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玩科学游戏如何推动基因研究

通过玩 Phylo、Colony B 和 Borderlands Science 等公民科学游戏,人们可以在空闲时间通过完成简单的活动来参与科学研究项目。

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《无主之地科学》是一款隐藏在热门电子游戏《无主之地 3》中的瓷砖匹配益智游戏。这款虚拟街机游戏让玩家可以为微生物组研究做出贡献。图片来源:Gearbox Software 2020

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Citizen Science Salon 是 Discover杂志与SciStarter.org合作的栏目。

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在当今世界,大大小小的计算机都能在创纪录的时间内产生海量数据——数百万万亿字节。信息量如此之大,以至于研究人员无法妥善分析所有产生的数据,而且过载还会导致计算机出错。因此,研究人员越来越多地转向公民科学家——愿意志愿服务的公众——在计算机无法处理数据时,向他们寻求帮助,以理解这些数据。

通过公民科学,研究人员让公众参与科学数据的收集和分析。通过游戏化他们的项目,科学家可以保持志愿者的参与度,让他们在工作时保持乐趣。

Phylo 让人们帮助纠正序列比对中的错误。(图片来源:美国国家生物技术信息中心)

美国国家生物技术信息中心

帮助比对 DNA 序列

因此,蒙特利尔麦吉尔大学的研究人员于 2010 年创建了一个名为Phylo的公民科学游戏,以解决计算机分析中的不一致问题。在该游戏中,人们将 44 种脊椎动物的 DNA 序列进行比较,以找出用于比对 DNA 序列的计算机程序的缺陷。

DNA 包含生命体所需的所有分子产生所需的信息。但 DNA 是一个长分子,这使得寻找生物体之间的相似区域变得困难,因此科学家通常会借助序列比对程序。尽管该程序很有用,但它可能会在序列比对中产生不一致之处,这些不一致之处只能通过人工审阅数据来解决。


参与其中:加入Phylo,帮助科学家比对 DNA 序列


计算机科学家 Jerome Waldispuhl 很快意识到,DNA 序列比对对计算机来说是一项艰巨的任务。除了明显需要人工帮助之外,Waldispuhl 普遍认为,将公民科学项目游戏化可以“通过向人们展示他们能够做到他们认为不可能的事情来赋权于他们。”

因此,当 Waldispuhl 于 2009 年成为麦吉尔大学的教员时,他开始着手研究 Phylo。该游戏于 2010 年 11 月发布,此后,已有超过 350,000 人参与了 Phylo ,并找到了约 150 万个 DNA 序列比对不一致的解决方案。Waldispuhl 表示,十年后,该项目仍在进行中,但它正逐渐成为一种教育工具。

在游戏中,参与者将不同颜色的形状序列排成一行。通过手动比对序列,参与者可以修复计算机程序可能犯的错误。通过纠正错误,参与者有助于比较不同脊椎动物的基因组序列,发现生物体之间的进化关系,并理解基因如何协同工作。

Colony B 可以在移动设备上玩,提供了一种轻松的方式为科学研究做出贡献。(图片来源:公民科学游戏)

公民科学游戏

了解人类肠道

Phylo类似,Colony B最初也是为了解决机器学习问题而开发的。在这种情况下,问题是聚类——即将数据点分组到不同的、有意义的类别中。没有特定的方法可以使用机器来预测何时以及为何会发生聚类,因此再次需要人工帮助。

创建Phylo的同一麦吉尔大学的研究人员开发了Colony B,但这次是与另外两个公民科学项目合作:加州大学圣迭戈分校的美国肠道项目(American Gut Project)和连接科学与游戏的平台 Massive Multiplayer Online Science。

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为了开发Colony B,来自世界各地的人们将他们的粪便样本发送到加州大学圣迭戈分校进行分析。从样本中,研究人员识别出了人类肠道中的所有各种微生物,并将它们游戏化创建了Colony B,从而为公民科学家打开了大门。


参与其中:玩Colony B,帮助科学家对微生物进行分组


在游戏中,玩家围绕细菌簇进行圈选。圈选速度越快,得分越高。每个簇中的粒子代表一个人肠道微生物组的数据,而聚类让研究人员能够将具有相似肠道微生物组数据的人聚集在一起。由于我们肠道微生物组中的微生物受到我们的习惯和健康的影响,研究人员希望利用聚类来发现哪些特定的习惯会导致某些微生物导致健康问题。

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Colony B仍是一个活跃的研究项目,通过这款在线游戏,研究人员希望更好地了解生活方式选择如何通过微生物组影响我们的健康。

Borderlands Science 让人们通过解决谜题为人类肠道微生物组研究做出贡献。(图片来源:Gearbox 和 Borderlands)

Gearbox 和 Borderlands

协助微生物组研究

Borderlands Science是一个略有不同的公民科学游戏项目。玩家在收集武器和射击敌人时,并不那么明显地意识到自己在帮助科学家,但该游戏仍然是为了收集数据供科学家分析而创建的。然而,与其他公民科学游戏不同的是,Borderlands Science存在于已有的热门电子游戏系列Borderlands之中。

Attila Szantner,Waldispuhl 的研究伙伴和 Massive Multiplayer Online Science 的创始人,大约在五年前开始从事公民科学工作。“我们想出了一个主意,就是将公民科学的微任务与已有的电子游戏整合起来,创造一种无缝的游戏体验,”Szantner 说。


参与其中:加入 Borderlands Science,帮助推动微生物科学的发展


人们喜欢参与并帮助研究,但他们发现许多公民科学任务都很无聊且重复,Szantner 说。他的解决方案是什么?添加游戏的娱乐性。“我们成功地为其注入了游戏设计的魔力,”Szantner 说。“这让我们能够自愿、愉快且不知疲倦地完成这些工作。”

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经过五年的努力,该团队才得以在Borderlands 3游戏中推出他们的公民科学项目,但他们所有的辛勤工作都得到了回报。当Borderlands 3于 2019 年发布时,它在发布后的五天内售出了五百万份,并在当年年底售出了八百万份。

“我们成功地建立了一个非常有趣且独特的项目,在《无主之地》宇宙中一个小游戏,”Szantner 说。

《无主之地》围绕着发现一颗名为 Pandora 的新行星展开。这个世界富含矿产,公司会派遣殖民船载着人们去开采。玩家可以扮演“宝藏猎人”,完成任务,探索 Pandora 并获得游戏内货币。

Colony B类似,科学家们对人类粪便样本进行了 DNA 测序来创建这款游戏。然后,DNA 序列被分解成一个可以被玩家解决的谜题。

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Borderlands 3宇宙中,玩家可以探索“Tannis 医生的诊疗室”,并找到一个Borderlands Science 街机游戏。然后,他们在迷你游戏中将不同的图块按颜色排列到正确的行中。通过完成一个关卡,他们就能找到肠道微生物组 DNA 序列中的匹配项。

这似乎只是简单的乐趣,但玩家实际上是在提供关于人类微生物组的数据,并帮助研究人员了解哪些因素会影响肠道并导致特定的健康状况。

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有时,为科学突破做出贡献可以像玩游戏一样简单。


在 SciStarter.org 上查找更多公民科学项目。

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