Центральный сибирский ботанический сад СО РАН
Институт цитологии и генетики СО РАН
Институт вычислительных технологий СО РАН

Мировая практика показывает, что для сохранения биоразнообразия и природных экосистем необходимо решение трех принципиальных задач: экспериментальное и теоретическое изучение; накопление и поддержка получаемой информации в базах данных; информационно-компьютерный анализ данных.

В Институтах СО РАН за многие годы накоплены огромные объемы данных по природным экосистемам и разнообразию растительного и животного мира Сибири. Большая часть этой информации хранится в лабораторных журналах исследователей, недоступна внешним пользователям и фактически будет безвозвратно потеряна в самое ближайшее время если не будут приняты меры по ее сохранению.

Проблема устойчивого развития требует создания методов предсказания глобальных тенденций в динамике биоразнообразия и экосистем на основе их моделирования. Необходимы количественные критерии не только для оценки биоразнообразия на разных иерархических уровнях природных систем, но и при создании классификаций и при анализе процессов, протекающих в этих системах под влиянием различных природных и антропогенных факторов. Современные информационные технологии позволяют успешно решать эти задачи, расширяя фактографические и концептуальные знания о природе биоразнообразия и динамике экосистем. Еще одной мировой тенденцией в области изучения биоразнообразия и динамики экосистем является создание глобальных информационных ресурсов на основе объединения в единую информационную среду баз данных, пакетов программ для анализа и моделирования, что позволяет осуществлять комплексные исследования, научный прогноз и принятие обоснованных управленческих решений для рационального использования природных ресурсов.

Доклад посвящен описанию работ по программе "Электронная библиотека Сибирского отделения РАН" в рамках междисциплинарного проекта Отделения "Фундаментальные проблемы биоразнообразия и динамики экосистем", руководители академик Шумный В.К. и академик Шокин Ю.И., и проекта РФФИ 99-07-90222 Электронный атлас "Биоразнообразие животного и растительного мира Сибири", руководитель академик Коропачинский И.Ю. Исследования ведутся в рамках 4 направлений:

1. Создание онтологии биоразнообразия животного и растительно мира и динамики экосистем. - концептуальное и формализованное описание ключевых понятий, объектов, и взаимосвязей между ними, а также представление этих описаний в виде иерархии компьютерных баз знаний: создание онтологии биоразнообразия животного и растительного мира; создание онтологии возникновения генетического разнообразия, видообразования, макроэволюционного и микроэволюционного процесса; создание онтологии биологических сообществ и экосистем; интеграция перечисленных выше онтологий в глобальную онтологию биоразнообразия и динамики экосистем; приведение создаваемой онтологии в соответствии с международными стандартами; создание системы сопровождения и средств сетевого доступа к ней через WEB сервер.

2. Создание банков данных и электронных коллекций описания биоразнообразия и динамики экосистем: - накопление и разработка технологий автоматизированной актуализации в банках данных и электронных библиотеках информации о биоразнообразии животного и растительного мира и динамики экосистем Сибири, полученной биологическими институтами СО РАН в результате многолетних исследований, а именно:

   Создание электронных коллекций по биоразнообразию растительного и животного мира Сибири, включая следующие разделы: интернет каталог растений Сибири, растительные сообщества Сибири, редкие и исчезающие виды и растений Сибири, определители таксономической принадлежности, лекарственные растения, генофонд с/х растений, древесные растения, красные книги, кормовые и технические растения, декоративные растения, пищевые растения, таксономическое разнообразие растений Сибири, генетическое разнообразие растений, видовое разнообразие насекомых, земноводных, млекопитающих и птиц Сибири; хромосомная изменчивость природных популяций, генетическое разнообразие на видовом и популяционном уровнях; организация и эволюция хромосомных наборов видов млекопитающих Северной Евразии, природно очаговые заболевания и др.

   Создание баз данных по биоразнообразию почвенных, лесных степных, водных и болотных экосистем Северной Евразии: генотипическое и фенотипическое разнообразие; функции отклика экосистем на естественные изменения и антропогенные флуктуации параметров внешней среды; коренные и производные типы лесоболотных комплексов Сибири; характеристики физико-химических и биологических компонент экосистемы меромектических озер, экосистемное разнообразие степей Центральной Азии; разнообразие сред обитания почвенных микроорганизмов; химический элементный состав растительных сообществ мира.

