光线渐暗，通过一个清晰度极高的巨大屏幕，观众感觉自己飘浮在一片红杉林中。随着镜头渐渐转向林中深处，巨大的视觉冲击力令人眩晕，悬浮的感觉便转换为许多让人目不暇接的场景：先是红杉树的一根树枝迅速向你逼近，接着瞬间跃入一片树叶中，最后进入了一个细胞内……在这个细胞中，出现了1966年科教片标题“奇妙的旅行”的镜头，影片展现的是一个微型胶囊中的一个小人儿在人体中穿行的一段旅程……

 

　　最近，在加州科学院莫里森天文馆举办的多媒体演示节目上放映的这部“生命：宇宙之旅”科幻片，与1966年“奇妙的旅行”有着很大的不同，前者所依赖的不仅仅只是电脑动画技术，同时还运用了大量的数字化数据。

 

　　“生命：宇宙之旅”在视觉感官上引人入胜地向我们展示，超级计算机正在改变着科学――给科学家提供了新的工具和手段，其重要性不逊于显微镜和望远镜早年对科学的贡献，它们的应用将给科学研究带来根本性的转变。以往，放在显微镜下研究的通常是某个样本，如化石、生物体或是细胞。如今，依靠计算机的超级能力，研究人员可以在一个更大的范围内收集海量数据，掌握海量信息。

 

　　科学研究中的实体工具还在继续使用中，如新型的电子显微镜、望远镜、粒子对撞机等，但如今这些实体工具与计算机技术已经不可分离，计算机技术可以让科学家们在实体工具收集到的原始信息中分析和寻找它们的规律和模式。计算机不仅是科学研究的重要辅助手段，而且还可以定义研究的性质，包括可以研究些什么，或提出些什么新的问题，并最终得到这些问题的答案。

 

　　“具有深远意义的是，如今所有的科学仪器都包含有计算机智能，这是一个巨大的变化，”圣地亚哥加州通讯和信息技术学院（Calit2）天体物理学家拉里•斯马尔（Larry Smarr）说道。

 

　　这次在莫里森天文馆的多媒体演示会展示的第一个节目叫做“脆弱的星球”，在观看过程中，参观者感觉自己越过了莫里森展馆的屋顶，并优雅地围绕着皮亚诺设计的天文馆飞绕一周，划出一道优美的弧线，然后迅速冲出太阳系进入宇宙深处……设计者用一个精心制作的星空投影仪将视觉影像投影在莫里森天文馆圆顶上，然后在新的系统中增加了三个并行的计算机系统，存储的大量数据使该系统既能望远又能显微，从小得不可思议的微观景象，到大得难以想像的宏观景象。莫里森天文馆馆长、天文学家瑞安•怀亚特（Ryan Wyatt）说，这个计算机化的天文馆可以对其进行天衣无缝的操控，以超过12个数量级的速度“从亚原子微观结构到宇宙大尺度结构”之间迅速瞬移。

 

　　凯蒂·波纳尔（Katy Borner）是印第安纳大学的计算机可视化技术方面的专家，她将这种技术称之为“显宏镜”（macroscope）”，以此来描述以计算机为基础的科学仪器――将天文馆新的虚拟技术和原来的实体仪器结合在一起。这种复合型的科研工具，包括各种实体仪器和强大灵活的计算机软件程序，成为一个完整的科学工作台――通过混合和匹配各种软件进行重新配置，以解决各种具体的研究课题。

 

　　莫里森天文馆的“显宏镜”原本是为科普教育而设计的，但也可用于研究，其拥有以多种方式访问各种大型数据库的能力。“‘显宏镜’提供的是一种‘整体视野’，”波纳尔博士在近期《美国计算机协会通讯》中写道，“在授权访问无数细节的同时，帮助我们‘合成’相关的元素，识别不同的模式和趋势等。”她说，这种有计算机软件辅助的科学仪器，能够发现更多以往对于人类眼睛和大脑来说“过于宏观、缓慢或复杂而难以发现的现象。”

 

　　波纳尔指出，计算机技术正在以多种方式改变着科研领域。例如，独立科学家正在越来越多地让位于研究团队，高能物理科研论文的作者往往多达数百甚至数千人。在某种意义上这并不足为奇，对于欧洲粒子物理研究所(CERN)的高能物理研究团队来说，网络作为一个协同合作的工具，正是上世纪90年代初起源于欧洲粒子物理实验室，如今所有科学学科的研究队伍也都越来越倾向于多学科的融合和更广泛的地域分布。

 

　　Web2.0软件与实体工具天衣无缝的结合，使其在更易于共享研究成果的同时，促进了科研合作的大发展――由于更容易对以软件为基础的一些技术手段进行调整和组合，包括从分析工具到数据的输入输出等，从而极大地提高了跨学科领域研究的效率。

