Принципы работы программного обеспечения LAMINA и режима MATLAB для измерения параметров листьев при изучении флуктуирующей асимметрии
Введение
Обычно мы ожидаем, что большинство листьев растений будут с обеих сторон симметричны. Однако вследствие отклонений от нормальной программы развития, которая приводит к 'ошибкам' в симметрическом ожидании структур и размеров листьев, мы можем наблюдать такое явление как флуктуирующая асимметрия. Асимметрия будет проходить по-разному для каждого листа, поскольку она возникает вследствие разрушения стандартной формы. Проблема измерения симметрии листьев растений связана с тем, что листья являются изменчивыми объектами, не имеющими какие-либо гомологичные признаки, постоянную топологию, стабильные количественные показатели, а иногда и вообще общих признаков. В связи с этим, несмотря на огромное количество известных и общепринятых методов оценки асимметрии объектов, измерение флуктуирующей асимметрии при изучении листьев растений крайне затруднено.
Однако последние научные разработки позволили использование такого компьютерного инструмента исследования, как непрерывные меры симметрии, который используется в сопряжении с программным обеспечением LAMINA, Leaf Shape Determination (в пер. с англ. «определение формы листа). Данная программа ориентирована на измерение расстояния симметрии, в частности и у листьев растений, позволяя быстрее и эффективнее обрабатывать большое количество изучаемых образцов.
Автоматический характер программы позволяет проводить измерения большого количества образцов за минимальный промежуток времени с минимальным процентом ошибок измерения, что, несомненно, является огромным достижением в области исследований данного вопроса.
1. Принципы работы программного обеспечения LAMINA и режима MATLAB для измерения параметров листьев при изучении флуктуирующей асимметрии
Обычно биологи, изучающие флуктуирующую асимметрию (т.е., случайные отклонения от идеальной симметрии) растений, используют подход измерения асимметрии ширины листа или длины жилки на правой и левой стороне. Однако такой подход отражает лишь линейные размеры, а обрабатывать листья по очереди крайне трудоемкое занятие. Кроме того, такие измерения не охватывают параметры формы листа.
В связи с этим научное сообщество уже долгое время стремится разработать универсальный подход с высокой пропускной способностью, который сможет автоматически измерять асимметрию формы десяти или более листьев всего в три этапа. Таким образом, был разработан планшетный сканер с программным обеспечением LAMINA и режим MATLAB, который оценивает асимметрию объекта, имеющего зеркальную симметрию.
Данная технология использует непрерывные меры симметрии, которые могут использоваться для оценки расстояния асимметрии непостоянных объектов, имеющих переменные числа структурных элементов, как например, разное количество лепестков, пазух и жилок на правой и левой стороне листьев.
Непрерывные меры симметрии определяют асимметрию любого типа и во всех плоскостях. Это гибкий инструмент для анализа отклонений от идеальной симметрии листьев растений, основанный на понятии групп симметрии, которые являются абстрактными группами сохраняющих симметрию трансформаций, например, отражение, трансляция, повороты или сочетание всех трех трансформаций.
Данное понятие опирается на точку зрения абстрактной алгебры, согласно которой симметричный объект является рядом неизменных параметров при действиях любого элемента конкретной группы симметрии. Например, равнобедренный треугольник в двух плоскостях имеет одну ось зеркальной симметрии, которая проходит через вершину и середину фигуры. Равнобедренный треугольник используется в качестве основной математической фигуры, имитирующей листья растений
Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы
.
Вычисление непрерывной меры симметрии происходит с помощью использования метода разворачивания и сворачивания листа, отраженного в двухмерной зеркальной симметрической структуре. При использовании данного метода для оценки расстояния симметрии листа проводится соответствие каждой пары точек, отраженных через зеркальную ось симметрии (по сгибу листа). После этого рассчитываются усредненные значения для каждой пары, а данные отражаются относительно зеркальной оси симметрии уже в развернутом виде листа.
Данный подход к измерению листьев растений предполагает, что при определении параметров любого образца не используется ни одна стандартная симметричная форма, с которой проводились бы какие-либо сравнения или преобразования. Поэтому данный подход может обобщенно применяться к любому объекту в любом измерении.
На практике непрерывные меры симметрии листа оцениваются посредством измерения одинаковых интервалов между точками вокруг краев листа. Далее устанавливается единая ось симметрии, которая проходит через вершину (первая точка выборки параметров) и вдоль центральной жилки листа.
2. Особенности использования технологии LAMINA
Таким образом, программное обеспечение LAMINA, совместно с методом непрерывных мер симметрии, может успешно использоваться для оценки асимметрии формы листьев растений. Данный метод, основанный на зеркальной симметрии неправильных объектов, дает возможность проводить оценку расстояния симметрии для объектов, имеющих от трех до 200 сторон (т.е., в основу измерений может быть положена как форма треугольников, так и многоугольников).
Форма объекта или конфигурация его базовых точек, является основополагающей информацией, когда все другие параметры исключены в ходе исследования. Однако большинство листьев имеют всего две постоянные точки, которых недостаточно, чтобы провести оценку формы. И поскольку эти точки находятся на оси зеркальной симметрии, они не могут использоваться для оценки асимметрии формы. Одной из таких точек является вершина листа, где середина жилки пересекает край листа на верхушке листа. Другая точка находится там, где черенок соединяется с пластиной листа. Программа LAMINA позволяет задать параметры только одной из этих двух точек, параметры вершины листа. Если значения обеих точек известны, их можно использовать для создания оси зеркальной симметрии. Другие равноудаленные друг от друга точки, которые определяются по часовой стрелке вокруг края листа от вершины, являются полуориентирами, которые определяются относительно точки вершины листа.
Некоторые сложности в стабильности применения алгоритма программа LAMINA испытывает при изучении листьев, форма которых близка к округлой, как например листья настурции. Это связано с тем, что форма изучаемого объекта по линии опорных точек будет приближаться к равностороннему треугольнику, который имеет три оси, а не к равнобедренному треугольнику, имеющему всего одну ось. То же самое происходит и в объектах, имеющих более трех сторон. У листа четырехугольника, например, может быть две оси зеркальной симметрии (одна располагается параллельно главной жилке, а другая перпендикулярно ей).
Однако при алгоритме, который используется в программе LAMINA, ось симметрии может проходить только через точку вершины листа. Следовательно, построение других осей симметрии, перпендикулярных главной жилке и проведение измерений относительно них невозможно. Тем не менее, если бы алгоритм не ограничивал бы ось симметрии таким способом, варианты, вероятно, сами сузились бы после сравнения оригинала с воссозданной симметрией листьев
50% реферата недоступно для прочтения
Закажи написание реферата по выбранной теме всего за пару кликов. Персональная работа в кратчайшее
время!
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
Задать вопрос
