Tajne herbarijuma

Vekovima su botaničari sakupljali biljke, presovali ih, sušili i čuvali u herbarijumima. Ovi primerci su prvobitno služili kao fizički zapisi o biljnim vrstama, ali digitalizacija im daje potpuno novu naučnu ulogu.

Više od 145 miliona biljnih i gljivičnih primeraka iz više od 170 institucija u 40 zemalja sada je digitalizovano. Kada se fotografišu i unesu u pretražive baze podataka, ove istorijske zbirke mogu da se analiziraju u obimu koji bi bio nemoguć za pojedinačne istraživače.

Veštačka inteligencija pomaže da se ovi arhivi pretvore u dokaze o tome kako se priroda menjala tokom vremena.

Analizirano osam miliona primeraka

Istraživači su obučili sistem mašinskog učenja da prepozna da li su biljke cvetale na digitalizovanim slikama herbarijumskih primeraka. Model je zatim primenjen na oko osam miliona sačuvanih primeraka koji predstavljaju približno 200.000 vrsta iz različitih delova sveta. Obim eksperimenta je zapanjujući.

Prema rečima istraživača mašinskog učenja Davida Williamsona, automatizovana analiza trajala je oko nedelju dana. Ručno obavljanje istog posla moglo bi zahtevati približno 40.000 sati, što odgovara oko 20 godina rada sa punim radnim vremenom. To ne znači da veštačka inteligencija zamenjuje botaničare.

Umesto toga, ona omogućava istraživačima da brzo obrade ogromne zbirke, ostavljajući stručnjacima više vremena za proučavanje obrazaca, proveru neobičnih rezultata i postavljanje pitanja koja su ranije bila previše obimna za istraživanje.

Prava prednost veštačke inteligencije je brzina: ona može otkriti obrasce skrivene u milionima primeraka, dok stručnjaci ostaju odgovorni za njihovo tumačenje.

Vreme cvetanja se menja

Jedan od najjasnijih nalaza odnosio se na cvetanje. Tokom proteklog veka, vreme cvetanja širom sveta pomerilo se u proseku za oko 2,5 dana po deceniji.

Smer promene nije bio isti svuda. Neke vrste počele su da cvetaju ranije, dok su druge pomerile cvetanje na kasnije periode. Istraživače je najviše iznenadilo mesto na kojem su se pojavile najveće promene.

Budući da se neka od najbržih povećanja temperature povezana sa klimatskim promenama događaju na visokim severnim geografskim širinama, naučnici su možda očekivali da će tamo biti zabeležene najdramatičnije promene.

Umesto toga, neke od najvećih promena zabeležene su u tropskim područjima.

Ekolog biljaka James Speed objasnio je da je cvetanje tropskih biljaka često usko povezano sa padavinama, a ne samo sa temperaturom. Ako promenjeni klimatski uslovi utiču na vreme početka ili pouzdanost kišnih sezona, biljke mogu reagovati cvetanjem u drugačije vreme.

Zašto je vreme važno

Nekoliko dana možda ne zvuči dramatično, ali cvetanje je deo mnogo većeg ekološkog kalendara. Biljke, insekti, ptice i druge životinje često zavise od toga da se određeni događaji odvijaju u pravo vreme. Ako biljka procveta ranije, a njen glavni oprašivač nije na isti način prilagodio svoj životni ciklus, dve vrste mogu postati manje usklađene.

Takva neusklađenost može smanjiti uspešnost oprašivanja. Posledice se zatim mogu širiti kroz čitave ekosisteme. Manji broj insekata oprašivača može uticati na ptice koje se hrane insektima, dok promene u oprašivanju mogu uticati i na proizvodnju useva i razmnožavanje divljih biljaka.

Klimatske promene ne moraju odmah dovesti do nestanka vrste da bi poremetile ekosistem. Sama promena vremena odvijanja bioloških događaja može izazvati posledice duž čitavog lanca ishrane.

