Cyfrowe herbaria

Przez setki lat botanicy zbierali rośliny, suszyli je, prasowali i przechowywali w zielnikach. Dawniej takie okazy były przede wszystkim fizycznym zapisem występowania poszczególnych gatunków.

Dziś, dzięki cyfryzacji i sztucznej inteligencji, stają się czymś znacznie więcej — źródłem informacji o tym, jak przyroda zmieniała się na przestrzeni czasu.

Osiem milionów okazów

Do tej pory zdigitalizowano ponad 145 milionów okazów roślin i grzybów pochodzących z ponad 170 instytucji w 40 krajach. Po sfotografowaniu i umieszczeniu w przeszukiwalnych bazach danych historyczne kolekcje mogą być analizowane na skalę, która wcześniej była praktycznie nieosiągalna dla pojedynczych zespołów badawczych.

Naukowcy wykorzystują do tego między innymi sztuczną inteligencję.

Jednym z przykładów jest system uczenia maszynowego wyszkolony do rozpoznawania, czy roślina widoczna na zdigitalizowanym okazie znajdowała się w fazie kwitnienia.

Następnie model przeanalizował około ośmiu milionów zachowanych okazów reprezentujących mniej więcej 200 tysięcy gatunków z różnych części świata.

Skala tego przedsięwzięcia robi wrażenie. Jak wyjaśnił badacz uczenia maszynowego David Williamson, automatyczna analiza zajęła około tygodnia.

Ręczne wykonanie podobnej pracy mogłoby wymagać około 40 tysięcy godzin, czyli mniej więcej 20 lat pracy w pełnym wymiarze.

Nie oznacza to jednak, że sztuczna inteligencja zastępuje botaników. Jej największą zaletą jest szybkość, dzięki której można dostrzec wzorce ukryte w milionach okazów.

Eksperci mogą dzięki temu poświęcić więcej czasu na sprawdzanie nietypowych wyników, interpretowanie zależności i formułowanie pytań, których wcześniej nie dało się analizować na tak dużą skalę.

Kwitnienie zmienia termin

Jednym z najbardziej wyraźnych rezultatów badań okazały się zmiany dotyczące kwitnienia roślin. W ciągu ostatniego stulecia globalne terminy kwitnienia przesuwały się średnio o około 2,5 dnia na dekadę.

Nie wszędzie kierunek zmian był taki sam. Niektóre gatunki zaczynały kwitnąć wcześniej, podczas gdy inne robiły to później. Największym zaskoczeniem dla naukowców było jednak to, gdzie zaobserwowano najbardziej wyraźne przesunięcia.

Ponieważ jedne z najszybszych wzrostów temperatur związanych ze zmianami klimatu występują na wysokich szerokościach geograficznych półkuli północnej, badacze mogli spodziewać się właśnie tam największych zmian.

Tymczasem część najbardziej znaczących przesunięć odnotowano w regionach tropikalnych.

Ekolog roślin James Speed zwrócił uwagę, że termin kwitnienia roślin tropikalnych często zależy nie tylko od temperatury, ale również od opadów.

Jeżeli zmiany klimatu wpływają na termin rozpoczęcia pory deszczowej lub sprawiają, że staje się ona mniej przewidywalna, rośliny mogą reagować zmianą terminu kwitnienia.

Kilka dni ma znaczenie

Kilka dni może wydawać się niewielką różnicą, ale kwitnienie jest elementem znacznie większego ekologicznego kalendarza. Rośliny, owady, ptaki i inne zwierzęta często są od siebie zależne i muszą reagować na sezonowe zmiany w odpowiednim momencie.

Jeżeli roślina zakwitnie wcześniej, ale zapylający ją owad nie zmieni odpowiednio swojego cyklu życiowego, może dojść do rozminięcia się obu gatunków w czasie. W efekcie skuteczne zapylanie może stać się trudniejsze.

Konsekwencje takiej zmiany mogą następnie rozprzestrzeniać się na kolejne elementy ekosystemu.

Mniejsza liczba owadów zapylających może wpływać na ptaki żywiące się owadami, a zaburzenia zapylania mogą mieć znaczenie również dla produkcji rolnej i rozmnażania dzikich roślin.

Zmiany klimatu nie muszą od razu doprowadzić do wyginięcia gatunku, aby zakłócić funkcjonowanie ekosystemu. Sama zmiana terminów wydarzeń biologicznych może wywołać efekt w całym łańcuchu zależności.

