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Laien-Gezocke für die Forschung

Mit einem Facebook-Spiel kann man gegen das Eschen-mordende Stengelbecherchen kämpfen: Schnöder PR-Gag oder echte Citizen Science? Ein Selbstversuch.
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(27. August 2013) Das gelbe Symbol noch eine Position nach links, alle roten Blätter schön untereinander schieben... – das bringt mir 100 Punkte auf der Scorecard. Nur noch 20 Punkte zusammenkratzen und schon habe ich einen Mitspieler aus dem Rennen geworfen. Die Arbeit kann ruhig noch ein paar Minuten warten. 

Nein, ich verdaddel hier keine Zeit mit einem stupiden Facebook-Spiel. Ich rette britische Bäume! Eschen (Fraxinus excelsior), um genau zu sein. Die sind nämlich akut bedroht durch das „falsche weiße Stengelbecherchen“ (Chalara fraxinea). Chalara ist ein pflanzenpathogener Pilz, der Eschenbestände quer durch Europa bedroht – auch in Deutschland. Lange Zeit dachten die britischen Förster, ihre 80 Millionen Eschen könnten verschont bleiben – Vorteil der Insel-Lage! –, bis 2012 die Krankheit doch über den Ärmelkanal schwappte.

Ein Forscherkonsortium unter Führung des John Innes Centre in Norwich sequenzierte umgehend Genome von Fraxinus an verschiedenen Standorten, ebenso wie das Erbgut von Pilzproben der betroffenen Bäume. Das Ziel des Projekts war klar: Gen-Varianten in den Baum-Populationen finden, deren Träger weniger anfällig für das Eschentriebsterben sind.

Netz-Bürger als Hobby-Bioinformatiker

So weit, so gut. Aber was hat das jetzt aber mit meinem Gedaddel bei Facebook zu tun? An dieser Stelle kommt Daniel Maclean ins Spiel. Der Bioinformatiker des dem John Innes Centre benachbarten Sainsbury Laboratory hat nämlich zusammen mit der Computerspiele-Schmiede Team Cooper aus Sheffield ein Online-Spiel entworfen, mit dem Netz-Bürger den Forschern via Facebook unter die Arme greifen können. Darin versuchen die Spieler über ein Puzzle möglichst viele Punkte einzuheimsen, um ihre Facebook-Freunde zu überbieten –  und helfen dabei ganz nebenbei den Forschern, die Genomdaten zusammenzusetzen. Der Name des Spiels: Fraxinus.

Wie das? Bei jedem Genomprojekt fällt naturgemäß ein Haufen Rohdaten an, der mühsam aufbereitet werden will. Die DNA wird ja nicht von Anfang bis Ende systematisch abgelesen. Vielmehr müssen Bioinformatiker viele tausend ungeordnete Sequenzabschnitte (sogenannte „Reads“) korrekt zusammensetzen. Das Problem heißt „Multiple Sequence Alignment“ (MSA). In diesem Fall müssen demnach sämtliche Sequenz-Fragmente der verschiedenen Eschen-DNA-Proben so untereinander geschrieben werden, dass korrespondierende „Buchstaben“ der DNA an gleicher Position stehen – erst dann können die Forscher diejenigen Sequenzpositionen genauer unter die Lupe nehmen, die tatsächlich von Baum zu Baum verschieden sind und für weitere Forschungen interessant sein könnten.

Aber schafft ein leistungsfähiger Computer heutzutage so ein Sequenz-Alignment nicht quasi im Alleingang? Mehr oder weniger ohne menschliche Hilfe? Meine erste Reaktion war deshalb: Das Facebook-Spiel scheint eher ein charmanter PR-Stunt der britischen Pflanzenforscher zu sein.

Berechnungen bis in alle Ewigkeit  

Sicher, die Aufmerksamkeit in den sozialen Netzen nehmen die Wissenschaftler gerne mit – aber die bei Facebook erspielten Daten helfen tatsächlich mit, den Datensatz zu verbessern. Denn das MSA ist in der Tat ein schwieriges Software-Problem; die Informatiker sagen, es ist „NP-vollständig“. Was das jetzt genau heißt, braucht uns hier nicht zu interessieren – aber eins ist klar: Kein Computer der Welt kann alle Alignment-Möglichkeiten bewerten, um endlich die optimale Lösung zu finden; die Berechnungen würden bis in alle Ewigkeit andauern. Ähnlich wie bei einer Schachpartie, in deren Verlauf die Kombination der Zugvarianten exponentiell ansteigt.

Um trotzdem einen funktionierenden MSA-Algorithmus zu basteln, muss der Programmierer Abkürzungen („Heuristiken“) vorsehen – also den Rechner anweisen, unwahrscheinlich erscheinende Routen bei der Berechnung zu vernachlässigen. „Heuristik“ ist daher eigentlich nur ein elegantes Wort für „systematisches Raten“. Und wie das beim Raten so ist, verpasst die MSA-Software gelegentlich auf diese Weise die Abzweigung zum optimalen Alignment.

