Plataforma Web para Colecciones Biológicas: Caso Herbario Universidad del Quindío

Web Platform for Biological Collections: Case Herbarium University of the Quindío

El interés científico por identificar recursos de flora y fauna en diferentes regiones, ha llevado a la realización de expediciones, el diseño de técnicas de recolección y clasificación de ejemplares, así como la creación de colecciones biológicas, debidamente documentadas, con múltiples alcances en el campo científico.

El desarrollo tecnológico actual y las diversas herramientas y dispositivos han abierto nuevas perspectivas en la construcción colectiva de nuevo conocimiento, la transferencia e intercambio de información, la recolección de datos en campo, la modelación y simulación de procesos, etc.; fomentando la apropiación social de la ciencia.

En el caso de las colecciones biológicas, la incorporación de las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC) permite la digitalización de los delicados ejemplares para asegurar su conservación, así mismo el ingreso de información desde el lugar de recolección y la visita virtual por parte de diferentes usuarios lo que permite la cobertura real de la acción de las colecciones.

Considerando tal tendencia y la necesidad sentida del Herbario Universidad del Quindío (HUQ), del Centro de Estudios de Investigaciones en Biodiversidad y Biotecnología de la Universidad del Quindío[1], por implementar estrategias tecnológicas que mejoren los procesos de su colección, gestión y difusión, este artículo presenta el desarrollo informático orientado a su virtualización.

Según señalan Trujillo et al. [2], las primeras colecciones de plantas para su estudio se remontan al siglo XVI con los Jardines Botánicos (hortus botanicus), que permiten estudiar las plantas vivas de manera directa, especialmente por su utilidad (comestible o medicinal), en tanto los museos de historia natural, surgen en el siglo XVIII como espacio para el almacenamiento, conservación e investigación de especímenes o elementos naturales. En Colombia, se inician a finales del siglo XVIII, consolidándose a mediados del siglo XX con la creación de herbarios y museos regionales y nacionales, apoyados en estudios científicos que proporcionan una primera representación de su diversidad biológica. Además, señalan que las colecciones biológicas pueden clasificarse en: - Colecciones botánicas, que incluyen herbarios (plantas que han sido procesadas y ordenadas)[2], bancos de germoplasma (recursos genéticos especialmente de plantas silvestres) y jardines botánicos (plantas vivas), y - Colecciones zoológicas, tales como entomológicas (insectos), ictiológicas (peces), herpetológicas (anfibios y reptiles), ornitológicas (aves) y mastozoológica (mamíferos).

“Los ejemplares de colecciones biológicas regularmente incluyen etiquetas en las que se indica la identidad taxonómica del ejemplar, el determinador del ejemplar, las características morfológicas más sobresalientes de la planta, los caracteres que se pierden al secar, información de la localidad de procedencia, el nombre y número del colector del ejemplar, la altitud, las coordenadas geográficas y la fecha de recolección. Estos datos, al ser capturados en una base de datos, facilitan el trabajo del taxónomo y además permite abordar diversas preguntas sobre la informática de la biodiversidad, en particular sobre la ecología, evolución, conservación, agricultura y epidemiología” [3].

Las colecciones biológicas ofrecen una amplia gama de posibilidades en la investigación científica [3]: - Estudios ecológicos y evolutivos sobre la influencia de factores bióticos y abióticos en los límites geográficos, - Modelos de nichos climáticos para predecir los rangos de especies e incorporar información filogenética o genética, - Estado de conservación de especies mediante el cálculo de tamaño de rangos de distribución, y - Predicciones de distribución potencial para exploraciones de campo en busca de nuevas poblaciones de especies, estimar la diversidad espacial e identificar áreas para la conservación o predecir los cambios en la distribución de especies como respuesta al cambio climático.

Pero además de las utilidades anteriormente mencionadas, estas colecciones “se están convirtiendo en una institución principalmente cultural, en un espacio vivo y organizado totalmente público, al servicio de la sociedad y entendido como un instrumento de acción educadora donde además de aprender, se disfruta” [4].

