Diagnostic keys: from the textual dichotomous to computer ones

A.L. Lobanov, A.G. Kirejtshuk, S.D. Stepanjants and I.S. Smirnov

Proceedings of the Zoological Institute RAS, 2013, 317(Supplement 2):

Abstract

Information on development of biological diagnostics is given, initially as a branch of biological systematics and then as a separate science. In the second half of the 20th century identification theory had taken shape, principles and methods of compiling and application of keys for identification of biological objects had been developed. The major notions used in biological diagnostics, such as taxon, character, character state, identification step and length of identification path are listed and explained. Forms of identification keys, textual, matrix and computer, are considered. The first-mentioned are most typical of using in paper versions of biological keys. They may be yoked (traditional for the Zoological Institute of the Russian Academy of Sciences) and bracketed (accepted in the western literature). Matrix keys are used extremely rarely. Computer keys are special computer forms for storage and using of diagnostic information. Diagnostic keys are monoentry (diagnosis always begins with one character or with the alternative of type “present–absent”); when the user can choose between several characters the key is multientry. If several character states (more than two) are noted the possibility of choosing between these states makes the key polytomous. One should not confuse multientry and polytomous keys. These are different notions with different bases. The cause of confusion is that multientry keys are nearly always polytomous. In relation to computer keys a description of the process of identification of biological objects using programs developed at the Zoological Institute of the Russian Academy of Sciences in the “man–computer” mode is given. The form of dispersal of computer keys, their publication on compact discs (CD-ROM and DVD-ROM) was convenient for the users. In the recent years software for multientry polytomous keys and for using them in the Internet has been developed.

Key words

diagnostic keys: textual, matrix, computer monoentry, multi-entry, dichotomous, polytomous, biological objects, taxon, character, character state

Published September 16, 2013

References

Балковский Б.Е. 1962. О повышении диагностической значимости признаков, используемых для определения растений. Ботанический журнал, 47(9): 1309–1314.

Бауэр О.Н. (ред.). 1984. Определитель паразитов пресноводных рыб фауны СССР. В: Шульман С.С. (ред.). Т. 1. Паразитические простейшие. Определители по фауне СССР, издаваемые Зоологическим институтом АН СССР, 140. Издательство Наука. Ленинград: 428 с.

Вахитов А.Т., Граничин О.Н., Кирейчук А.Г. и А.Л. Лобанов. 2009. Параллельный алгоритм обучения для интерактивного политомического определителя биологических видов. Научный сервис в сети ИНТЕРНЕТ: масштабируемость, параллельность, эффективность». Новороссийск, 21–26 сентября 2009 г. Труды Всероссийской суперкомпьютерной конференции. Издательство Московского университета: 332–334.

Гамбарян П.П. 1975. Числовой определитель водных цветковых Армении. Биологический журнал Армении, 28(9): 108–111.

Дианов М.Б. и Лобанов А.Л. 1997. PICKEY – Программа для определения организмов с интерактивным использованием изображений. Базы данных и компьютерная графика в зоологических исследованиях (Труды Зоологического института, т. 269). С. 35–39.

Кирейчук А.Г., Лобанов А.Л., Смирнов И.С., Иночкин А.А. и Степаньянц С.Д. 2011. Интернет-определители биологических объектов. 5 лет спустя Научный сервис в сети Интернет: экзафлопсное будущее: Труды Международной суперкомпьютерной конференции (19–24 сентября 2011 г., г. Новороссийск). Издательство МГУ, Москва: 449–453.

Кискин П.Х. 1962. Ключ для определения сортов винограда в питомнике: Издательство «Штиинца» Академии наук Молдавской ССР, Кишинев. 111 с.

Кискин П.Х. 1966. Методы диагностики животных и растений на основе политомического принципа. Политомический принцип определения животных и растений. Кишинев, Штиинца: 19–40.

Кискин П.Х. 1967. Перфокарты, их назначение и использование. Кишинев, Штиинца. 124 с.

Кискин П.Х., Печерская И.H. и Печерский Ю.H. 1965. Автоматизация диагностического поиска сортов винограда на ЭВМ «Минск-1». Виноделие и виноградарство СССР, 1: 21–22.

Лобанов А.Л. 1972. Логический анализ и классификация существующих форм диагностических ключей. Энтомологическое обозрение, 51(3): 668–681.

Лобанов А.Л. 1974. Оценка диагностической ценности рядов признаков в многовходовых определителях, рассчитанных на использование ЭВМ. Тезисы докладов VI Коми республиканской молодежной научной конференции. Сыктывкар: 125–126.

Лобанов А.Л. 1975а. Результаты экспериментов с биологическими диагностическими системами на базе ЭВМ «Наири-С». Биологические исследования на Северо-Востоке Европейской части СССР Ежегодник Института биологии Коми филиала АН СССР. Сыктывкар: 162–168.