Mensch schlägt Maschine

Das Interessante an der Geschichte ist jetzt: Menschen gehen das Problem ganz anders an als ein Computer-Programm. Davon kann sich jeder selbst überzeugen, der selbst ein paar Minuten Fraxinus anspielt. Menschen berechnen nicht alle möglichen Anordnungen der bunten Symbole (die für die vier „Buchstaben“ der DNA stehen), sondern erkennen sinnvolle Muster sozusagen en bloc. Unser Gehirn, geformt von Millionen Jahren Evolution, springt mit atemberaubender Flexibilität auf Ähnlichkeiten in visuellen Mustern an. Und so schlägt Mensch schließlich Maschine (siehe dazu auch diese PLoS ONE-Arbeit von Alexander Kawrykow und Kollegen).

Wenn Tausende Facebook-Benutzer einen zweiten (oder dritten) Blick auf die oftmals suboptimalen Ergebnisse der Computer-Algorithmen werfen, kann aus solch einem Crowd-Sourcing-Projekt am Ende tatsächlich ein verbesserter Datensatz herauskommen – so zumindest die Hoffnung von Daniel Maclean. Dass die Spieler in der Mehrzahl molekularbiologische Laien sind, muss kein Nachteil sein; im Gegenteil, die Spieler sind vermutlich weniger voreingenommen als die Profis. 

Die Bioinformatiker vom Sainsbury Laboratory sind nicht die ersten Wissenschaftler, die auf die geballte Leistung menschlicher Gehirne zur Bewältigung eines Datenbergs bauen. Ein ähnliches Citizen Science-Projekt haben Astronomen schon im Jahr 2007 gestartet. Bei Galaxy Zoo ging es darum, verschiedene Galaxie-Formen zu klassifizieren – auch ein Job, der die überlegene menschliche Mustererkennung benötigt. Innerhalb kurzer Zeit haben damals 150.000 Bürger über 50 Millionen Galaxien bearbeitet.

Spaßbremsen in der Umsetzung

Die Macher von Fraxinus gehen indes noch einen Schritt weiter und nutzen die Facebook-Plattform, um einen Wettbewerb-Aspekt im sozialen Netz der Spieler mit einzubringen.

Was mich zur aus Zocker-Sicht wohl wichtigsten Frage führt: Macht das Spiel auch Spaß? Ich habe den Facebook-Account meiner Freundin gehackt (OK, ich habe schon vorher gefragt) – und es ausprobiert. Wer kein Facebook-Konto hat, ist nämlich ausgesperrt – das ist schon mal ein Kritikpunkt. Aber immerhin bleibt meine miserable Punkte-Ausbeute jetzt an meiner Freundin hängen.

Die Einführung fand ich gelungen. Wer ein paar Minuten Zeit hat, bekommt einen laienverständlichen Eindruck davon, was es mit dem Eschentrieb-Sterben („Ash Dieback“) auf sich hat und wozu das Ganze gut ist. Und die nervtötende Musik kann man ja abstellen. 

Das Spielerlebnis selbst? Na ja. Schafft man es, für ein Muster die angegebene Ziel-Punktzahl zu überbieten, so darf man das Alignment „behalten“ – man baut sich quasi eine Trophäensammlung aus Alignment-Mustern auf. Allerdings kann man den Mitspielern ihre schon bearbeiteten Muster auch unter der Nase wegschnappen, ein paar Verbesserungen finden und so das Muster für sich beanspruchen. Die Benutzernamen der besten „Aligner“ eines Abschnitts sollen übrigens auch neben der Genom-Annotation in der Datenbank des Crowd Sourcing-Projekts gewürdigt werden.

In einem früheren Leben habe ich selbst stundenlang ganz ähnliche DNA-Alignments bearbeitet, vielleicht hält sich mein ganz persönliches Spiel-Vergnügen deshalb in Grenzen. Die bunten Symbole bei Fraxinus hin-und herzuschieben, bis es passt – das fühlt sich schon sehr wie Arbeit an.

Ich bin auch über ein paar Spaßbremsen in der Umsetzung gestolpert. Einige Datensätze beispielsweise haben offensichtlich überhaupt keine Sequenz-Ähnlichkeit mit der Vorlage und müssten wohl aussortiert werden.

Aber auch wenn es spannendere Computerspiele gibt – ein Motivations-Schub ist sicher, dass die Spieler mit einem halbwegs kurzweiligen Puzzle die Forschung voranbringen. So zumindest die Reaktion einiger britischer Schüler, die das Spiel getestet hatten.

Nach 30 Minuten Fraxinus kann somit eine Antwort auf das Eschensterben durchaus ein ganz klein wenig näher gerückt sein. Ein sinnvoller Zeitvertreib also – was man nach 30 Minuten digitalem Schafezüchten oder ähnlich folgenlosem Internet-Geklicke selten sagen kann.

Hans Zauner



Letzte Änderungen: 20.09.2013

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