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大数据解码“植物王国”

来源:经济日报 作者:喻剑 2017-10-31 11:26:56
内容摘要: 大数据与移动互联网正在让人们与“植物王国”的距离变得更近。如今漫步在植物园或者大街小巷,只要打开“形色”“微软识花”或“花伴侣”等手机客户端,对准植物的特征部位扫一扫,就可以在几秒钟内得到关于它的根茎叶花果、分布及生长习性在内的详细信息。

深圳市中国科学院仙湖植物园景色。 本报记者 喻 剑摄

使用“形色”客户端扫描植物后,相关知识马上弹出。 本报记者 喻 剑摄

  植物对环境变化非常敏感,植物大数据研究与运用具有重要意义。我国的植物大数据研究成果已经应用于三峡水淹区多样性调查、濒危物种评估、保护区的有效性评估、入侵种预测、国家重点野生植物分布、中医药植物分析等多个领域,支撑着包括国家自然科学基金、国家科技基础条件平台项目、国家环保公益性行业科研专项等多个项目

  大数据与移动互联网正在让人们与“植物王国”的距离变得更近。如今漫步在植物园或者大街小巷,只要打开“形色”“微软识花”或“花伴侣”等手机客户端,对准植物的特征部位扫一扫,就可以在几秒钟内得到关于它的根茎叶花果、分布及生长习性在内的详细信息。

  “基于收录300多万幅植物图片的中国植物图像库,‘花伴侣’目前可以支持5000到1万种常见高等植物识别。”“花伴侣”创始人李敏介绍,“随着高通量测序技术的发展和基因知识的普及,也许在不远的将来,举起手机扫一扫植物,还能了解它的基因信息。”

  标本数字化是大势所趋

  在信息时代的大背景下,将植物等生物资源的标本数字化,是世界各国相关科学领域发展的基础性工作。数字化获得的大数据,可为多种研究提供权威的数据支持

  与“花伴侣”相似,不少植物识别客户端的数据都来源于中国植物图像库,这是中国科学院植物研究所2008年在植物标本馆设立的专职植物图片管理机构。不仅是植物照片信息,由中国科学院植物研究所牵头、科技部支持的基础平台——国家标本资源共享平台,从2003年创建至今,目前数字化标本总量已达1200多万份,规模已居全球第二。

  植物子平台是国家标本资源共享平台下设的6个子平台之一。该平台目前标本总馆藏量1440万份,模式标本5.8万份,分别占全国总量的67%和80%。发展至今,它集中了我国最优质的标本资源和分类学人力资源,成为我国资源量最大的植物标本信息共享平台。截至2016年底,共完成680万份植物标本标准化整理与数字化表达,创制或数字化了植物志书、野外生境照片、植物名词术语、电子检索表、专家人名录以及各类植物名录等30余个专题数据库,这些信息都通过“中国数字植物标本馆”网站提供在线查询和线下服务,实现了信息共享。

  在信息时代的大背景下,将植物等生物资源的标本数字化,是世界各国相关科学领域发展的基础性工作。“数字化获得之后就是大数据。有了大数据,就可以为生物多样性保护提供更权威的数据支持。”中科院植物研究所工程师刘慧圆说。

  标本数字化的主要内容是采集照片和提取标本信息。“2008年以后,我们统一了对植物标本照片质量的要求——1200万像素以上;对于模式标本则要求通过扫描,形成6000多万像素的高清专业资料。”刘慧圆说,“在标本信息提取上,按照标准录入采集、鉴定、性状等全部信息”。

  信息化手段极大地提升了标本采集、使用的便利性和效率。刘慧圆介绍,“如今野外采集标本可直接在手机上使用专门软件实时录入,随行标配中也有了地图软件、GPS和专业相机;标本数字化极大地方便了查询和使用,研究者可以直接在植物子平台网站在线查阅标本。另外,由于实体标本查阅频次降低,馆藏标本的损耗减少,更有利于长期保存”。

  植物标本的数字化不局限于腊叶标本,有条件的机构还在尝试将植物活体标本信息数字化。位于深圳的国家兰科中心去年起将兰科植物活体的动态生长过程拍照记录并保存下来,目前已在进行数据整理,未来可供使用者直接进行检索查阅。“活体和腊叶标本的数字化采集和使用,有助于我们更快捷、更直观、更清晰地摸清植物资源‘家底’,更有效地保护植物资源。”国家兰科中心主任刘仲健说。

