществляется с помощью специального программного обеспечения IPT (Integrated Publishing Toolkit), написанного на языке Java и функционирующего как серверное приложение с визуальным интерфейсом, доступным через браузер. IPT работает под управлением веб-сервера Apache и службы веб-приложений TomCat 7. Для нашего узла издателя данных в GBIF был инсталлирован свой IPT – http://altb.asu.ru/ipt (всего в мире 273 IPT узла в 73 странах, в РФ всего 8).
Методологическая помощь проведения флористического, биоклиматического, биоресурсного и геоэкологического мониторинга (в программной среде MaxEnt и DIVA-GIS) на основании точных данных о распространении растений с территории АГС планируется производить на образовательном курсе «Компьютерные технологии в биологии» (на stepik.com). Разработка данного образовательного продукта (онлайн курса) поддержана в рамках грантового конкурса для преподавателей магистратуры Фонда В. Потанина 2019-2020 гг.
Геопространственные данные коллекции уже сегодня позволяют обрабатывать и анализировать фиторазнообразие Алтайского края, прилегающей территории Алтайской горной страны и прочих экорегионов мира в целях установления новых местонахождений растительных объектов, выявления ареалов растений и их перспективных групп – лекарственных, пищевых, редких и эндемичных и пр.
Единой площадкой, которая бы объединила исследователей, заинтересованных в изучении биоразнообразия АГС выступает разработанная нами площадка «Flora Altaica» (http://altaiflora.asu.ru). В ней также собрана научная периодика по фиторазнообразию АГС.
Данные (этикеточные сведения, геопривязки и цифровые копии гербарных листов) хранятся на севере Алтайского государственного университета, доступны открыто через сеть Интернет всем заинтересованным пользователям для обработки и анализа.
Компоненты ИТ-проекта «Компьютерные технологии в биологии: Virtual Herbarium ALTB»:
1. http://altb.asu.ru – веб-сервер Apache, mySQL,PHP, Smarty 3.1, JavaScript,HTML,CSS
2. http://altb.asu.ru/ipt – IPT (Integrated Publishing Toolkit), Java, веб-сервер Apache, службы веб-приложений TomCat 7.
3. http://altaiflora.asu.ru – CMS WordPress.
4. одноименные массовые онлайн курсы «Компьютерные технологии в биологии» – CMS Moodle, функционал платформы Stepik.
6. Darwin Core (спецификация, международный стандарт в биологии) – интеграция Virtual Herbarium ALTB и GBIF.
Выполнение задач ИТ-проекта является целенаправленным исследовательским процессом исследования и сохранения растительного мира Алтайской горной страны в рамках международной программы «Barcode of Life Initiative» (подпроект «BIOSCAN» на период 2019-2026), включенной в основу формируемой системы наблюдения Земли до 2045 года («Planetary Biodiversity Mission»).
Биологическое разнообразие является важнейшим компонентом окружающей среды, непосредственно и опосредованно влияющим на состояние глобальных экосистем и климата планеты. Выполнение мероприятий по изучению и сохранению живых организмов должно осуществляться по мировым стандартам и на высочайшем методологическом уровне, так как данный процесс напрямую влияет на стратегические национальные приоритеты, связанные со здравоохранением и продовольственной безопасностью. Алтайский край и высокогорная территория Большого Алтая, входит в 200 ключевых экрегионов мира, к котором в настоящее время обращено внимание Организации Объединенных Наций и научного мирового сообщества.
Согласно Конвенции ООН о биологическом разнообразии (Conventionon Biological Diversity, CBD – https://www.cbd.int), статьи 17 о необходимости объединения усилий всех стран для оценки собственных биологических ресурсов, а также в рамках выполнения задач сохранения и устойчивого использования биологического разнообразия планеты, сведения о фиторазнообразии АГС в рамках реализуемого ИТ-проекта являются открытыми и общедоступными. Данные находятся в непрерывном обновлении и пополнении актуальными сведениями регулярно. GBIF – сегодня стал единым инструментом объединения цифровых ресурсы по всему спектру организации живого – от генов до экосистем, маршрутизатором в решении важных для науки и общества вопросов с помощью методом информатики биоразнообразия и ГИС сервисов (партнерское соглашение Алтайского государственного университета с GBIF, координатор от АлтГУ – Ваганов А.В.) – www.gbif.org/publisher/943a5811-d56e-4c37-853d-bd64957d3833).
С помощью международной спецификации Darwin Core стала возможна интеграции структурированных данных БД Virtual Herbarium ALTB и GBIF (наборы данных об отдельных находках – Occurrence Data) в трансграничном регионе России, Казахстана, Китая и Монголии.Оцифровка естественнонаучных коллекций является мощным инструментом для систематизации коллекционных фондов и повышения эффективности управления ими через быстрый доступ к образцам и связанной с ними информации. Наличие изображений коллекционных образцов и полных сведений о них в Интернете повышает востребованность коллекций, чаще вовлекая тот или иной образец в научный оборот.
В этом контексте биоразнообразие и знания о нем необходимо рассматривать в качестве базового природного актива, потеря которого может привести к деградации ряда экосистемных услуг, что нанесет ущерб благополучию жизнедеятельности людей. Именно в таком понимании была принята в стране стратегия сохранения редких и находящихся под угрозой исчезновения видов животных и растений и развития охотхозяйственной деятельности в РФ до 2030 года.
В целях реализации данного проекта его координатор принял участие в работе научных мероприятий, организуемых при поддержке GBIF в России: конференция «Информационные технологии в исследовании биоразнообразия» на базе Иркутского научного центра СО РАН; семинаре «Навыки мобилизации данных» под руководством представителей Бергенского университета (проект «ForBio») и Норвежского центра международного сотрудничества в области образования (SIU).
Команда проекта ведет активный поиск ресурсов для развития направления в институтах развития, научных и образовательных фондах.
За чуть более годовой стадии индексации базы данных научного депозитария в GBIF.org выявлен интерес мировыми научными коллективами к данным коллекции ALTB, выраженное ростом цитирования материала ИТ-проекта и включением их в глобальные научные мониторинговые проекты (10 цитирований, https://www.gbif.org/resource/search?contentType=literature&gbifDatasetKey=2dda31ff-f776-452f-9a4b-d5229f6e3494).
Критерии востребованности проекта:
1. Рост числа магистерских диссертаций с междисциплинарным подходом, использующих разнообразные методики из области информационных технологий, ГИС-технологий, биоклиматического моделирования, биоинформатики и молекулярной биологии.
2. Подготовка научных трудов в высокорейтинговых научных изданиях по теме проекта (в том числе индексируемых базами цитирования Web of Science и Scopus) – https://sites.google.com/site/vaganovalexeyv/publikacii.
3. Цитирование датасета «Virtual Herbarium ALTB», размещенного в GBIF.
4. Число обучающихся на российской платформе Stepik.org.
5. Поддержка институтов развития (Фонд В. Потанина, лучший образовательный продукт РФ 2019-2020 гг., Грант РФФИ-Алтайский край, грант 2019-2021 гг.).Ключевой партнер проекта – GBIF работает в партнерстве с другими международными организациями, такими как: Catalogue of Life partnership, Biodiversity Information Standards (TDWG), International Barcode of Life project (iBOL), Encyclopedia of Life (EOL) и GEO.
