Методика определения величины асимметрии площадей половинок листьев с использованием компьютерных технологий

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ АСИММЕТРИИ ПЛОЩАДЕЙ ПОЛОВИНОК ЛИСТЬЕВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЬЮТЕРНЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ

Марченко С.И.

The value of asymmetry of squares of half of leaves Betula pendula can be used for a tentative estimation of a state of a natural habitat. The procedure of definition of quality indicators with usage of new computer technologies is offered.

Компьютерные технологии с успехом могут быть использованы для выполнения разнообразных измерительных работ при биологических исследованиях, при этом зачастую экономится значительное количество времени по сравнению с методологией, предусматривающей работу с традиционными измерительными приборами (Марченко, 2008).

Одним из перспективных методов дендроиндикации, используемым для оценки экологического состояния окружающей природной среды, является определение стабильности развития различных растений (Захаров и др., 2000). В этом отношении большинство исследователей отдают предпочтение березе повислой.

Классическая методика определения стабильности развития березы повислой по величине флуктуирующей асимметрии листовых пластинок основана на системе промеров листа. Для этого используются признаки, характеризующие общие морфологические особенности листа, удобные для учета и однозначной оценки. При этом на каждой листовой пластинке выполняют по 5 измерений с левой и правой стороны листа: 1 - ширина левой и правой половинок листа; 2 - длина жилки второго порядка, второй от основания листа; 3 -расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка; 4 -расстояние между концами этих же жилок; 5 - угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой второго порядка.

Для каждого пластического признака величина асимметрии рассчитывается как различие в промерах слева и справа, отнесенное к сумме промеров на двух сторонах. Для комплекса пластических признаков устанавливается средняя величина относительного различия между сторонами на признак. Этот показатель рассчитывается как средняя арифметическая суммы относительной величины асимметрии по всем признакам, отнесенная к числу используемых признаков.

Нетрудно заметить, что классическая методика требует огромного количества измерений: 5 мерных признаков х 2 стороны листа х 10 листьев с каждого дерева х 10 деревьев = 1000 измерений для каждого пункта отбора проб. Даже с применением современных компьютерных технологий определение показателя стабильности развития березы повислой остается довольно сложным и кропотливым занятием.

Вместе с тем в результате визуального осмотра собранного экспериментального материала (листьев) достаточно отчетливо просматривается асимметрия площадей их левых и правых половинок (рисунок 1). Основной

задачей явилась отработка технологии, позволяющей определять площади фигур сложной конфигурации (Иванов, Марченко, Зайцева, 2009).

Рисунок 1 - Симметричные (А) и асимметричные (Б) листовые пластинки березы повислой

Нами была предложена и апробирована следующая технология для определения величины асимметрии площадей половинок листьев: сканирование листового экспериментального материала; доработка сканированных изображений, разделение листовых пластинок на левую и правую половинки вдоль центральной жилки, измерения площадей средствами Adobe Photoshop CS3 Extended; обработка результатов измерений средствами Microsoft Excel.

Сканирование листьев вместе с этикетками целесообразно выполнять с разрешением 150, 200 или 300 dpi, сохраняя полученные изображения в формате JPG (рисунок 2, А).

Доработка сканированных изображений заключается в аккуратном стирании инструментом Ластик черешков листьев.

Затем необходимо точно по центральной жилке «разрезать» каждый лист инструментом Линия (толщиной 3 пикселя в режиме заливки пикселей, режим нормальный, непрозрачность 100%, без сглаживания), не забыв переключить цвета переднего и заднего плана. После разделения на половинки всех листьев нужно откорректировать уровни изображения: Изображение ^ Коррекция ^ Уровни, присвоив входному уровню средних тонов величину 0,1 (рисунок 2, Б). При этом изображение заметно «почернеет».

Измерения выполняются следующим образом: в меню Анализ ^ Задать шкалу измерений выбираем Пользовательский и устанавливаем логическую длину 1 пикселя, соответствующую разрешению сканированного изображения.

ши\

4HUU\

ГА*

А

{О

Б

Рисунок 2 - Исходное (А) и препарированное (Б) изображение графической базы данных

Для разрешения 150 dpi - 0,1694; 200 dpi - 0,1270; 300 dpi - 0,0847 мм. Эту операцию достаточно выполнить один раз, а перед началом измерений выбрать нужное (уточнить разрешение конкретного изображения можно следующим образом: Изображение ^ Размер изображения). Затем последовательно инструментом Волшебная палочка (в режиме новая выделенная область, допуск 100, без сглаживания, с выделением смежных пикселей) выделяем половинки листьев и сохраняем результаты измерений Анализ ^ Записать измерения. После определения всех необходимых площадей необходимо соответствующей кнопкой Выбрать все измерения; затем Экспортировать все измерения, задав оригинальное имя файла. Для продолжения расчетов с другим изображением целесообразно Удалить выбранные измерения во избежание перемешивания данных.

Формат сохраняемых данных - ТХТ, поэтому открывается файл в Microsoft Excel с использованием специального мастера (достаточно двух шагов). Величина асимметрии площадей половинок листьев определяется как частное от деления абсолютного значения разности измерений левой и правой половинок (в мм2) к их сумме. Наблюдения показывают, что получаемые значения по абсолютной величине значительно меньше величины флуктуирующей асимметрии, рассчитанной с использованием стандартной методики (Захаров и др., 2000). Но, по данным долгосрочных наблюдений (рисунок 3), имеют сходную сезонную динамику и довольно высокие коэффициенты корреляции между собой на популяционном уровне.

Рисунок 3 - Сезонная динамика величины флуктуирующей асимметрии и асимметрии площадей половинок листьев в г. Брянске, 2008 г.

Можно высказать предположение о возможности использования описанной технологии для оценки экологического состояния окружающей природной среды при мониторинговых исследованиях.

Литература

1. Здоровье среды: методика оценки [текст] / В.М.Захаров и др.- М.: Центр экологической политики России, 2000.- 68 с.

2. Иванов, В.П. Асимметрия площадей листовых пластинок березы повислой -индикатор экологического состояния природной среды [текст] / В.П.Иванов, С.И.Марченко, Л.В.Зайцева // Соврем. проблемы эволюционной биологии: Сб. статей междунар. науч.-метод. конф., посвящ. 200-летию со дня рождения Ч.Дарвина и 150-летию выхода в свет «Происхождения видов...». Том 1.- Брянск: ГУП Брянское областное полиграфическое объединение, 2009.- С. 259-261.

3. Марченко, С.И. Техника выполнения измерительных работ с использованием компьютера: учеб. пособие [текст] / С.И.Марченко.- Брянск: БГИТА, 2008.- 20 с.