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El propósito de este artículo es describir cómo se puede aprovechar el uso de VRML en la educación en Biología Molecular.
VRML, abreviatura de Virtual Reality Modeling Language (pronunciado vermal) se desarrolló como una contrapartida tridimensional de HTML. El objetivo de VRML es permitir la navegación en red desde un entorno inmersivo realista que incluye objetos 3-D, sonido envolvente, películas, animación, interacción manual con el entorno y navegación a través de hiperenlaces similares a los del WWW.
Podemos pensar en VRML como si fuera la WWW en un mundo interactivo tridimensional compuesto por objetos naturales o imaginarios, tan complejos como queramos, dotados de propiedades, comportamientos, movimiento e interactividad.
Pero VRML llega incluso más allá: no sólo permite navegar, visualizar y oir, también permite interaccionar con otros usuarios: es un mundo multi-usuarios donde puede estar presente otra gente simultáneamente y donde podemos comunicarnos entre todos.
Para navegar por mundos VRML hace falta un navegador VRML. Afortunadamente hay muchos visores, a menudo gratuítos, disponibles para cualquier sistema operativo. Véase The VRML Repository como referencia.
Hay una advertencia notoria sin embargo: los mundos virtuales pueden venir en varias especificaciones del lenguaje: VRML versión 1.o fué la versión original, limitada y orientada al establecimiento de la definición inicial de mundos virtuales; VRML 2.0 es una versión nueva, más moderna, mejorada con extensiones importantes que permiten interacciones complejas y VRML 98 es la definición actual con algunas modificaciones menores a VRML 2.0.
Hace falta un navegador que soporte todas las versiones o bien dos navegadores, uno para mundos escritos de acuerdo a VRML 1.0 y otro para los escritos en VRML 2.0.
Una vez tenemos el navegador, sea como programa independiente o como una extensión de nuestro navegador WWW, todo se reduce a cargar el mundo VRML. Esto es fácil: basta dirigirse a su URL (su dirección WWW) siguiendo un hiperenlace desde cualquier página WWW, mensaje de correo u otro documento de red, o simplemente introduciendo la dirección en el navegador.
El navegador cargará el fichero con la descripción del mundo virtual y arbirá una ventana para mostrar su contenido, emitiendo los sonidos asociados a sus objetos y animando los objetos según sea preciso. Además, normalmente proporcionará un conjunto de controles para moverse por el mundo, manipular objetos, interaccionar o apuntar a cosas, desencadenar reacciones y activar hiperenlaces. Si tenemos suerte, podremos disfrutar de un guante de datos y un casco de realidad virtual para sumergirnos enteramente en el mundo virtual.
Pero, ¿de dónde proceden estos mundos virtuales? Podemos crearlos de muchas formas. Primero, obviamente, está el método manual, escribiendo nuestra propia descripción del mundo VRML directamente. Es fácil de hacer ya que VRML es muy sencillo, pero es inconveniente para mundos complejos, como los usados en Biología. Una buena introducción es el Lighthouse tutorial
Una segunda alternativa es usar un constructor VRML. Hay varios programas que ahorran aprender el lenguaje. Basta seleccionar objetos básicos (conos, cilindros, cajas, etc...) y situarlos a voluntad. Igualmente, puede resultar enojoso para mundos muy complejos. The VRML Repository es un buen lugar para empezar a buscarlos.
El siguiente paso es usar herramientas especializadas desarrolladas ad hoc para problemas específicos. Éstas tomarán un fichero con datos especializados, por ejemplo una estructura macromolecular de PDB, y lo convertirán a VRML, a veces permitiendo manipular y modificar los datos mostrados previamente. Algunas de estas utilidades son MolMol, pdb2vrml o MolScript.
Y por supuesto, se pueden combinar estos abordajes: podemos empezar con un fichero de datos científicos (p. ej. PDB) y manipularlos para obtener la presentación deseada como objeto VRML. Entonces usando herramientas generales o modificándolo a mano podemos combinar objetos y añadir detalles específicos para ajustar el mundo resultante.
Hay varias formas de aprovechar VRML para presentar datos en Biología. La primera y más obvia es usarlo como un sistema de navegación general.
De este modo podríamos proporcionar un mundo con objetos básicos que conducirían a explicaciones detalladas. Por ejemplo, podríamos diseñar un laboratorio imaginario con todo tipo de objetos, y cuando el usuario cogiese o tocase alguno de ellos se vería transportado a una explicación detallada de temas relacionados, posiblemente una página web literaria u otro mundo virtual. Un ejemplo sencillo es el sistema de navegación usado en las páginas de VRML in Chemistry.