Лобанов А.Л. 1975б. Математический аппарат для расчета, оценки и сравнения конструктивных параметров диагностических ключей. Зоологический журнал, 54(4): 485–497.

Лобанов А.Л. 1983. Принципы построения определителей насекомых с использованием электронных вычислительных машин. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук, ЗИН АН СССР. Ленинград: 19 c.

Лобанов А.Л. 1997. Диалоговые компьютерные биологические диагностические системы BIKEY5 и BIKEY6. В: Степаньянц, Лобанов, Дианов (ред.). Базы данных и компьютерная графика в зоологических Исследованиях. Труды Зоологического института РАН, 269: 61–65.

Лобанов А.Л. 1999. Компьютерные определители животных и растений: современное состояние и перспективы. В: Рысс, Смирнов (ред.). Информационно-поисковые системы в зоологии и ботанике. Тезисы международного симпозиума, май 1999. Труды Зоологического института РАН, 278: 79–80.

Лобанов А.Л. и Дианов М.Б. 1994. Диалоговая компьютерная диагностическая система BIKEY и возможности ее использования в энтомологии. Энтомологическое обозрение, 73(2): 465–478.

Лобанов А.Л. и Дианов М.Б. 1995а. Компьютерная диагностическая система BIKEY и ее использование в определении растений. II совещание «Компьютерные базы данных в ботанических исследованиях». 17–19 апреля. Тезисы докладов. Санкт-Петербург: 29–30.

Лобанов А.Л. и Дианов М.Б. 1995б. Компьютерная диагностическая система BIKEY и возможности ее использования в защите растений. Защита растений в условиях реформирования агропромышленного комплекса: экономика, эффективность, экологичность. Всероссийский съезд по защите растений. Тезисы докладов. Санкт-Петербург: 548–549.

Лобанов А.Л. и Дианов М.Б. 1998. Комплекс программ для создания компьютерных зоологических монографий на компакт-дисках. Отчетная научная сессия по итогам работ 1997 г. ЗИН РАН. Тезисы докладов. Санкт-Петербург: 27–28.

Лобанов А.Л. и Дианов М.Б. 1999. Средства мультимедиа в электронных зоологических и ботанических публикациях. Информационно-поисковые системы в зоологии и ботанике. Международный симпозиум, май 1999. Тезисы доклада. Труды Зоологического института РАН, 278: 100.

Лобанов А.Л. и Смирнов И.С. 2004. Место и роль информационных технологий в исследованиях Зоологического института РАН. В: Алимов А.Ф., Степаньянц С.Д. (ред.). Фундаментальные зоологические исследования: Теория и методы. Москва–Санкт-Петербург, Товарищество научных изданий КМК: 283–318.

Лобанов А.Л. и Степаньянц С.Д. 1993. Оптимизация определителя семейств медуз подотряда Filifera (Hydrozoa, Athecata) с помощью компьютерной диагностической системы. В: Степаньянц С.Д. (ред.) Морской планктон. Систематика, экология, распределение. II Исследования фауны морей, 45(53): 38–50.

Лобанов А.Л., Степаньянц С.Д. и Дианов М.Б. 1995. BIKEY – диалоговая компьютерная программа для определения биологических объектов и ее использование в диагностике книдарий. В: Степаньянц С.Д. (ред.) Книдарии. Современное состояние и перспективы исследований. II. Труды Зоологического института РАН, 261: 20–70.

Лобанов А.Л., Кирейчук А.Г., Смирнов И.С., Дианов М.Б. и Граничин О.Н. 2005. Интернет и интерактивные определители биологических объектов. Научный сервис в сети ИНТЕРНЕТ: Труды Всероссийской научной конференции (19–24 сентября 2005 г., г. Новороссийск). Издательство МГУ. Москва: 132–134.

Лобанов А.Л., Кирейчук А.Г., Смирнов И.С., Граничин О.Н., Вахитов А.Т. и Дианов М.Б. 2006. К реализации идеального интерактивного определителя в Интернете для биологических объектов. Научный сервис в сети ИНТЕРНЕТ: Труды Всероссийской научной конференции (18–23 сентября 2006 г., г. Новороссийск). Издательство МГУ. Москва: 202–204.

Лопатин И.К. и Довгайло К.Е. 2002. Жуки рода Cryptocephalus (Chrysomelidae) Палеарктики. CD-ROM. Минск.

Райтвийр А. и Кулль К. 1988. Диалоговый ключ для определения грибов, реализованный на персональном компьютере. Микология и фитопатология, 1: 111–117.

Свиридов А.В. 1973. Проблема соотношения биологической диагностики и систематики. Журнал общей биологии, 34(6): 900–906.