Stare zbirke dobijaju novu vrednost

Herbarijumski primerci su posebno korisni jer su mnogi sakupljeni pre više decenija ili čak vekova. Svaki primerak može sačuvati podatke o tome gde je biljka rasla, kada je sakupljena i u kojoj se fazi razvoja tada nalazila. Kada se milioni takvih zapisa objedine, istraživači mogu upoređivati istorijske obrasce sa savremenim.

Time muzejske zbirke postaju nešto nalik globalnoj vremenskoj mašini za proučavanje životne sredine.

Primerci koji su nekada služili uglavnom kao taksonomske reference sada mogu pomoći u odgovaranju na pitanja o klimatskim promenama, rasprostranjenosti vrsta, obrascima cvetanja, gubitku biodiverziteta, pa čak i riziku od izumiranja.

Veštačka inteligencija može pomoći u pronalaženju nepoznatih vrsta

Ista tehnologija mogla bi pomoći naučnicima da se suoče sa još jednim ogromnim izazovom: veliki deo biodiverziteta planete još uvek nije formalno dokumentovan. Smatra se, na primer, da više od 90% vrsta gljiva još nije mapirano. Istovremeno, vrste nestaju dovoljno brzo da neke mogu iščeznuti pre nego što budu u potpunosti opisane.

Alati zasnovani na mašinskom učenju mogu pomoći tako što pretražuju digitalizovane zbirke u potrazi za neobičnim primercima i označavaju ih za stručnu proveru. Statistički modeli takođe mogu proceniti da li je vrsta koja dugo nije viđena možda izumrla ili je jednostavno promakla istraživačima. Te informacije mogle bi pomoći naučnicima da odluče gde su terenska istraživanja najpotrebnija.

Zašto su ljudi i dalje važni

Veštačka inteligencija može brzo prepoznati obrasce, ali ne može samostalno da odluči da li ti obrasci imaju biološki značaj.

Taksonomista Martin Cheek smatra da bi automatizovana identifikacija mogla značajno uštedeti vreme stručnjacima, posebno kada se bave uobičajenim vrstama. Stručnjaci bi tada mogli da usmere više pažnje na slabo proučene organizme i ugrožene vrste. Ipak, stručna provera bi i dalje bila od ključnog značaja.

Williamson ističe sličnu stvar: sistemi mašinskog učenja mogu biti uspešni samo onoliko koliko su kvalitetne informacije korišćene za njihovu obuku.

Istraživači su i dalje potrebni za osmišljavanje pitanja, odabir odgovarajućih podataka, testiranje modela, proveru grešaka i tumačenje rezultata.

Veštačka inteligencija može ubrzati naučni rad, ali ne može zameniti ekološko i taksonomsko znanje potrebno za razumevanje stvarnog značenja rezultata.

Jaz u digitalizaciji

Postoji još jedno veliko ograničenje. Uprkos brzom rastu digitalnih zbirki, trenutno je u digitalnom obliku dostupno manje od 16% svih svetskih herbarijumskih primeraka. Neki od najvećih nedostataka prisutni su u zemljama sa izuzetno bogatim biodiverzitetom. Zbirke tamo mogu imati premalo osoblja, biti nedovoljno dokumentovane ili nepovezane sa međunarodnim bazama podataka.

To stvara ozbiljnu neravnotežu. Veštačka inteligencija može analizirati samo materijal koji je digitalizovan, što znači da važne oblasti i vrste mogu ostati nevidljive.

Novi naučni arhiv

Kombinacija istorijskih primeraka i savremenog mašinskog učenja menja ono što muzejske zbirke mogu da pruže.

Osušena biljka sakupljena pre nekoliko generacija sada može pomoći naučnicima da prate promene u kišnim sezonama, promene vremena cvetanja ili nestajanje vrsta.

Tehnologija je moćna ne zato što zamenjuje vekove botaničkog rada, već zato što omogućava da se taj rad ponovo iskoristi u punom obimu.

Osam miliona primeraka već je pokazalo da zbirke prirodne istorije sadrže mnogo više informacija nego što su istraživači nekada mogli da izvuku iz njih — a kako se digitalizacija bude širila, ti arhivi mogli bi postati jedan od najvrednijih alata za razumevanje načina na koji klimatske promene preoblikuju život na Zemlji.