3. Информационное моделирование биоразнообразия и динамики экосистем - анализ информации, накопленной в базах данных, выявление фундаментальных закономерностей возникновения и поддержания биоразнообразия и динамики экосистем:

   Моделирование молекулярных механизмов возникновения и поддержания генетического разнообразия, нейтральных и адаптивных режимов эволюции популяций и экосистем; процессов видообразования; механизмов возникновения иерархической организации экосистем и ее роли в обеспечении устойчивости эволюции; факторов, обеспечивающих устойчивость динамики экосистем, и их перехода к катастрофическим режимам эволюции.

   Эколого-фитоценотический анализ экосистем: построение портретных моделей структурного биоразнообразия растительного покрова; создание информационных моделей регионального уровня для отдельных лесорастительных провинций Сибири; моделирование функций отклика древесных растений на региональные и глобальные изменения климата и создание информационных подходов к естественной классификации растительного покрова Северной Евразии на базе многомерных связей современной растительности с климатом и почвами; моделирование сукцессий лесной растительности под влиянием природных и антропогенных факторов; информационное моделирование экосистемного разнообразия и динамики лесных и лесоболотных экосистем.

   Анализ и моделирование фитоценотического и экосистемного разнообразия растительности Сибири и закономерностей его структурно-динамической организации: классификация растительных сообществ по их экологической приуроченности; разработка алгоритмов выделения экосистем на основе растительных сообществ с привлечением ботанических и зоологических данных; выявление дизъюнкций в ареалах видов и флористических границ на территории Сибири; реконструкция областей вероятного распространения видов растений, занесенных в региональные Красные книги; выявление центров концентрации биоразнообразия; анализ пространственных факторов на динамику растительных сообществ.

   Моделирование, классификация и анализ животных сообществ: разработка методов классификации животных сообществ и выявления структур неоднородности животного населения, создание методов для определения зависимостей между неоднородностями животного населения и изменчивостью растительности, почв и других факторов среды; моделирование и анализ временной динамики неоднородности распределения животных сообществ на основе балльных и номинальных характеристик среды.

   Моделирование связи между техногненным загрязнением окружающей среды и динамикой биоразнообразия: разработка методов решения задач химической трансформации загрязняющих примесей в атмосфере индустриальных районов Сибири; исследование динамики техногенного загрязнения окружающей среды исследуемых районов; расчеты и оценка масштабов и областей влияния удаленных источников загрязнения и трансграничных переносов на регионы Сибири; районирование Сибирского региона по техногенной нагрузке на окружающую среду и степени воздействия на биоразнообразие; прогноз районов с негативной динамикой биоразнообразия.

   Моделирование и анализ пространственной информации по биоразнообразию и динамике экосистем: изучение закономерностей пространственной и структурно-динамической организации растительного покрова Сибири, способов ее отображения в электронных картографических вариантах; выявление основных типов пространственных структур растительных сообществ; моделирование динамических характеристик экосистем и объектов биоразнообразия, а также прогноз их развития на основе анализа распределенной и пространственной информации.

4. Создание распределенного сервера "Биоразнообразие и динамика экосистем Северной Евразии" с доступом через среду Интернет. Целью этой работы является интеграция информационных и программных ресурсов (баз данных, моделей пространственной информации; средств анализа и моделирования), создаваемых в ходе выполнения проекта. Сервер предназначен для: хранения и актуализации информации по биоразнообразию и динамике экосистем; оперативного доступа к этой информации; комплексного анализа биоразнообразия на основе одновременного рассмотрения информации о различных типах экосистем и моделирования их динамики; принятия управленческих решений по сохранению биоразнообразия на региональном уровне. Информационная система доступна через среду Интернет с использованием различных сетевых протоколов и методов доступа институтам Отделения, другим организациям России и международного сообщества, работающим в области биоразнообразия и динамики экосистем. В системе предусматривается несколько уровней доступа и защиты в зависимости от прав, предоставляемых пользователю или организации (публичный, авторский, исследовательский, административный и др.). Отрабатывается технология объединения этих ресурсов обеспечивающих эффективный комплексный поиск и анализ информации в коллекциях разнородных объектов; представление разнородной информации в удобном виде для конечного пользователя; разработка удобных человеко-машинных интерфейсов, направленных в том числе на поиск и актуализацию данных; согласование используемых стандартов и технологических решений.