Свиридов А.В. 1976. Материалы по истории методов диагностики биологических объектов Научные доклады высшей школы. Биологические науки, 8: 7–22.

Свиридов А.В. 1978. О некоторых актуальных вопросах теории идентификации биологических объектов с помощью ключей. Научные доклады высшей школы. Биологические науки, 10: 15–28.

Свиридов А.В. 1981. Некоторые проблемы и перспективы теории идентификации биологических объектов с помощью ключей. Сборник трудов Зоологического музея МГУ, 19: 18–37.

Свиридов А.В. 1994. Ключи в биологической систематике: теория и практика. – Издательство МГУ. Москва: 224 с.

Смирнов И.С. и Лобанов А.Л. 1999. Компьютерный определитель по офиурам как база данных для хранения таксономической информации. Бюллетень Московского общества испытателей природы (МОИП). Отдел геологии, 72(1): 87–88.

Степаньянц С.Д. 1979. Гидроиды вод Антарктики и Субантарктики. Исследования фауны морей, 22(30). Издательство Наука. Ленинград. 200 с.

Степаньянц С.Д. 1997. Идентификация семейств медуз и видов некоторых гидроидов с помощью системы BIKEY6. В: Степаньянц, Лобанов, Дианов (ред.). Базы данных и компьютерная графика в зоологических исследованиях. Труды Зоологического института РАН, 269: 151–153.

Степаньянц С.Д. и Шейко (Боженова) О.В. 1989. Пелагические книдарии. Определитель классов, отрядов, семейств. В: Степаньянц С.Д. (ред.) Морской планктон. Систематика, экология, распределение. Исследования фауны морей, 41(49): 100–131.

Сумароков В.М. 1974. Оптимальные деревья для организации и поиска информации Управляющие машины и системы, 3: 43–47.

Allkin R. and White R.J. 1988. Data management models for biological classification. In: Classification and Related Methods of Data Analysis. Amsterdam: North Holland Publishing: 75–90.

Bisby F.A. 1988. Databases, information systems and legume records. Advances in Legume Biology. St Louis. Missouri Botanical Garden: 187 p.

Boswell K. and Gibbs A.J. 1986. The VIDE data bank for plant viruses Development and Applications in Virus Testing. Association of Applied Biologists, UK: 283–287.

Dallwitz M.J. 1974. A flexible computer program for generating diagnostic keys. Syst. Zool. 1974. Vol. 23, No. 1. P. 50–57. https://doi.org/10.1093/sysbio/23.1.50

Dallwitz M.J., Paine T.A. and Zurcher E.J. 2002. Interactive identification using the Internet. In: Towards a global biological information infrastructure – challenges, opportunities, synergies, and the role of entomology, European Environment Agency Technical Report, 70. EEA, Copenhagen: 23–33.

Dedet J.P., Lebbe J and Vignes R. 1990. A multinational programme for computer identification of phlebotomine sandflies of America. Bulletin de la Societe Francaise de Parasitologie, 8(2): 1131.

Draper S.R. and Keefe P.D. 1989. Machine vision for the characterization and identification of cultivars. Plant Varieties and Seeds. 2(1): 52–62.

Estep K.W. 1989. Creating and using taxonomic keys with hypercard. Fisken Hav, 1: 1–13.

Fdez-Valdivia J., Perez de la Blanca N., Castillo P. and Gomez-Barcina A. 1992. Line detection and texture analysis for automatic nematode identification. Journal of Nematology, 24(4): 571–577.

Galtsova V.V. and Kulangieva L.V. 1995. Expert system for identification of free-living nematodes. 9th International Meiofauna Conference. Perpignan, France: 62.

Galtsova V.V., Starobogatov Ya.I. and Kulangieva L.V. 1995. The conceptual scheme of expert system for taxonomy of invertebrates (with special reference to nematodes and mollusks). Towards a regional ETI Branch in St. Petersburg: 21–22.

Holmes B. and Hill L.R. 1985. Computers in diagnostic bacteriology, including identification. Computer-Assisted Bacterial Systematics. 265–287. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-289665-1.50016-2. http://www.zin.ru/Animalia/Coleoptera/rus/atlas.htm. 2005. http://www.zin.ru/projects/webkey-x/superkey. 2010.

Katsimis C. and Poularikas A.D. 1986. Pattern recognition of zooplankton images using circular sampling Pattern recognition of zooplankton images using circular sampling technique Proceedings. SPIE, 596: 207–211. https://doi.org/10.1117/12.952308

Lamarck J.-B. 1778. Flore francaise. Paris. 456 p.

Lawrence J.F., Hastings A.M., Dallwitz M.J., Paine T.A. and Zurcher. 1995. The Beetles Larvae of the World. CD-ROM. Melbourne: CSIRO Publishing.