Stare zbiory, nowe możliwości

Okazy zielnikowe są wyjątkowo cenne, ponieważ wiele z nich zebrano kilkadziesiąt, a nawet kilkaset lat temu. Każdy z nich może zawierać informacje o miejscu występowania rośliny, dacie jej zebrania oraz stadium rozwoju, w którym się znajdowała.

Po połączeniu milionów takich zapisów naukowcy mogą porównywać dawne wzorce ze współczesnymi obserwacjami.

W ten sposób kolekcje muzealne zaczynają przypominać swego rodzaju globalne archiwum zmian środowiskowych. Okazy, które kiedyś służyły głównie jako materiały do identyfikacji i klasyfikacji gatunków, mogą dziś pomóc w badaniu zmian klimatu, rozmieszczenia gatunków, terminów kwitnienia, utraty różnorodności biologicznej, a nawet ryzyka wyginięcia.

AI pomoże odkrywać gatunki

Ta sama technologia może pomóc również w rozwiązaniu innego ogromnego problemu. Znaczna część światowej różnorodności biologicznej wciąż nie została formalnie opisana. Szacuje się, że ponad 90 proc. gatunków grzybów pozostaje niepoznanych i nieujętych w naukowych bazach danych.

Jednocześnie gatunki znikają na tyle szybko, że niektóre mogą wyginąć, zanim naukowcy zdążą je dokładnie zbadać i opisać.

Uczenie maszynowe może pomóc, przeszukując zdigitalizowane kolekcje w poszukiwaniu nietypowych okazów i wskazując je ekspertom do dalszej analizy.

Modele statystyczne mogą również oceniać, czy gatunek, którego od dawna nie obserwowano, prawdopodobnie wyginął, czy też po prostu pozostaje niezauważony.

Takie informacje mogą pomóc naukowcom zdecydować, gdzie najbardziej potrzebne są kolejne badania terenowe.

Bez człowieka się nie obejdzie

Sztuczna inteligencja potrafi błyskawicznie wykrywać wzorce, ale sama nie jest w stanie rozstrzygnąć, czy dany wzorzec ma rzeczywiste znaczenie biologiczne.

Taksonom Martin Cheek wskazuje, że automatyczna identyfikacja może znacząco odciążyć ekspertów, zwłaszcza w przypadku pospolitych gatunków. Dzięki temu specjaliści mogliby skupić większą uwagę na słabo poznanych i zagrożonych organizmach.

Nadal konieczna będzie jednak weryfikacja wyników przez człowieka.

Williamson podkreśla podobny problem: systemy uczenia maszynowego są tak dobre, jak dane, na których zostały wytrenowane.

To naukowcy muszą określić pytania badawcze, dobrać odpowiednie dane, przetestować modele, sprawdzić błędy i zinterpretować uzyskane wyniki.

AI może przyspieszyć pracę naukową, ale nie zastąpi wiedzy ekologicznej i taksonomicznej potrzebnej do zrozumienia, co właściwie oznaczają odkryte zależności.

Wciąż brakuje danych

Cyfryzacja ma jednak poważne ograniczenie. Mimo szybkiego rozwoju cyfrowych kolekcji obecnie dostępnych w formie cyfrowej jest mniej niż 16 proc. wszystkich okazów zielnikowych na świecie.

Szczególnie duże braki występują w krajach o wyjątkowo bogatej różnorodności biologicznej. Tamtejsze kolekcje mogą cierpieć z powodu braków kadrowych, niepełnej dokumentacji lub braku połączenia z międzynarodowymi bazami danych.

Tworzy to istotną nierównowagę. Sztuczna inteligencja może analizować wyłącznie materiał, który został wcześniej zdigitalizowany. Oznacza to, że ważne regiony i gatunki mogą nadal pozostawać praktycznie niewidoczne dla takich systemów.

Nowe życie archiwów

Połączenie historycznych okazów z nowoczesnym uczeniem maszynowym zmienia sposób, w jaki naukowcy mogą korzystać z muzealnych kolekcji.

Wysuszona roślina zebrana przez botanika wiele pokoleń temu może dziś pomóc prześledzić zmiany terminów pory deszczowej, przesunięcia okresów kwitnienia czy znikanie poszczególnych gatunków.

Siła tej technologii nie polega na zastępowaniu wielowiekowej pracy botaników, lecz na umożliwieniu wykorzystania jej na niespotykaną wcześniej skalę.

Analiza ośmiu milionów okazów pokazała już, jak wiele informacji kryją kolekcje historii naturalnej. Wraz z postępem cyfryzacji archiwa te mogą stać się jednym z najważniejszych narzędzi pozwalających zrozumieć, jak zmiany klimatu przekształcają życie na Ziemi.