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Informática na Biodiversidade: onde estamos, como chegamos aqui e para onde vamos
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Informática na Biodiversidade: onde estamos, como chegamos
aqui e para onde vamos
Eduardo DalcinNúcleo de Computação Científica e Geoprocessamento
Diretoria de PesquisasInstituto de Pesquisas Jardim Botânico do Rio de Janeiro
Seminário LNCCSetembro de 2013
Tópicos da apresentação
• Um pouco de história– O início da relação da Biodiversidade com a
Informática– A “renascença”– Como chegamos onde estamos
• Onde estamos?• Para onde estamos indo?• O que precisamos
Meu viés• Biólogo• Botânica - Inst. De Pesquisas Jardim Botânico do Rio de Janeiro (1983)• Banco de Dados e Qualidade de Dados
– Qualidade de Dados em Bancos de Dados Taxonômicos (Ph.D. - 2005)• Biodiversidade
– Diversidade de espécies (taxa) e suas ocorrências (indivíduos e populações)• Coleções científicas botânicas
– Herbário• Interesses
– Gestão e entrega de informação sobre biodiversidade (“biodiversity information management and delivery”)
– Governança de Dados sobre Biodiversidade– Arquitetura de Informações e Sistemas sobre Biodiversidade
O que é Biodiversidade?• Diversidade biológica significa a variabilidade de organismos vivos de
todas as origens, compreendendo, dentre outros, os ecossistemas terrestres, marinhos e outros ecossistemas aquáticos e os complexos ecológicos de que fazem parte; compreendendo ainda a diversidade dentro de espécies, entre espécies e de ecossistemas (“Convenção sobre Diversidade Biológica - CDB”, 1992).
• Há, então, três níveis de biodiversidade:– Diversidade de ecossistemas, representada pela diversidade de combinações
únicas da diversidade de organismos e ambientes e suas relações que formam os diferentes ecossistemas.
– Diversidade de espécies, representada pela diversidade de espécies individuais.– Diversidade genética, representada pela diversidade de genes dentro de cada
espécie, e pela diversidade de suas combinações em cada espécie.
Voltando no Tempo...
O encontro da informática com a biodiversidade
“Engenho analítico” (1837)
Charles Babbage (1791 - 1871) Charles Darwin (1809 - 1882)
1859
Gregor Mendel(1822 - 1884)
1865 – Leis da Hereditariedade
Alan Turing1912 - 1954
• Pai da Ciência da Computação e da Inteligência Artificial
• Formalizou os conceitos de Algoritmo e Computação
Linguagens de Alto Nível
Fortran1954 Especificação (John W. Backus)1956 – Primeiro ManualIBM 704
• IBM 7090– Lançado em 11/1959– Vendido por
US$2,900,000.00– Versão transistorizada do
IBM 709
Scientific American, 215(6) 1966
1966
1967
“Diversidade Biológica” (1968)
D.D. Chamberlin and R.F. Boyce, Proc. ACM SIGMOD Workshop on Data Description, Access and Control, Ann Arbor, Michigan (May 1974) pages 249-264.
Programa Flora – CNPq1975
Programa Flora – CNPqObjetivos
Programa Flora – CNPqImplementação - Informática
Programa Flora – CNPqResultados - Informática
Organismos unicelulares na sua vasta maioria e que não apresentam seu material genético delimitado por uma membrana
Os seres vivos com células com um núcleo celular rodeado por uma membrana e com vários organelas.
Até 1977 era assim
As arquebactérias são semelhantes às bactérias em muitos aspectos da estrutura celular – o mais importante dos quais é a ausência de um núcleo celular diferenciado - e metabolismo, mas apresentam diferenças importantes como, por exemplo, os processos de transcrição do DNA e da síntese proteica que são idênticos aos dos eucariotas, mas o aspecto mais marcante talvez seja o metabolismo de alguns destes seres:
• Algumas espécies de Archaea (Halobacteria), produzem energia a partir da luz, por uma estrutura celular chamada bacteriorrodopsina.
• Outras vivem em fumarolas nas profundezas do oceano, sendo a base da vida destes ambientes, como as plantas são em terra.
• Há ainda aquelas que vivem no trato intestinal de vários animais, produzindo metano.
“Renascimento”A década de 80 e 90
• Período marcado por transformações• Assinala o fim da Idade Média e o início
da Idade Moderna
• Período de grande produtividade intelectual e, consequentemente, bibliográfica na Informática na Biodiversidade
“Suppose all the information stored in computers everywhere were linked... All the best information in every computer at CERN and on the planet would be available to me and enyone else.”
