現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)描繪了一個來自全世界 75 個地點的 141 個植物家族的 18.2 萬種樹葉的地圖，以便講述植物的故事。利用這一地圖，研究人員能以 14.5% 的準(zhǔn)確率從樹葉的形狀估計來源地點，以 27.3% 的準(zhǔn)確率預(yù)測科屬，遠(yuǎn)比常規(guī)的樹葉形狀描繪方法準(zhǔn)確。

研究人員希望這一方法能幫助他們探究樹葉形狀的影響因素，并有望通過化石中的形狀推斷古代的氣候狀況。“這個數(shù)據(jù)集意義重大。”美國得州貝勒大學(xué)古植物學(xué)家 Dan Peppe 表示，“我們離自動測量葉片形狀、重構(gòu)古代氣候和植物分類更近了一步。”

該研究結(jié)果發(fā)布在近日的 bioRxiv 上。該研究的作者、植物形態(tài)學(xué)家 Dan Chitwood 也在日前得州沃斯堡舉行的 2017 年植物學(xué)大會上發(fā)表了相關(guān)結(jié)果。

Chitwood 曾就職于密蘇里州圣路易斯 Donald Danforth 植物科學(xué)中心，他的團(tuán)隊為植物地圖的繪制搜集了包括葡萄和番茄在內(nèi)的植物種類數(shù)據(jù)，以及有關(guān)族群和地點的廣泛分類表。

然后，研究人員使用一種名為持續(xù)同調(diào)的拓?fù)鋵W(xué)算法分析每片樹葉的形狀。根據(jù)周圍像素的密度，該方法會賦予圖片的每一個像素一個值，然后把樹葉分成 16 份并分析這些數(shù)值出現(xiàn)的規(guī)律。*后，研究人員用這些數(shù)據(jù)繪制形狀與地理位置在族群間的關(guān)系。

Chitwood 的*終目標(biāo)是重組樹葉的“形態(tài)空間”，也就是所有可能的形狀所組成的數(shù)據(jù)集。“如果你能測量地球上現(xiàn)在和過去存在的所有樹葉，結(jié)果會是隨機(jī)的嗎？”他問道，“會有從未出現(xiàn)過的形狀嗎？從未出現(xiàn)的原因是否因為植物無法生長出這種形狀？”

實際上，持續(xù)同調(diào)在各方面有廣泛應(yīng)用，從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分布到音樂樂句結(jié)構(gòu)，許多結(jié)構(gòu)圖像分析中都有它的影子。Chitwood 希望它也能為植物分析提供線索，其他科學(xué)家也表示同意。

奧地利維也納大學(xué)植物分類學(xué)家 Yannick Stadler 也正用此方法分析花朵的 X 光圖像，并希望能克服傳統(tǒng)方法的缺點——在常規(guī)的分類學(xué)方法中，科學(xué)家通常把重復(fù)出現(xiàn)的圖像標(biāo)記為節(jié)點，并分析規(guī)律。

Stadler 表示，這些手段在動物身上十分有用，因為動物身上有明顯的標(biāo)記，例如關(guān)節(jié)、眼角和鼻尖等，但花朵通常有著順滑而流暢的彎曲形態(tài)，所以人們很難做出標(biāo)記。“葉片和花朵都有巨大挑戰(zhàn)。這讓我們必須尋找新方法。”他說。

包括 Peppe 在內(nèi)的古植物學(xué)家一直設(shè)法將樹葉化石的分析過程自動化。目前，對植物化石節(jié)點的定位還需要科學(xué)家手動進(jìn)行。

除了植物地圖之外，還有許多項目致力于分析植物特征——葉片、花朵和果實等，以明晰植物的分類。例如，一個叫作 Pl@ntNet 的項目就通過用戶上傳手機(jī) App 的方式搜集了大量植物圖片。法國農(nóng)業(yè)發(fā)展研究中心植物學(xué)家 Pierre Bonnet 表示，目前通過機(jī)器學(xué)習(xí)，該項目已分析了 58 萬張來自 1.3 萬種植物的圖片。

Pl@ntNet 研究者、法國自動化和計算機(jī)科學(xué)研究所的 Alexis Joly 表示，該軟件在辨識植物種類上比 Chitwood 的地圖更勝一籌，但 Pl@ntNet 還未開始研究樹葉的形狀。

而 Chitwood 則希望把拓?fù)浞治龅玫降慕Y(jié)果應(yīng)用到機(jī)器學(xué)習(xí)中，看看這樣能否增加其科屬分類和地理位置預(yù)測的準(zhǔn)確度。但他表示，自己對形狀本身更感興趣。

Stadler 提到，在很長時間內(nèi)，科學(xué)家對植物的分類逐漸變得束手無策。然而，隨著科學(xué)家對植物的細(xì)節(jié)特征投入更多的研究（特別是谷物）并開始探究基因和環(huán)境的影響，該領(lǐng)域正在開始復(fù)興。

“分類學(xué)正在重生。”Stadler 表示，“我認(rèn)為通過對基因數(shù)據(jù)的研究，我們的未來一片光明。

原創(chuàng)作者：齊一生物科技（上海）有限公司