   Список литературы

   1. Шокин Ю.И., Федотов А.М. Распределенные информационные системы // Вычислительные технологии, Том 3, N 5, 1998.
   2. Коропачинский И.Ю., Шокин Ю.И., Байков К.С., Ермаков Н.Б., Федотов А.М. Электронные публикации биологических данных. // Тезисы IV Международного рабочего совещания по электронным публикациям (El-PUB-99). Новосибирск, 1999.
   3. Федотов А.М., Артемов И.А., Ермаков Н.Б., Красников А.А., Потемкин О.Н., Рябко Б.Я., Федотов А.А., Хорев А.Г. Электронный атлас "Биоразнообразие растительного мира Сибири" // Вычислительные технологии, Том 3, N 5, 1998.
   4. Байков К.С., Ермаков Н.Б., Красников А.А., Коропачинский И.Ю., Потемкин О.Н., Рябко Б.Я., Федотов А.М., Хорев А.Г., Шокин Ю.И. "Биоразнообразие животного и растительного мира Сибири" (Проект).
   5. Байков К.С., Банаев Е.В., Ермаков Н.Б., Железнов А.В., Киселева Г.Н., Коропачинский И.Ю., Резникова Ж.И., Рябко Б.Я., Соловьев В.С., Федотов А.А., Федотов А.М., Фролов А.С., Харитонов А.Ю., Хорев А.Г., Шумный В.К. Электронный атлас "Биоразнообразие животного и растительного мира Сибири" // Тезисы IV Международного рабочего совещания по электронным публикациям (El-PUB-99). Новосибирск, 1999.
   6. Коропачинский И.Ю., Шокин Ю.И., Шумный В.К., Ермаков Н.Б., Колчанов Н.А., Федотов А.М. Электронный атлас "Биоразнообразие животного и растительного мира Сибири" // Труды первой всероссийской конференции "Электронные библиотеки: перспективные методы и технологии, электронные коллекции". - РФФИ, СПбГУ, РАН: 1999. - С. 187-192.
   7. Шокин Ю.И., Федотов А.М. Электронная библиотека Сибирского отделения РАН // Доклад на российско-британском семинаре "Электронные библиотеки", Москва, 17-19 июня 1999 г. // Электронные библиотеки. - 1999, Т. 2, вып. 4.
   8. Шокин Ю. И., Федотов А. М. Электронная Библиотека Сибирского отделения РАН (Проект).
   9. Ермаков Н.Б., Коропачинский И.Ю., Седельников В.П., Федотов А.М. База данных по редким и нуждающимся в охране растительным сообществам Сибири // Тезисы IV Международного рабочего совещания по электронным публикациям (El-PUB-99). Новосибирск, 1999.
   10. Коропачинский И.Ю., Шокин Ю.И., Байков К.С., Ермаков Н.Б., Федотов А.М., Хорев А.Г. Электронные публикации биологических данных // Информационный бюллетень "Геоинформационные технологии в СО РАН", 1999, вып. 6.
   11. Байков К.С, Коропачинский И.Ю., Красников А.А., Федотов А.М. Информационная система (база данных) "Интернет каталог растений Сибири"
   12. Ермаков Н.Б., Красников А.А., Федотов А.А., Федотов А.М., Хорев А.Г. Информационная система (база данных) "Флора Новосибирской области" // Тезисы IV Международного рабочего совещания по электронным публикациям (El-PUB-99). Новосибирск, 1999.
   13. Байков К.С., Ермаков Н.Б., Коропачинский И.Ю., Федотов А.М., Хорев А.Г., Шокин Ю.И. К вопросу создания электронной библиотеки Электронный атлас "Биоразнообразие растительного мира Сибири" // Информационный бюллетень "Геоинформационные технологии в СО РАН", 2000, вып. 11.