 

　　显宏技术并不一定局限在某一单个的物理位置上。例如，Calit2一组大屏幕就像是进入世界其他地区实验室的高分辨率的窗口，并可以与一个遥远的实验室相连接。四年前，沙特阿拉伯图沃的阿卜杜拉国王科技大学的代表访问了Calit2并启动了一个合作项目，即Calit2的科学家帮助在图沃建立了一个并行的可视化中心，该中心以高达10千兆比特的带宽与互联网相联，足以共享高清晰度的图像和研究数据。

 

　　沙特的研究人员现在可以访问一个被称为“可扩展自适应图形环境”（SAGE）的软件系统，开发这款软件的初衷是为了让相隔很远的科学家共享数据的同时，对数据进行可视化处理。SAGE基本上是一个视觉信息的操作系统，拥有对高达约10亿像素的三分之一的图像进行显示和处理的能力，是传统计算机显示能力的150倍以上。

 

　　“这款应用软件的优势是协作，这正是人们所想要的，”Calit2的计算机专家德范尼（DeFanti）博士说道，“省下飞往伦敦所需的能量可供一列计算机运行一年。”

 

　　十多年前，斯马尔博士就开始构建他所称的OptIPuter分布式超级计算机系统，用光纤链路连结起全国的超级计算机中心，以共享大型计算机系统超大容量的信息资源。然而，随着高性能计算机系统的出现，同时也产生了一个新的瓶颈，斯马尔说：“在过去十年里，由于信息存储能力提高了大约1万倍，计算机的速度也比以往快了1000倍以上，但像素显示和处理能力大概只提高了2倍。”

 

　　为了使可视化能力的速度赶上计算机的能力，研究人员开始设计一种称做OptIPortals的显示系统，以更有效地显示科学数据。最近，Calit2的研究人员开始设计缩小版的OptIPortables可视系统――一种较小型的显示系统，就像垒高拼装玩具一样，将部分显示内容连接起来，并可快速设置和移动。德范尼说，他的实验室如今已拥有安装这种系统的能力。在许多科学领域内，以软件为基础的科研工具正在迅速增加新的功能，开放式系统可使较小的研究团体甚至个人增加新的功能，同时允许自定义。

 

　　华盛顿大学李•胡德（Lee Hood）实验室于2001年开始研究的Cytoscape是一个生物信息学软件工具集，胡德博士是西雅图系统生物学研究所创始人之一，自动化基因测序领域的先驱，当时他的学生特雷•伊德克（Trey Ideker）正在研究是否有可能对基因相互作用的图谱绘制工作实行自动化。

 

　　基因测序是一项极为复杂的任务，原因在于基因的互动作用使得构成人类染色体大约3万个基因的图谱绘制变得更为复杂，但同时也导致了网络生物学的出现，生物学家为此开始建立细胞和疾病过程的计算机辅助模型。

 

　　“很快，我们就意识到面临这个问题的并不只有我们，其他人也在独立开发软件工具，”伊德克博士说。在当时，研究人员做了一个可能要承担很大风险的决定，即开发开放性源代码软件，这意味着整个生物学研究界可以自由共享数据。如今由于身为加州大学圣地亚哥医学院首席遗传学家的伊德克的介入，加快了多伦多大学计算生物学实验室生物学家加里•贝德（Gary Bader）这项研究的进程。

 

　　在过去十年的研究过程中，不断有新的合作者的加入，他们为这项研究“添砖加瓦”，将一些为完成具体任务而设计的软件模块贡献进来，加快了该软件的开发效率。“早在2001年，我们就允许这种称做插件的模块的加入，如今也可叫做应用程序，”胡德说，“如今Cytoscape可用的应用软件多达数百个。”

 

　　利用插件模块，有助于将不同的数据库转换成一个联合体，科学家可以在不同的资源中选择他们所需要的数据资料。类似Cytoscape与大型数据库相连的工具，已越来越为一些新兴研究领域内的科学家所喜爱。比如，在基因组学和蛋白质组学研究中，基因测序产生的海量数据导致大型基因库的产生，该数据库目前由美国国家生物技术信息中心运营。随着越来越多的数字化数据流，其他类型的数据库也正在建立之中，比如，欧洲生物信息研究所正在筹建一个蛋白质相互作用的新的数据库系列。

 

　　对此，波纳尔博士认为，Cytoscape软件工具集功能强大，它所建立的共享机制是基于互联网的基础。她说，这也是见证了如Flickr和YouTube网站共享机制的威力和影响力之后产生的灵感，此外，它还具有被迅速用于其他学科领域的潜力。