Es reconocida la riqueza en biodiversidad colombiana, que la ubica entre los dos países con mayor expresión en ella: “En las plantas con flores hay registros de aproximadamente 26.500 especies, que le sitúan a continuación de Brasil con 28.000. Los valores de riqueza en helechos (1600), musgos (976) y en líquenes (1.700), colocan a nuestro país como el más rico en cada uno de estos grupos en el concierto neotropical” [5].

Considerando tal situación, a pesar de factores que redundan negativamente sobre ella (que van desde la ampliación de la frontera agropecuaria, el incremento del área construida, la explotación minera, hasta actividades ilegales y terroristas), se hace indispensable el fortalecimiento de las colecciones existentes, no solo en cuanto a la ampliación de especímenes, sino también en lo relacionado con la difusión y divulgación de la información, de manera que trasciendan las visitas directas a los museos y la conservación de sus ejemplares[3].

Las colecciones biológicas en general, y los herbarios[4] en particular, sin perder su finalidad de representar de manera sistémica la biodiversidad en el tiempo y espacio, han evolucionado en sus procesos, técnicas y objetivos. Así, aunque su función principal consistió en el depósito de muestras de plantas de interés etnobotánica procedentes de diversas fuentes (colecciones privadas o expediciones), en la actualidad los herbarios sirvan para otros estudios y propósitos (distribución y conservación de especies e inventarios de biodiversidad), que se propicia con la digitalización de las colecciones [7].

La transferencia de la información analógica a formatos digitales, proceso denominado digitalización, “aumenta la accesibilidad de la información a nivel local y a larga distancia y (…), puede reducir el desgaste de los objetos de valor causado por la manipulación física de ellos, con lo que se conservan mejor” [3], aunque también la digitalización de las colecciones puede repercutir en el avance científico: “El posible manejo de esta información por los profesionales, sin la necesidad de desplazarse al lugar original, ahorra costes y permiten abrir un amplio abanico de posibilidades. Una de las principales dificultades a la hora de digitalizar una colección es el valor económico que involucra. Hay dos premisas principales en estos procesos: Prioridad de conservación del material digitalizado y llevar a los usuarios las herramientas digitales bien desarrolladas con suficiente rigor científico” [8].

En coherencia con lo anterior, varios herbarios han sido sometidos a procesos de digitalización, generalmente acompañados de su divulgación a través de sitios web, como:

- Jardín Botánico de Missouri, fundado en 1859 en San Luis (Missouri, Estados Unidos), con la misión de “descubrir y compartir conocimientos sobre las plantas y su entorno para preservar y enriquecer la vida", es el jardín botánico en funcionamiento continuo más antiguo de la nación y un reconocido centro de investigación y enseñanza científica de prestigio internacional. Dispone de un sitio web, de permanente actualización aunque no se haga explícita su fecha, donde se muestran eventos, reuniones y colecciones relevantes que poseen, además cuenta con un módulo en el que se programan visitas turísticas con el fin de dar a conocer a la comunidad en general sus más de cinco millones de especímenes. El sistema permite ejecutar consultas específicas sobre la información de las colecciones biológicas, mediante imágenes que llevan al usuario a conocer las características propias de los mismos [9].

- Jardín Botánico de Nueva York, museo vivo icónico desde su fundación en 1891, que opera uno de los programas de investigación y conservación de plantas más grandes del mundo. La digitalización del Herbario Steere comenzó en 1995, con el objetivo de tener la base de datos, la imagen y la georreferencia de los 7,8 millones de especímenes en la colección. Para ello, se ha utilizado el software EMu de Axiell desde 2004, para gestionar el Herbario Virtual, el Index Herbariorum[5], el Banco de ADN, las colecciones estructurales de Laboratorios Pfizer, y el índice de Literatura Botánica Americana, permitiendo el acceso público a información documental e imágenes de los especímenes botánicos expuestos en el Herbario Virtual [10].

