ИСПОЛЬЗОВАНИЕ 3D Java ДЛЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ВИЗУАЛИЗАЦИИ КЛЕТОЧНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ РАННЕГО ЭМБРИОНА МОРСКОГО ЕЖА К.Соболев, С.Ю.Суркова, Д.Л.Кречман, М.Г.Самсонова Институт высокопроизводительных вычислений и баз данных Миннауки РФ, СанктПетербург Тел.: (812) 251-00-38, факс: (812) 251-90-92, e-mail: samson@fn.csa.ru Эмбриональное развитие многоклеточных организмов является одним из самых загадочных и поразительных биологических явлений. В силу этих причин эмбириогенез стал предметом пристального изучения как с теоретической, так и с инженерной точек зрения в различных областях знания, включая информатику. Хотя за последнее десятилетие получен огромный объем информации о механизмах эмбриогенеза у животных, универсальной модели этого процесса до сих пор не создано. Одним из подходов к созданию такой модели является компьютерная реконструкция эмбрионального развития. К числу наиболее популярных объектов эмбриологии принадлежит морской еж. Это объясняется в первую очередь удобством культивирования эмбрионов этого организма и небольшим количеством (около 2000) образующих зародыш клеток, ведущих свое происхождение от небольшого числа клеточных линий. В настоящее время с помощью экспериментальных методов детально прослежены ранние стадии эмбрионального развития ряда видов морских ежей. На ранних стадиях происходят решающие процессы морфогенеза – детерминация осей строения организма и судьбы клеток, а также закладка зародышевых слоев. Характерной особенностью развития морского ежа является чрезвычайно ранняя детерминация судьбы клеток, которая практически завершается к моменту образования 60-клеточного эмбриона. Это приводит к формированию так называемых эмбриональных территорий – областей, образованных клетками одного типа. Нами разработана компьютерная система для конструирования и визуализации клеточной организации раннего эмбриона морского ежа. Построенные модели эмбриона морского ежа на стадии 2, 4, 8, 16, 32 и 60 клеток использованы для компьютерной реконструкции ранних стадий эмбрионального развития этого организма. До стадии 60 клеток эмбрион морского ежа имеет шарообразную форму. Форма клеток, образующих этот эмбрион, также близка к шарообразной; начиная со стадии 16 клеток, эмбрион составлен из нескольких типов клеток, различающихся по размеру. Компьютерная система для конструирования и визуализации эмбриональных моделей создана с использованием технологии Java-апплетов. При создании апплетов использовались JDK 1.5 и AWT. Таким образом, они будут работать на любой платформе, поддерживающей технологию Java с установленным JDK 1.5 и выше. Базовыми элементами являются клетки, изображаемые в виде разноцветных шариков. Разные типы клеток обозначаются шариками различных цветов и размеров. Новые типы могут быть легко добавлены на уровне исходного кода. В задачу конструктора входит создание из клеток различных пространственных моделей. Входными данными для конструктора является файл, содержащий описание всех клеток, из которых будет создаваться модель, с указанием их первоначального положения, включающего геометрические координаты, тип и другие атрибуты. При этом поддерживается загрузка дополнительных групп клеток из файла. Конструктор позволяет производить над моделью следующие основные действия: – – – – – вращение с помощью левой кнопки мыши; масштабирование модели в пространстве; перетаскивание отдельных элементов в 3D-пространстве; объединение клеток в группу и выполнение операций с группой клеток. загрузка группы клеток из файла и сохранение измененной геометрической модели. Для настройки свойств конструктора используются элементы управления, находящиеся в окне "controls". Поддерживаются следующие основные функции: – – – – – – вращение модели вокруг любой из осей на заданный угол; изменение чувствительности мыши; изменение коэффициента перспективного искажения; включение/выключение показа координатных осей; включение/выключение тумана для лучшей передачи объема; включение/выключение режима автоматического обновления списка координат клеток. Как известно, на Java-апплеты наложены ограничения, обуславливаемые безопасностью в сети. Для решения этой проблемы было найдено следующее решение: текущие параметры модели отображаются в специальном списке, содержимое которого может быть записано в файл с помощью буфера обмена. Тот же подход используется и для записи группы выделенных клеток. Для просмотра используется отдельный апплет – viewer. Имя файла, содержащего параметры модели, задается в виде параметра в HTML-файле. Кроме того, каждому типу клеток может быть назначен URL-адрес, на который будет осуществлен переход в случае щелчка по любой клетке этого типа кнопкой мыши. Эта функция может быть полезной при создании баз данных. Результаты. Разработан конструктор и осуществлено конструирование моделей эмбриона морского ежа на стадии 2, 4, 8, 16, 32 и 60 клеток. Разработанный нами визуализатор позволяет просматривать эти модели с помощью WWW-браузера. Свободное вращение модели в любом направлении дает ясное представление о взаимном расположении клеток на каждой стадии развития. Принадлежность клеток эмбриона к различным территориям обозначена разными цветами. Гипертекстовые ссылки на файлы, содержащие информацию об отдельных клетках и о клеточных линиях, позволяют проследить происхождение каждой клетки и установить на какой стадии происходит ее детерминация.