Насекомые – самая разнообразная группа животных на Земле, и лишь небольшая их часть была обнаружена и официально описана. На самом деле видов так много, что открытие всех их в ближайшем будущем маловероятно.
Это огромное разнообразие насекомых также означает, что у них очень разные истории жизни и роли в экосистемах.
Например, журчалка в Гренландии живет совсем другой жизнью, чем богомолы в тропических лесах Бразилии.
Но даже внутри каждой из этих двух групп существует множество видов, каждый со своими особыми характеристиками и экологическими ролями.
Чтобы изучить биологию каждого вида и его взаимодействие с другими видами, необходимо поймать, идентифицировать и подсчитать множество насекомых. Само собой разумеется, что это очень трудоемкий процесс, который в значительной степени ограничивает способность ученых понимать, как внешние факторы влияют на жизнь насекомых.
Новое исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, как современные компьютерные технологии и искусственный интеллект могут быстро и эффективно идентифицировать и подсчитывать насекомых.
Для ученых это огромный шаг вперед – они смогут понять, как эта важная группа животных меняется с течением времени – например, в ответ на потерю среды обитания и изменение климата.
Глубокое обучение
"С помощью передовых технологий камеры мы теперь можем собирать миллионы фотографий на наших полевых участках. Когда мы одновременно учим компьютер различать разные виды, компьютер может быстро идентифицировать разные виды на изображениях и подсчитывать, сколько он нашел каждого из них.
Это меняет правила игры по сравнению с тем, что человек с биноклем в поле или перед микроскопом в лаборатории вручную определяет и считает животных », – объясняет старший научный сотрудник Токе Т. Хой из отдела биологических наук и Центра арктических исследований Орхусского университета, возглавлявший новое исследование. Международная команда, стоявшая за исследованием, включала биологов, статистиков, инженеров-механиков, электриков и программистов.
Методы, описанные в статье, используются под общим термином «глубокое обучение» и представляют собой формы искусственного интеллекта, которые в основном используются в других областях исследований, таких как разработка автомобилей без водителя. Но теперь исследователи продемонстрировали, как эта технология может быть альтернативой трудоемкой задаче ручного наблюдения за насекомыми в их естественной среде, а также задачам сортировки и идентификации образцов насекомых.
«Мы можем использовать глубокое обучение, чтобы найти, так сказать, иголку в стоге сена – образец редкого или неописанного вида среди всех образцов широко распространенных и распространенных видов.
В будущем всю тривиальную работу может выполнять компьютер, и мы сможем сосредоточиться на самых сложных задачах, таких как описание новых видов, которые до сих пор были неизвестны компьютеру, и интерпретировать множество новых результатов, которые мы получим. "объясняет Toke T. Hoye.
И действительно, впереди много задач, когда речь идет об исследованиях насекомых и других беспозвоночных, называемых энтомологией. Во-первых, это отсутствие хороших баз данных для сравнения неизвестных видов с уже описанными, а также потому, что пропорционально большая доля исследователей концентрируется на хорошо известных видах, таких как птицы и млекопитающие. Благодаря глубокому обучению исследователи ожидают, что смогут значительно расширить знания о насекомых.
Необходимы длинные временные ряды
Чтобы понять, как популяции насекомых меняются с течением времени, необходимо проводить наблюдения в одном и том же месте и одним и тем же способом в течение длительного времени. Это необходимо с длинными временными рядами данных.
Некоторые виды становятся более многочисленными, а другие – более редкими, но для понимания механизмов, вызывающих эти изменения, очень важно, чтобы одни и те же наблюдения проводились из года в год.
Самый простой способ – установить камеры в одном месте и делать снимки одной и той же местности. Например, камеры могут делать снимки каждую минуту.
Это даст массу данных, которые на протяжении многих лет могут информировать о том, как насекомые реагируют на более теплый климат или на изменения, вызванные землепользованием. Такие данные могут стать важным инструментом для обеспечения надлежащего баланса между использованием человеком и защитой природных ресурсов.
«До того, как эти новые методы станут широко доступными, впереди еще предстоит решить проблемы, но наше исследование указывает на ряд результатов, полученных в других исследовательских дисциплинах, которые могут помочь решить проблемы энтомологии. Здесь очень важно тесное междисциплинарное сотрудничество между биологами и инженерами », – говорит Токе Т. Hoye.