No estamos limitados a simular objetos del mundo real. O a usar la alegoría de una habitación. El mundo VR podría ser igual un tubo de ensayo lleno de molécular tal que al tocarlas llevaran a páginas web con explicaciones detalladas de procesos metabólicos.
Este uso de VRML no es sino una extensión vistosa de lo que ya se puede lograr con páginas WWW e hiperenlaces. Aparte de la analogía con en mundo tridimensional, es poco lo que añade a una página WWW bien diseñada con hiperenlaces equivalentes. Sin embargo el último ejemplo sugiere una extensión que sobrepasa lo que podemos soñar conseguir con páginas WWW.
Los mundos virtuales no están limitados por las leyes físicas. Esto nos proporciona una gran ventaja: como creadores podemos imponer las leyes que deseémos en los mismos.
Siguiendo nuestro ejemplo anterior: el mundo podría ser una probeta virtual, y los objetos estructuras moleculares, celulares o biológicas cualesquiera. Nuestros usuarios o estudiantes se encontrarían sumergidos en un experimento virtual y podrían ser espectadores de lujo de modelos de procesos biológicos. Podrían por ejemplo ver contraerse el músculo, o cómo un enzima reconoce su sustrato, visualizar estructuras complejas y moverse libremente para entender mejor cómo están hechos y cómo funcionan.
Más aún, pueden interaccionar con los objetos del mundo: pueden tomarlos e intentar aproximarlos, buscar mecanismos alternativos de unión, desencadenar reacciones, interferir con el mundo de miles de formas.
Es evidente porqué esto es importante en Biología: los organismos biológicos son entidades complejas, compuestos por componentes complejos y mostrando interacciones complejas.
Un organismo biológico es un ser real con tres dimensiones. Es muy difícil obtener una idea apropiada de su estructura con imágenes bidimensionales. Incluso usando trucos como las vistas estereocópicas para proporcionar un efecto 3-D no basta para permitir al usuario una vista global de los objetos biológicos desde todas las direcciones. La única forma de facilitar su comprensión es mediante modelos 3-D que puedan ser usados, manejados, rotados, etc... mirándolos desde cualquier punto de vista hasta obtener la imagen mental apropidada de su estructura.
Aún así, hay un problema con modelos tan complejos como los especímenes biológicos: pueden ser demasiado complicados para facilitar ver la estructura básica subyacente, que puede estar oculta entre muchos detalles superfluos. Este es por ejemplo el caso de las estructuras protéicas: necesitamos métodos especiales de visualización para resaltar las propiedades de interés.
Y ahora introducimos la siguiente propiedad importante de los seres vivos: son entidades dinámicas en cambio contínuo. Constantemente interaccionan con su entorno, y entenderlos bien requiere entender su comportamiento. Esto supone añadir tiempo. De nuevo, podemos usar películas, incluso con trucos 3-D, para mostrar cómo ocurre, pero es mejor si el usuario puede ver las cosas ocurrir desde cualquier punto de vista, moviéndose mientras suceden las cosas para localizar su posición preferida hasta comprender correctamente lo que ocurre.
Ya existen aplicaciones que pueden usarse para lograr algunas de estas cosas, de las cuales hemos mencionado algunas, como fotos y películas, tal vez con efectos estereoscópicos. Molecules-R-Us es un buen ejemplo de estos enfoques.
Existen otras herramientas para casos especializados. Se puede, por ejemplo, obtener una estructura PDB y visualizarla usando RasMol. El problema es que hace falta recurrir a programas específicos para cada estructura biológica deseada. Si nuestros usuarios son principiantes en el campo (p. ej. estudiantes o científicos de otros campos) será menos probable que tengan el software indicado para procesarlas. VRML por otra parte es una herramienta general al alcance de cualquiera. Un ejemplo de como se puede utilizar Rasmol para visualizar estructuras obtenidas de la red se muestra en Topits2Rasmol sobre cómo usar rutinas para automatizar el proceso.
Al usar VRML el procesamiento lo haríamos nosotros, y el usuario sólo cargaría el modelo preprocesado, listo para visualizar y manipular. Este enfoque es más simple que pedir al usuario que siga una serie de pasos para obtener el modelo deseado, y no corre el riesgo de permitirle realizar cambios que dificultarían la visualización. Como contrapartida, aunque los principiantes lo tendrían más fácil, los usuarios avanzados no podrían hacer cambios. Sin embargo, también se puede crear un formulario que permita a los usuarios avanzados cambiar las propiedades del modelo y recuperar la generalidad. Véase por ejemplo la página de VRML in Chemistry.