Tim Berners-Lee, 1980
“TCP + DNS + HTTP + HTML = WEB!”
“IBM-PC Compatível”
1981
Dbase II e Dbase III Plus (1979 – 1980)
1984
1985
• The first meeting of the Taxonomic Databases Working Group was held at the Conservatoire et Jardin botaniques in Geneva, from 28th to 30th September, 1985.
Surgimento dos primeiros padrões
O avanço mais significativo do Século!MS-EXCEL
1985 (Mac) – 1987 (Windows)
Biodiversity (Papers from the 1st National Forum on Biodiversity, September 1986, Washington, D.C.) – Publicado em 1988
“word cloud” criada com definições de “biodiversidade” encontradas com o Google
(1993)
Vicia faba
Vicia alba
Vicia adriatica
Nomes
Vicia faba
Vicia alba
Vicia adriatica
Espécie (Taxon)
Vicia alba
Vicia faba
Vicia adriatica
Vicia alba
Vicia faba
Vicia adriatica
Ainda é um problema!
Pris, U. Conceptual Structures for Knowledge Creation and Communication Lecture Notes in Computer Science Volume 2746, 2003, pp 309-322
1991 1993
1989
1992
1992
1993 1996
1993 / 1994
O surgimento do primeiro“Web Browser”
• “Pauly recruited Rainer Froese, and the beginnings of a software database along these lines was encoded in 1988. This database, initially confined to tropical fish, became the prototype for FishBase. FishBase was subsequently extended to cover all finfish, and was launched on the Web in August 1996. It is now the largest and most accessed online database for fish in the world. In 1995 the first CD-ROM was released as "FishBase 100". Subsequent CDs have been released annually.”
1996
1997
2000
2001
2003 - 2007
2005
2006
“Livro Laranja”
2008
Lista de Espécie da Flora do Brasil
2010
Em resumo• Experimentar
– Taxonomia numérica– Início da informatização das
coleções• Informatizar
– Coleções e Herbários– Evolução dos modelos
• Publicar– Internet– Global Species Databases
• Integrar – Padrões e Protocolos
• Qualificar– “Data Cleaning”
• “Reutilizar”– SOA– “Web Services”
1960
Onde estamos
Reunião da “Flora do Mundo On-line”16 – 18 de Julho de 2012
Missouri Botanical Garden - USA
Padrões e protocolos maduros
Cabeças pensantes e falantes
“…If I'd like to see one thing in biodiversity informatics in 2013 it is the emergence of a "platform" that makes the links the centre of their efforts. Because without the links we are not building "platforms", we are building silos…."
http://iphylo.blogspot.com.br/2013/01/megascience-platforms-for-biodiversity.html
“We conclude by noting that each aggregator out there seems to want to mint its own flavor of GUIDs, perhaps as much to “brand” an identifier space as for any other reason. We wonder if this strategy of proliferating such spaces is a great idea. A huge advantage of DOIs and EZIDs is abstraction. You know what they mean and how to resolve them because they are well-known and have organizations with specific missions to support identifier creation. This strategy ensures that identifiers can persist and resolve well into the future, and be recognizable not just within the biodiversity informatics community but any other community we interoperate with: genomics, publishing, ecology, earth sciences. This is what we’re talking about when we want to break down walled gardens.”
Gente que faz!
Farta documentação e guias de “boas práticas” disponível
Presentations and documents for the conference may be found at: http://www.gbic2012.org
Unprocessed outputs from all the workshops are stored in Google Docs and may be accessed via: http://bit.ly/LLUhUb
Outubro de 2012Brasil assina MoU com o GBIF
Para onde vamos?
Impacto das novas Tecnologias de Informação e Comunicação na Ciência
Citizen Science
• 1999• Cientistas fotografam a
baleia “#1363” na costa do Brasil (Fernando de Noronha)
• 2001• Um turista fotografa a
cauda de uma baleia na costa de Madagascar
• 2009• O turista compartilha a
foto no Flickr
Dados de migração de baleias-corcunda foram atualizados, de uma média de 3.000 milhas para 6.000 milhas
72 Milhões de registros
Open Science
Robert J. Robbins ( http://www.rj-robbins.com/slides/RJR-GBIC-2012.pdf )
Estamos “Informatizando” toda a Biodiversidade?
Fungos
Animais
Plantas
O “resto” não parece muito importante...
Os liquens são seres vivos “muito simples” que constituem uma simbiose de um organismo formado por um fungo e uma alga ou cianobactéria.