- Herbario Virtual del Mediterráneo Occidental, nace a partir del Herbario Virtual de las Islas Baleares, para recoger plantas vasculares, especialmente autóctonas, de la cuenca del Mediterráneo Occidental, liderada por el área de Botánica de la Universidad de las Islas Baleares, y participación de las Universidades de Barcelona y de Valencia. El herbario se ha estructurado en páginas propias para cada especie, con las imágenes de las plantas y un breve texto informativo sobre la misma, que incluye sus nombres científicos y comunes en catalán y castellano [11].

- Herbario Bouchard, una colección pública de investigación, cuyos pliegos del herbario se han digitalizado y se pueden consultar fácilmente a través del sitio web del CENMA (www.cenma.ad), así como la colección de fotografías de plantas. Los datos corológicos del herbario también fueron introducidos en el Servidor de Información de la Biodiversidad de Andorra (www.siba.ad), proyecto del CENMA-IEA, con una precisión de 1 Km2 [12].

- Herbario virtual del Instituto Amazónico de Investigaciones Científicas Sinchi, ofrece la posibilidad de búsquedas por la combinación de tres parámetros entre familia, género, especie, departamento, municipio, nombre vulgar y nombre del colector, arrojando una tabla con los registros encontrados y que permite acceder a la información consultada [13].

- Herbario Nacional Colombiano, cuenta con cerca de 540.000 ejemplares distribuidos en varias colecciones. Además, tiene una versión virtual que permite la búsqueda (rápida o avanzada) de especímenes de 63 familias de dicotiledóneas, 17 monocotiledóneas y 35 criptógamas, mostrando la información detallada (información general del ejemplar, la taxonomía, información geoespacial y atributos), las imágenes del ejemplar del herbario y su ubicación geográfica, utilizando una herramienta de Google [14]. A este herbario, se le incorpora un prototipo de software para recolección de información de especímenes vegetales en campo, con el cual se logra “la reducción de tiempo en la sistematización de datos de las colecciones biológicas que continuamente se están actualizando de los organismos que se recolectan, el estudio de esta información y la existencia de una base de datos biológicos sistematizada” [15].

- Herbario Nacional de México, resguarda la colección de plantas herborizadas más grande de América Latina, correspondiente a la biodiversidad en México y América Central. Aunque se han realizado varios proyectos de digitalización a lo largo de los años, comúnmente por un taxónomo especialista enfocado en alguna familia o género en particular, en 2012 se inició un proyecto de digitalización de cuatro años de duración para las Colecciones Biológicas Nacionales del Instituto de Biología que comprenden el Herbario Nacional y 10 colecciones zoológicas nacionales, con más de 3.6 millones de ejemplares [3].

- Herbario de D. Vicente Latorre y Pérez, el I.E.S. Padre Luis Coloma de Jerez de la Frontera (Cádiz, España), creado entre 1874 y 1892, cuya digitalización se materializa en “una base de datos compuesta por 1057 registros del herbario conformados por: 956 especies, 504 géneros y 117 familias, que se pueden consultar y ver en la página creada (http://www.bioscripts.net/coloma/); o en su versión móvil en (http://www.bioscripts.net/coloma/m/). También es posible acceder al herbario desde la página web del propio I.E.S. Padre Luis Coloma (http://www.iescoloma.es/)”, cuyo contenido se divide en dos partes fundamentales: “La activa conformada por un buscador donde se puede consultar por pliegos, por los tomos o las familias, y la estática que corresponde a la historia del herbario y la biografía de su autor, el proceso de digitalización y una página de contacto” [8].

- Herbario Forestal Gilberto Emilio Mahecha, de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, UDBC, tiene como misión la colección, distribución y el incremento del conocimiento que se tiene sobre la flora de Colombia, teniendo como énfasis a las especies arbóreas. Martínez y Sánchez [16], continúan el proceso de georreferenciación de los ejemplares botánicos depositados en el Herbario, para mejorar la información referente a la posición geográfica de colecta de los mismos, donde concluyeron que la georreferenciación retrospectiva es fundamental para conseguirlo.