  整合及应用植物大数据

  开展专题科研、提供数据共享和专业服务,是目前植物大数据的主要应用形式。植物大数据成果已应用于多个领域,支撑着多项科研项目

  “植物对环境变化非常敏感。地球环境发生变化,最直观的反应之一可能在植物分布上。例如,气温上升2℃,哪些植物分布可能往北移了,哪些植物分布范围变小了?这是每个地球人应该掌握的信息。”不久前,在深圳举办的第19届国际植物学大会上,国际知名植物学家道格拉斯夫妇参会,道格拉斯·索尔蒂斯作了题为《大数据时代的生命之树重建和生物多样性分布研究》的主旨报告。“对植物大数据进行搜集、整合与分析,能准确了解、预测植物的现状与未来。”道格拉斯·索尔蒂斯说。

  在道格拉斯·帕梅拉看来,植物大数据信息繁杂多样,整合工作有相当大的难度。“除了科学家,社会各界人士都可通过提供资料,参与建设植物大数据。”道格拉斯·帕梅拉说,“未来植物大数据也应当是充分开放的。不只植物学家,普通人也可以利用。比如用手机拍摄一株植物,就能够了解它是否濒危;植物大数据还应当成为政府出台公共政策的参考,比如居民区、工业区、保护区的规划设计等”。

  开展专题科研、提供数据共享和专业服务,是目前植物大数据的主要应用形式。国家标本资源共享平台项目负责人马克平告诉记者,成立14年来,国家标本资源共享平台项目已经跨越以原始数据积累为主的“第一阶段”和标本数据快速增长与专题服务共存的“第二阶段”,进入以数据积累为基础,突出数据共享和有针对性的专业数据服务的“第三阶段”。

  以植物子平台为例,植物大数据成果已经应用于三峡水淹区多样性调查、濒危物种评估、保护区的有效性评估、入侵种预测、国家重点野生植物分布、中医药植物分析等多个领域,支撑的科研项目包括国家自然科学基金、国家科技基础条件平台项目、国家环保公益性行业科研专项、美国自然科学基金项目等多项基金项目。

  中科院植物研究所覃海宁说,2008年启动编制的《中国生物多样性红色名录—高等植物卷》就以中国数字植物标本馆为重要基础,专家通过标本获取植物的分布范围,或者直接通过标本信息进行受威胁状况的评估,历时数年最终确定相关名录。

  打造科学植物园大有可为

  植物园不同于普通公园,是开展珍稀濒危植物迁地保护和科学研究,提供科普教育和旅游服务的综合性机构。发展科学植物园,中国将大有可为

  植物种质资源作为战略资源的意义越来越被重视。

  “在成功提取出青蒿素之前,谁也不会料到人们眼中的‘杂草’黄花蒿,竟然蕴藏了这么大的能量。”深圳市中国科学院仙湖植物园主任张国宏说,“保护植物种质多样性,拯救正在快速消失的植物,其实就是拯救我们自己”。与此同时,作为我国保护植物多样性的最佳场所之一的植物园,也受到越来越多的关注。

  植物园不同于普通的公园,在迁地保护方面,我国的190多个植物园现有本土植物288科、2911属、约2万种,分别占我国本土高等植物科的91%、属的86%、物种数的60%。有些植物在野外自然生长状态下已经绝灭,但在植物园得以栽培保存,保育成就可谓卓越。

  张国宏介绍,从2007年开始,仙湖植物园由深圳市与中国科学院共建,定位升级为集科学研究、科学普及、生态旅游功能于一体的综合性植物园。近年来,仙湖植物园专注于植物种质资源保育和高水平科学研究,保育物种已近12000种,还参与共建了国家标本资源共享平台植物子平台,并创新开展公众科普教育,在国内外形成了一定的影响力。今年6月,仙湖植物园历时13年编撰的《深圳植物志》出版,填补了当地植物志的空白。

  在科学昌明的时代,一流的植物园一定是重视科学研究和传播、具有科学内涵的综合性植物园。

  “英国皇家植物园与爱丁堡皇家植物园都以丰富的植物物种、悠久的历史和强大的科研实力成为世界文化遗产。”张国宏说,虽然仙湖植物园今天已经是国际植物园保护联盟和中国植物园联盟重要成员,但与英国、美国等地的国际一流植物园相比,差距还很明显。“但可以确定的是,发展科学植物园,中国将大有可为。”

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