Lawrence J.F., Hastings A.M., Dallwitz M.J., Paine T.A. and Zurcher. 1999. The Beetles of the World: A Key and Information System for Families and Subfamilies. CD-ROM. Melbourne: CSIRO Publishing.

Leuschner D. and Sviridov A.V. 1986. The mathematical theory of taxonomic keys. Biometry Journal, 28(1): 109–113. https://doi.org/10.1002/bimj.4710280120

Lobanov A. and Dianov M. 1996. Wir bestimmen Kaefer (Мир жуков). CD-ROM. Berlin, "dialobis edition".

Lobanov A.L., Schilow W.F. and Nikritin L.M. 1981. Zur Anwendung von Computern fur die Determination in der Entomologie Deutsche Entomologische Zeitschrift, N.F., 28(1–3): 29–43. https://doi.org/10.1002/mmnd.4800280105

Lobanov A.L., Stepanjants S.D. and Dianov M.B. 1996. Dialogue computer system BIKEY as applied to diagnostics of Cnidaria (illustrated an example of hydroids of the genus Symplectoscyphus). Scientia Marina. In: S. Piraino, F. Boero, J. Bouillon, P.F.S. Cornelius, J.M. Gili (Eds.). Advances in Hydrozoan Biology, 60(1): 211–220.

Miller G.A. 1956. The magical number seven, plus or minus two Psychological Revue, 63: 81–92. https://doi.org/10.1037/h0043158

Miller M.G. and Day E.R. 1990. Interactive taxonomy: name that bug in three touches or less American Entomologists, 36(3): 219–224. https://doi.org/10.1093/ae/36.3.219

Pankhurst R.J. (Ed.). 1975. Biological Identification with Computers. London: Academic Press. 333 p.

Pankhurst R.J. 1978. Biological Identification. The principles and practice of identification methods in biology. London. Edward Arnold: 104 p.

Pankhurst R.J. 1986. A package of computer programs for handling taxonomic databases. CABIOS, 2: 33–39. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/2.1.33

Pankhurst R.J. 1988. Taxonomic biology seen as a database. Classification and Related Methods of Data Analysis: 709–716.

Pankhurst R.J. 1991. Practical taxonomic computing. Cambridge: Cambridge University Press: 202 p.

Pankhurst R.J., Dallwitz M.J. and Payne R.W. 1984. Notice to users of computer programs for identification and description Taxon, 33: 556.

Payne R.W. 1978. GENKEY. A program for constructing and printing identification keys and diagnostic tables. Harpenden: Rothamsted Experimental Station: 54 p.

Payne R.W. and Preece D. 1980. A. Identification keys and diagnostic tables: a review. Journal of the Royal Statistic Society, series A. 143(3): 253–292. https://doi.org/10.2307/2982129

Rubio F.F. 1986. Computerized key for the determination of Spanish Rhopalocera. Servico de Publicaciones: 237.

Ryss A. and Lobanov A. 1999. Principles of taxonomic identification illustrated on nematode computer key. Problems of Nematology. Trudy Zoologicheskogo Instituta RAS. (Proceedings of the Zoological Institute RAS), 280: 22–23.

Ryss A., Lobanov A. and Dianov M. 1995a. Identification key to Pratylenchus (Pratylenchidae) in the BIKEY dialogue computer diagnostic system. International Nematology Symposium. 23–30 September 1995. Abstracts of papers. St. Petersburg, Russia: 82–83.

Ryss A., Sturhan D., Lobanov A. and Dianov M. 1995b. Identification key to Pratylenchoides (Tylenchida) in the dialogue computer diagnostic system. International Nematology Symposium. 23–30 September 1995. St. Petersburg – Russia. Abstracts of papers: 80–82.

Schalk P.H. 1993. Computer-aided taxonomy. Binary, 4: 124–126.

Schilowa B. 1997. Wir bestimmen Baeume. CD-ROM. Berlin, “dialobis edition”.

Sviridov A.V. and Leuschner D. 1986. Optimization of taxonomic keys by means of probabilistic modelling Biometrical Journal, 28(5): 609–616. https://doi.org/10.1002/bimj.4710280511

Tilling S.M. 1984. Keys to biological identification: their role and construction. Journal of Biological Education, 18: 293–304. https://doi.org/10.1080/00219266.1984.9654660

Vignes R., Lebbe J. and Dedet J.P. 1990. Automatic generation of identification keys for French Guinea Phlebotomine sandflies. Bulletin de la Societe Francaise de Parasitologie, 8(2): 1147.

Watson L. 1981. An automated system of generic descriptions for Caesalpinioidea, and its application to classification and key-making. Advances in Legume Systematics: 65–81.

Winfield P.J., Allkin R. and Bisby F.A. 1987. ALICE: Biological checklist and species diversity database system. Edinburgh: Agricultural Scientific Services. 27 p.