- vPlants: un herbario virtual de la región de Chicago, proyecto iniciado en 2001 por parte del Morton Arboretum, el Field Museum of Natural History y el Chicago Botanic Garden, para proporcionar datos e imágenes digitales de 80,000 especímenes de plantas de la gran región de Chicago, que se hallan en los herbarios de las instituciones asociadas, además de casi 50,000 imágenes disponibles y aproximadamente 12,000 registros de hongos que se están ingresando. La información de las etiquetas de muestra ingresadas en las tres instituciones se transfiere, utilizando XML, a una única base de datos de búsqueda en la web en el portal vPlants, incluye la apariencia visual, detalles sobre especies similares, datos de hábitat y ecología, etimología de los nombres científicos y fotografías, permitiendo que los usuarios naveguen o busquen por familia, género, especie o nombre común [17].

- Neotropical Herbarium Specimens, cuyo “sitio se está creando para acelerar la identificación general de los especímenes montados de plantas del Neotrópico. Será de mayor utilidad para biólogos profesionales y otros que estén haciendo inventarios de las especies de áreas naturales, ecología y etnobotánica. Será útil para identificar las familias, géneros o especies de plantas en regiones donde guías de campo comprensivas no están disponibles, o donde los manuales dependen del uso de caracteres técnicos de la flor o del fruto que están ausentes en los especímenes voucher[6]. Incluso será útil para los paleobotánicos y otros con interés en morfología comparativa de plantas tropicales (…). Los especímenes se han seleccionado para escanear de una colección sinóptica de plantas del Neotrópico, conocida como la Colección de Referencia Rápida, siendo desarrollada dentro del Herbario Searle del Field Museum por Robin Foster y colaboradores. Aunque tenemos más de 27,000 especies representadas, esto todavía sigue siendo un proyecto piloto” [18].

- Sistema de Información sobre Biodiversidad de Colombia, una iniciativa nacida con el Decreto 1603 de 1994, como parte del proceso de creación del Sistema Nacional Ambiental (SINA), establecido en la Ley 99 de 1993, con la finalidad de ofrecer libre acceso a la información sobre su diversidad biológica. Es liderado por un Comité Directivo y lo conforman el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, la Universidad Nacional de Colombia y los cinco institutos de investigación del Sistema Nacional Ambiental, SINA (IAVH, Invemar, Sinchi, IIAP e IDEAM) [19].

Además, se han adelantado diversos proyectos donde herramientas de georreferenciación[7], realidad aumentada[8] y reconocimiento de patrones[9], son incorporados para facilitar el proceso de recolección e identificación de especímenes, así como la difusión de información botánica.

El proyecto se enmarca en una investigación aplicada, con una etapa de consulta documental orientada a fundamentar sus componentes teóricos, seguida de la etapa de diseño e implementación tecnológica del herbario virtual planteado, enfocada en la gestión, construcción y difusión de información botánica correspondiente.

Para el desarrollo del software se opta por Iconix, “una metodología ágil[10] con un claro proceso simplificado, iterativo e incremental que unifica un conjunto de métodos de orientación a objetos con el propósito de abarcar todo el ciclo de vida de un proyecto, está adaptada a los patrones de UML, su proceso dirigido por casos de uso. Posee cuatro fases y cuatro hitos de fácil comprensión y aplicación[11]. Cada paso que se realiza está definido por un requisito, se define la trazabilidad como la capacidad de seguir una relación entre los diferentes artefactos de software producido” [23].

En el proceso de desarrollo se ejecutan las siguientes fases:

- Análisis de requerimientos, donde se definen los requerimientos del sistema mediante la recolección de la información y la familiarización de la temática, resultado de varias entrevistas y visitas a diferentes herbarios, información con la cual se realizan los modelos de dominios del sistema (Figura 1).

