盘点改变数据理解的四大可视化方法

果蝇卵母细胞中细胞间的相互联系(左)由一维网络显示(右)。

资料来源:jasmin imran also usand & Paul villoutreix

巧妙的可视化可以改变生物学家对数据的理解。考虑到细胞中的每一个核糖核酸分子都可以被测序，或者硬盘驱动器可以在一天之内装满显微图像，生命科学家们正越来越多地寻找巧妙的可视化方法来理解他们收集的大量原始数据。

今年3月，在德国海德堡举行的欧洲分子生物学实验室会议上，一些目前让生物学家兴奋不已的可视化方法被展示出来。这个名为“生物数据可视化”的会议是由澳大利亚悉尼加文医学研究所的生物信息学专家塞恩·奥东戈休联合组织的。这次会议吸引了大量的实验室研究人员、计算机专家和设计师，并且是第七年举行的。

《自然》杂志最近推出了一些奥东·休选择的可视化方法，这些方法有望改变生物学。

细胞流线

生物信息学博士后尼科·舍夫(Nico Scherf)发现，当细胞发育成斑马鱼胚胎时，利用激光薄层扫描显微镜，细胞会改变路径，形成不同的生殖层和器官。这项技术是由德国马克斯·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所的舍费尔主管发明的。他说，当追踪每条斑马鱼细胞路径时，“你最终得到的是每条路径形成的‘毛球’。”为了从这些“毛团”中学习到一些东西，舍夫借鉴了一些用于分析大气和海洋环流的流体动力学方法。“你需要做的只是绘制出为细胞运动提供‘高速公路’的主要流线。”

为此，舍夫编写了一些软件来分析图像，并根据请求与他人分享。到目前为止，他的方法已经表明，导致器官发育异常的突变只会在斑马鱼发育的早期改变细胞的运动。舍夫认为，研究其他生物发展的人也可以从这种方法中受益。

抽象连接

美国普林斯顿大学的发育生物学家贾斯明·伊姆兰·艾尔索斯受到毕加索的启发。当时，她正试图理解果蝇卵室的显微图像。卵室是受精卵经历4次不完全和不对称分裂后形成的鱼雷形室。

艾尔索斯的导师寄给她一篇关于毕加索版画的文章，在这篇文章中，公牛被越来越抽象地描绘出来。奥尔索斯认为，同样的原理可以应用于描述蛋室。

她将卵细胞腔的荧光显微镜图像转换成一串数字，清晰地显示出每个细胞与其他细胞的联系。使用这种抽象的方法，奥尔索斯发现72种可能的卵细胞组合中的一些更常见。目前，她正在测试不同的组合是否会影响果蝇胚胎的生长和发育。

更好的细胞模型

ODonoghue说，他第一次尝试想象脂肪细胞对胰岛素的反应，最终获得了一个由十字形分子路径形成的“毛团”。一位同事曾经研究过细胞中数百种不同的蛋白质如何在一小时内被磷酸化(通常是活化蛋白质)以对胰岛素做出反应。此时，细胞停止燃烧脂肪来产生能量，并开始合成糖和储存脂肪。

为了驯服这个“毛球”，奥多尼奥修受到了19世纪法国土木工程师查尔斯·约瑟夫·米纳德创作的著名图表的启发。该图表描绘了拿破仑对俄罗斯的灾难性入侵，并将包括军队数量和地形在内的六种类型的数据整合到二维空间中。由ODonoghue绘制的图表显示了用胰岛素处理的细胞。它看起来像一个时钟，连续的磷酸化事件在细胞周围顺时针移动。该图还描述了蛋白质在细胞中的位置及其与其他分子因素的关系。

ODonoghue说，从可视化中获得的主要见解之一是细胞如何对胰岛素做出快速反应。在这个过程中，许多变化将在前15秒内发生。"这个圈子里的许多人都对这种突然的性质感到震惊。"

ODonoghue希望其他人也能使用这种方法来描述其他动态事件，如细胞周期。与此同时，他已经为这种做法创建了一个在线指南。然而，现在，“你必须进行大量的手动调整。”

计算机视觉

在细胞和分子水平上研究生命的生物学家并不是唯一手头有太多数据的人。据估计，地球上80%以上的生物尚未命名。许多寻找新生命形式的分类学家会发现一些未命名的生物，无论是在热带雨林、海底还是在地下室的植物标本室。

澳大利亚联邦科学和工业研究组织的昆虫学家和该国生物地图集机构的负责人约翰·拉·萨勒是一位使用被称为计算机视觉的三维建模技术的科学家。该软件最初是基于工厂机器人和火星探测器开发的。如今，它可以使用甲虫或恐龙骨骼等物体的数码照片来创建数字模型。从这些三维模型中，计算机可以自动测量样本特征，用于确定一个生物与其他物种和同一物种的其他成员的关系。

拉萨尔的团队正在使用计算机视觉来更好地描述澳大利亚的生物多样性。其他人利用这项技术将植物标本馆和自然历史博物馆的藏品数字化。“如果我们的目标是改变地球上发现生物多样性的方式，我们就必须努力创新。”拉萨尔说。(宗华)

《中国科学报》(2016-07-13，第三版国际版)