Um líquen é uma unidade viva, mas não é um "indivíduo" como classicamente concebido. Nem pode ser decomposto em indivíduos sem a perda da sua essência e sua viabilidade.
Um líquen é um organismo composto, que não pode ser subdividido em "indivíduos" e permanecer vivo.
Como isto se encaixa com a ideia do "indivíduo", como a "unidade fundamental” da natureza?
Ok. Mas liquens podem ser considerados casos especiais. Uma exceção à regra...
Mesmo não sendo raros....
E os cupins?
São criticamente importantes, algumas vezes espécies dominantes em alguns ecossistemas, que não sobrevivem sem a presença de organismos simbiontes no seu aparelho digestivo.
Podemos considerar que são exceções também?
E os mamíferos ruminantes, com sua flora microbial, capaz de digerir celulose?
8 Junho de 2012 14 Junho 2012
E nós?
Figure 1 Variation in diversity. Researchers of the Human Microbiome Project are studying the microbial inhabitants of the human body, using samples taken from 242 healthy adults at 15 (for males) or 18 (for females) body sites — from the skin (four sites), mouth and throat (nine sites), vagina (three sites), nostrils and faeces (to represent the distal gastrointestinal tract). Huttenhower et al. and Methé et al. have estimated the number of microbial species and their genes in these samples, and found substantial variation in microbial community composition at different body habitats. The two groups used different counting methodologies, and their numbers vary accordingly, such that exact figures are not available. However, crude estimations of number of microbial species (red) and number of microbial genes (blue) are shown for examples of: sites containing high species diversity, such as the gastrointestinal tract and teeth (supragingival plaque); sites with intermediate diversity, such as the inside of the cheek (buccal mucosa) and nostrils (anterior nares); and sites with lower diversity, such as the vaginal posterior fornix. The authors also found substantial variation in both the diversity and the composition of the microbial communities at different sites within the same general body region.
Dentro de nós habitam cerca de 7.300 espécies diferentes.
“Micróbios”
• Além de ser onipresente e abundantes nos organismos “macro”, procariontes ocorrem em todos os ambientes imagináveis (e talvez um pouco mais);
• Existem mais bactérias em um balde de água do mar do que mamíferos em toda a África;
• Localmente diversos – em 1g de solo existem 107-109 células procarióticas, com 2.000 – 18.000 genomas diferentes.
Isso significa dizer que em uma colher de sopa de solo, temos entre 2.000 a 18.000 espécies diferentes!
Isso é que é DIVERSIDADE!
A noção de que podemos atingir essa meta somente olhando para esta parte é equivocada.
Se o objetivo dos estudos da biodiversidade é entender toda a diversidade na biosfera terrestre…
Precisamos documentar e entender a diversidade microbiótica.
Taxonomical bias
Registros no GBIF mostram essa “tendência”
Tudo isso junto. Para quê?
O que precisamos• A aplicação de ferramentas computacionais para analisar o volume avassalador de dados
relacionado com o fato biológico, em seus escopos espaciais, temporais, biológicos, ambientais e socioeconômicos é a chave que abre a porta que leva ao conhecimento, conservação e uso sustentado e socialmente justo da biodiversidade;
• Precisamos de uma nova plataforma para lidar e, acima de tudo, integrar essa quantidade monumental de dados;
• Caminhamos muito na organização (modelos, padrões, protocolos, etc.) de dados primários de uma parte da biodiversidade;
• Caminhamos pouco no registro do fato biológico em grupos taxonômicos menos “carismáticos”;• Caminhamos muito pouco na indexação e integração de diferentes “recursos de informação”
relacionados com a Biodiversidade (bibliografia, dados socioeconômicos, histórico-culturais, etc);• Precisamos urgentemente formar recursos humanos que irão desenvolver os algoritmos, modelos e
ferramentas computacionais necessárias para organizar, integrar, analisar e oferecer os dados e informações sobre a Biodiversidade à sociedade, geradores de conhecimento, formadores de opinião, tomadores de decisão e formuladores de políticas públicas;
• Precisamos promover junto aos órgãos de fomento e as sociedades científicas uma política de premiação e reconhecimento pelo compartilhamento e qualificação de dados sobre a Biodiversidade;
• Precisamos de uma infraestrutura (inter)nacional de informação sobre biodiversidade, baseada em padrões e sistemas abertos e colaborativos, modular, escalável, baseada em serviços, e que promova a “open and networked science” de forma plena e justa.
O Mapa:
Eduardo DalcinInstituto de Pesquisas Jardim Botânico do Rio de Janeiro
Diretoria de PesquisasNúcleo de Computação Científica e Geoprocessamento
Obrigado!