Figura 1.
Modelo de dominios del sistema de información y del museo virtual
Autor

- Análisis y Diseño Preliminar, a partir de cada caso de uso se obtienen sus correspondientes fichas que se aplican en los módulos del sistema. En las figuras 2 y 3 se muestran casos de uso y diagrama de robustez representativos.

Figura 2.
Casos de uso del sistema de información y del museo virtual
Autor

Figura 3.
Diagramas de robustez
Autor

- Implantación y mantenimiento, donde se realizan las pruebas y revisiones de rendimiento finales, antes del despliegue en el ambiente destinado para alojar la plataforma web, con la debida documentación para los ajustes de mantenimiento. La implementación del sistema de información se realiza en PHP utilizando como framework de desarrollo laravel y la del museo virtual se encuentra desarrollado en Unity3D ambos se comunican mediante un web service.

El desarrollo del proyecto utiliza una arquitectura Modelo-Vista-Controlador(MVC), un patrón de arquitectura de software que separa los datos de la aplicación, la interfaz de usuario, y la lógica de negocio en tres componentes distintos, donde: - la vista es la página HTML, - el código que provee de datos dinámicos a la página, - el modelo es el Sistema de Gestión de Base de Datos y la Lógica de negocio, y - el controlador es el responsable de recibir los eventos de entrada desde la vista.

Cabe anotar que: - se contemplan 10 iteraciones, - las pruebas de software permite los ajustes correspondientes para que la plataforma esté lista para la siguiente fase, - el tiempo de desarrollo por cada subsistema de la plataforma contiene el análisis, casos de uso y diagramas de clase y demás elementos requeridos por Iconix, - permanece una versión funcional en ambiente web mientras se desarrolla y ajusta a nivel local, y - la plataforma se desarrolla con los estándares de programación Web, JavaScript, DOM, jQuery, WebGL, que permiten preservarse en el tiempo.

Dicho proceso se orienta a la obtención de sus tres componentes principales:

- Sistema de información: Lleva el control de las especies con sus consultas, y se encarga de verificar el tipo de usuario que ingresa al sistema y da acceso a los procesos que le corresponda, tales como ingreso de ejemplares, modificación de datos de un ejemplar ya ingresado y generación de reportes por su ubicación de colección, nombre de especie, género, familia y demás datos pertinentes. Permite el uso de diferentes dispositivos con acceso a internet (PC, tablet, smartphone) y se apoya en diferentes tecnologías, como API[12] de Google, para la georreferenciación del lugar de colección.

- Museo virtual: Considerando que el Herbario Universidad del Quindío, utiliza el Sistema de Cronquist, el cual clasifica a las Angiospermas[13] en un rango de división y trata a las dicotiledóneas como Magnoliopsidas y a las monocotiledóneas como Liliopsidas al nivel de clases, sigue el Código de Nomenclatura Botánica y por ende considera órdenes, familias, géneros y especies e incluso infracategorías (como subclases, subtribus, subfamilias, subgéneros y subespecies), se construyó el sistema con Unity3D[14] bajo la especificación del estándar WebGL[15], para brindar una adecuada inmersión, como sendos edificios (Monocotiledóneas y Dicotiledóneas) asimilando los pisos a órdenes y las habitaciones a las familias del respectivo orden, con información en texto e imágenes, además de opciones de consulta específica.

- Sistema administrativo de la plataforma: Comprende la misión y visión de la institución, al igual que los enlaces a otros sistemas.

El proyecto lleva a una solución para la gestión y difusión del Herbario HUQ, mediante una plataforma web con tres subsistemas (de información multiplataforma, museo virtual y de administración), con una arquitectura flexible para que sus componentes se encuentren en ecosistemas diferentes sin alterar su desempeño, cumpliendo la métrica de software de alta cohesión y bajo acoplamiento creada por Larry Constantine[16], con características de buenas prácticas de software e integración de varias tecnología con comunicación entre ellas, incluso en el caso de Unity3D.

