[精品课件】 计算机与植物学、微生物学.ppt

计算机科学与生命科学(3)
计算机与植物学、微生物学
2011年秋季学期通选课程
课时数:32
上课时间:周三 19:00点
上课地点:软件园1区407d
主讲人:魏天迪
讲义网址:.cn/p/
我国植物学的发展历史
李时珍在年轻的时候就听说了一种神奇的花,名为曼陀罗,是“医药和毒药共用之物,人神魔三界共爱之花”。人们一见到它就会情不自禁的又唱又跳。后来李时珍历经千辛万苦找到了曼陀罗,并亲自服用以验性能。在《本草纲目》中记下了“割疮灸火,宜先服此,则不觉苦也”。
后来,曼陀罗被古人用于制做“麻醉散”、“蒙汗药”、“吐真剂”、“春药”。李时珍之前,根据民间的经验曼陀罗毒可通过服用大豆来解。然而,李时珍当时通过实验证明,曼陀罗毒仅仅用大豆来解效果不明显,大豆和甘草同时服用更有效。
金庸《神雕侠侣》中描写的绝情谷中的情花即是曼陀罗。化解情花毒有两种方法:其一,服用“绝情丹”;其二,服用“断肠草”。
由于曼陀罗花独特的外形,佛教视之为真个宇宙的萎缩模型,代表了宣传平等的宗教思想。
我国植物学的发展历史
曼陀罗花
植物学的分支
植物形态学:研究植物从细胞到器官的形体和结构,又细分为植物细胞学、解剖学、组织学、胚胎学等。
植物生理学:研究植物各部分或整体的功能和行为,其中一个重要组成学科为植物化学,研究植物生命过程中化学组成、变化、代谢的化学产品。
植物遗传学:研究植物的种质和遗传、变异等现象,与植物的进化密切相关。
植物生态学:研究植物与环境的关系,与上述的植物生理学密切相关,还包括植物地理学、植物和地表关系学、植物社会学(植物群落学)。
植物分类学:研究植物的分类和命名,和它们的系统演化。
计算机在植物学中的应用:植物形态模拟(虚拟植物)、植物功能模拟、植物分类学应用、植物学实验中的应用。
计算机模拟植物形态
虚拟植物是利用计算机制作出来的栩栩如生的仿真树木、花草等。虚拟植物的研究始于20世纪80年代。虚拟植物的特征主要有以下几点:
主要面向植物的形态结构。形态结构指的是植物地上部分和根系在三维空间中的占据方式,包括器官在植物个体上的排列方式、几何形态、空间伸展方式。目前,也有少部分将植物形态与功能项目联系起来的研究,但重点还是在形态上。
研究对象是个体而非群体。以植物的器官为最基本的尺度来模拟植物个体的生长发育规律,并基于植株个体之间的相互作用来推测植物群体的生长。
建立的模型是三维的。一些游戏、广告中的三维植物动画虽然视觉上很逼真,但不是从植物形态结构的定量描述的基础上建立的。虚拟植物要求反应植物生长的客观规律,而不仅仅是视觉上的相似。
虚拟植物的研究方法:
对不同生长条件、不同生育阶段的植物进行定性观察,判别其生长模式,确定描述其形态结构的总体框架。
定量化测定植物的拓扑结构、几何特征、机械性质等。
将测定数据输入数据库,通过数理统计、模式识别等方法,提取植物形态结构规则。
模型依据植物生长规则模拟植物生长,应用可视化技术在计算机上实现虚拟植物。
计算机模拟植物形态
虚拟植物研究的意义:
植物的形态结构很大程度上决定着植物的竞争力和资源获取强度。虚拟可实现植物形态结构的定量化,可以非常直观的对农田、公园、森林等生态系统进行研究,发现传统研究方法和技术手段难以观察到的规律。虚拟实验可部分替代现实世界中难以进行或费时费力、昂贵的实验。如在公园、住宅区内栽种花草树木前,可应用虚拟模型预测所栽植物数年后的生长状况,从而确定所采用的栽种密度、品种搭配是否理想。而在农业领域,可以虚拟育种、虚拟施肥、虚拟剪枝等,还可以通过调控环境状况以促进作物生长,达到高产高效目的的。新西兰的Hort研究所利用虚拟作物技术对猕猴桃品种进行了改良,开发了虚拟猕猴桃树的系统,使人们可以在计算机显示器上观看猕猴桃树发芽、生长、抽枝、展叶、开花、结果和果实成长。猕猴桃一年的生长周期被按比例缩至不到一分钟的时间。
虚拟植物还具有更广泛的应用价值。虚拟农场可以学生或农民在计算机上学习作物生长过程和农田管理知识,或进行娱乐(开心网、QQ农场),这样可以取得传统方法无法达到的效果。对农业科技成果的推广而言,使农民更容易理解和掌握先进的农田管理技术。
计算机模拟植物形态
植物的分枝的类型
植物体的生长有伸长、加粗和分枝三种基本方式。植物茎的分枝具有一定的规律性,一般来说有4种基本类型:
1. 二叉分枝
计算机模拟植物形态
植物的分枝的类型
植物体的生长有伸长、加粗和分枝三种基本方式。植物茎的分枝具有一定的规律性,一般来说有4种基本类型:
2. 单轴分枝
计算机模拟植物形态
植物的分枝的类型
植物体的生长有伸长、加粗和分枝三种基本方式。植物茎的分枝具有一定的规律性,一般来说有4种基本类型:
3. 合轴分枝
计算机模拟植物形