Es en la modelización avanzada donde se gana más del uso de VRML y donde éste sobrepasa casi todas las otras aplicaciones. Pocas utilidades especializadas permiten definir un mundo compuesto de varios objetos tomados de aquí y allá y combinados ad hoc para crear un mundo personalizado. Para mostrar dos moléculas con RasMol por ejemplo habría que recalcular las coordenadas de una de ellas antes de unirlas en el mismo fichero.
Otras herramientas, como MolMol, permiten añadir, cambiar la posición y el modo de visualización de estructuras usando una rutina si lo deseamos para automatizar el proceso al usuario. Pero de nuevo, es preciso asegurarse de que todos los posibles destinatarios etndrán este programa y saben como usarlo. Se pierde en generalidad y facilidad de uso, pero se gana en versatilidad para los usuarios avanzados. Queda -eso sí- por discutir si estos usuarios avanzados necesitan nuestra ayuda para preparar su visualización.
Pero las cosas se ponen difíciles cuando queremos añadir comportamientos a nuestros modelos, como un movimiento o una capacidad de respuesta, a nuestros objetos. Esto es algo que ya no podemos hacer con otras herramientas. Necesitamos sensores especializados, mecanismos de simulación avanzados y en general, sistemas software demasiado avanzados para el usuario general. En cambio es fácil de hacer con VRML y no requiere ningún conocimiento adicional de nuestros usuarios. Basta preparar el mundo, definir el comportamiento de los objetos y dejar al usuario jugar en libertad.
A estas alturas cabe preguntarse cual es el truco. Suena demasiado bueno para ser verdad y debe tener un coste. Cierto: crear modelos VRML supone comvertir todos los datos a polígonos y enviar las coordenadas y propiedades de cada uno de ellos al usuariuo. Hablando de estructuras biológicas complejas, esto significa enormes cantidades de datos.
El software especializado permite presentaciones más compactas de los datos, lo que significa una transferencia más eficiente por la red. Los ficheros VRML por otro lado pueden crecer enormemente y -incluso con compresión- algunos pueden llegar a ser prohibitivos para las conexiones de red comunes. Claro que, considerando cómo avanza la tecnología, esto pronto dejará de ser un problema. Entre tanto, los modelos VRML de estructuras muy complejas son más indicados para redes de área local.
Con todo, VRML proporciona medios poderosos para presentar datos científicos y éste es un buen momento para empezar a jugar con él y prepararse para el futuro próximo de mundos envolventes.
En esta sección proporcinaré algunos ejemplos básicos de lo que se puede conseguir. Los ejemplos se han mantenido simples a propósito para reducir los tiempos de carga (algunos modelos de superficie sencillo pueden requerir hasta treinta megabytes de espacio -y horas de conexión en enlaces lentos).
El siguiente modelo VRML 1.0 representa el esqueleto de las moléculas de mioglobina humana y equina. Ambas se cargaron en MolMol, se alinearon para mostrar sus similitudes estructurales, se seleccionaron los enlaces del esqueleto para aclarar la visualización de las propiedades estructurales y se asignaron colores diferentes a cada molécula para facilitar la distinción.
Este es un ejemplo de algo que requirió una combinación de varias moléculas, reposicionarlas, procesarlas para filtrar elementos y asignar propiedades para remarcar características importantes. Llegar a esta imagen puede ser trivial para usuarios avanzados de MolMol, pero es muy difícil para principiantes que apenas saben algo sobre estructura molecular.
El siguiente ejemplo contiene un modelo VRML 1.0 del enzima de restricción EcoRI unido a su sustrato de DNA. Cada una de las moléculas contienen un hiperenlace. Activándolas nos lleva a los destinos correspondientes.
El siguiente ejemplo es un modelo animado interactivo sencillo de las interacciones enzima-sustrato. Simplemente muestra una representación abstracta de un enzima y su sustrato. Activando el sustrato se lanza la animación. Ésta fué escrita en VRML 2.0 para aprovechar propiedades avanzadas como sus sensores e interpoladores.
Convertir la animación anterior a una simulación más realista sólo requiere sustituir los modelos básicos del enzima y su sustrato por los modelos moleculares apropiados y adaptar los movimientos para ajustarlos a los tamaños de las moléculas.
Un ejemplo sencillo de ello es este último modelo en que se ha empleado VRML 2.0 para crear los modelos de las moléculas de EcoRI y una cadena sencilla de DNA sustrato y añadirles un movimiento simple:
Para lanzar la animación basta con tocar la molécula de DNA.