B. Subsistema Museo virtual interactivo para consulta vía web.

Permite la visualización de las colecciones de plantas, simulando un videojuego, donde el usuario se puede desplazar por un entorno 3D. La lógica de presentación consiste en que cada edificio representa una clase, cada piso un orden y cada sala una familia botánica. Así, se cuenta con dos edificios (Monocotiledóneas y Dicotiledóneas), con recepción y un ascensor que conduce a los pisos, donde cada sala tiene una exposición de cinco especies cargadas aleatoriamente, que se muestran en cuadros de las paredes, además de una estación de chats para que los usuarios puedan comunicarse y compartir información (Figura 4).

Figura 4.
Subsistema de museo virtual
Autor

C. Subsistema administrativo.

Gestiona la información institucional y permite enlaces a los subsistemas museo virtual y de información (Figura 5).

Figura 5.
Subsistema administrativo
Autor

Los resultados anteriormente descritos, muestran que como otros herbarios digitales consultados, administra la información textual y gráfica almacenada con miras a su conservación y consulta desde la web, cuenta con un museo virtual que involucra el concepto de gamificación/ludificación[17] para facilitar el acceso y comprensión de su contenido, lo cual es una opción interesante para que el herbario sea visitado por estudiantes de primaria y secundaria, e incluso se incorpore como recurso didáctico en sus asignaturas de ciencias naturales, sin descartar su uso en otros niveles académicos.

Para conseguir su funcionalidad, aunque es compleja en su estructura al integrar varios subsistemas, cumple con la característica de modularidad, lo que permite que cada subsistema pueda ser reutilizado de manera independiente, siendo coherente con la condición de que, como aseguran Vizoso y Quesada [31], este tipo de sistemas o plataformas permite la preservación de materiales, que implica un gran volumen de información digital, y su recuperación en cualquier momento y lugar.

Las características involucradas, facilita que el herbario no solo tenga sus ejemplares en formatos digitales (que permitan su conservación, recuperación y actualización, además de la posibilidad de estudios utilizando técnicas de minería de datos), sino que permite la ampliación de su cobertura, al facilitar la comunicación entre expertos, el acceso por estudiantes y comunidad en general, e incluso la comunicación entre la comunidad y los expertos mediante las opciones de chat integradas al sistema, sin olvidar el aporte en materiales que pueden hacer personas con conocimientos básicos relacionados con botánica.

La incorporación de herramientas informáticas y computacionales en el campo de la botánica, particularmente en los herbarios, se constituye en un avance considerable en términos de visibilidad, acceso, uso, disponibilidad y gestión de la información, por parte de los responsables del Herbario Universidad del Quindío, en este caso, como la consulta, interacción y utilización permitida a la comunidad en general, lo permita ampliar la cobertura del herbario, incluso en labores académicas de diversos niveles académicos, especialmente por el enriquecimiento con aspectos de gamificación/ludificación.

La plataforma desarrollada permite que la comunidad pueda aportar información sobre ejemplares botánicos, diligenciando en línea los datos básicos (ubicación, descripción, imágenes) que los expertos del herbario podrán evaluar, y en caso de considerarlo pertinente, alimentar el sistema con la nueva información o ratificar con trabajo de campo. Esta opción acerca el herbario a la comunidad y proporciona información que posiblemente en otras circunstancias pasaría desapercibida, perdiéndose oportunidades para estudios de distribución de especies, por ejemplo.

Debido a la dinámica misma del herbario, la plataforma permite la actualización y ampliación de la información sobre los especímenes existentes en él, así como la incorporación de nuevos especímenes aumentando su volumen de datos, lo cual facilita estudios posteriores, aplicando técnicas de minería de datos y geoposicionamiento, para alimentar la base científica botánica y aportar a soluciones relacionadas con el ecosistema.

Se agradece a cada una de las personas que contribuyeron en la gestación y ejecución del proyecto ‘Plataforma web para Colecciones Botánicas’ que soporta este artículo, desarrollado por el primer autor, con la asesoría y dirección de los otros dos autores, para optar al título de Magíster en Gestión y Desarrollo de Software por la Universidad Autónoma de Manizales.