Herbáře promlouvají

Po staletí botanici sbírali rostliny, lisovali je, sušili a ukládali do herbářů.

Tyto exempláře původně sloužily jako fyzické záznamy jednotlivých druhů, ale digitalizace jim nyní dává zcela novou vědeckou úlohu.

Více než 145 milionů exemplářů rostlin a hub ze 170 institucí ve 40 zemích je dnes digitalizováno. Jakmile jsou vyfotografovány a vloženy do prohledávatelných databází, lze tyto historické sbírky analyzovat v měřítku, které by bylo pro jednotlivé výzkumníky dříve nemožné. Umělá inteligence pomáhá proměnit tyto archivy v důkazy o tom, jak se příroda v průběhu času změnila.

Analyzováno osm milionů exemplářů

Výzkumníci vytvořili systém strojového učení, který dokáže rozpoznat, zda rostliny na digitalizovaných snímcích herbářových exemplářů kvetly. Model následně použili na přibližně osm milionů zachovaných exemplářů, které představovaly zhruba 200 000 druhů z různých částí světa. Rozsah tohoto experimentu je pozoruhodný.

Podle výzkumníka v oblasti strojového učení Davida Williamsona trvala automatizovaná analýza přibližně jeden týden. Ruční provedení stejné práce by mohlo vyžadovat zhruba 40 000 hodin, což odpovídá přibližně 20 letům práce na plný úvazek. To však neznamená, že umělá inteligence nahrazuje botaniky. Naopak umožňuje výzkumníkům rychle zpracovávat obrovské sbírky, takže odborníci mají více času na zkoumání vzorců, kontrolu neobvyklých výsledků a kladení otázek, které byly dříve příliš rozsáhlé na to, aby se jimi mohli zabývat.

Skutečnou výhodou umělé inteligence je rychlost: dokáže odhalit vzorce skryté v milionech exemplářů, zatímco odborníci zůstávají zodpovědní za jejich interpretaci.

Doba kvetení se mění

Jedno z nejvýraznějších zjištění se týkalo kvetení. Během uplynulého století se celosvětová doba kvetení posouvala v průměru přibližně o 2,5 dne za desetiletí.

Směr této změny nebyl všude stejný. Některé druhy začínaly kvést dříve, zatímco u jiných se kvetení posunulo na pozdější dobu. Výzkumníky nejvíce překvapilo, kde se objevily nejvýraznější změny. Protože k některým z nejrychlejším nárůstům teplot spojeným se změnou klimatu dochází ve vysokých severních zeměpisných šířkách, vědci mohli očekávat nejdramatičtější změny právě tam.

Místo toho byly některé z největších posunů zaznamenány v tropických oblastech. Ekolog rostlin James Speed vysvětlil, že kvetení v tropech často úzce souvisí se srážkami, nikoli pouze s teplotou. Pokud měnící se klimatické podmínky ovlivní načasování nebo pravidelnost období dešťů, rostliny mohou reagovat tím, že začnou kvést v jinou dobu.

Proč na načasování záleží

Několik dní nemusí působit dramaticky, ale kvetení je součástí mnohem širšího ekologického kalendáře. Rostliny, hmyz, ptáci a další živočichové často závisí na tom, že jednotlivé události nastanou ve správný čas. Pokud rostlina vykvete dříve, ale její hlavní opylovač svůj životní cyklus stejným způsobem neposune, mohou se oba druhy dostat mimo vzájemný soulad.

Takový nesoulad může omezit úspěšné opylení. Důsledky se pak mohou šířit celými ekosystémy. Menší počet opylujícího hmyzu může ovlivnit ptáky živící se hmyzem, zatímco změny v opylování mohou ovlivnit také produkci plodin a rozmnožování planě rostoucích rostlin. Změna klimatu nemusí druh okamžitě vyhubit, aby narušila ekosystém. Už samotná změna načasování biologických událostí může mít důsledky napříč potravní sítí.

Staré sbírky získávají nový význam

Herbářové exempláře jsou mimořádně užitečné, protože mnohé z nich byly shromážděny před desítkami nebo dokonce stovkami let. Každý exemplář může uchovávat informace o tom, kde rostl, kdy byl nasbírán a v jaké fázi vývoje se tehdy nacházel. Když se zkombinují miliony těchto záznamů, mohou výzkumníci porovnávat historické vzorce s těmi současnými.

Z muzejních sbírek se tak stává něco podobného globálnímu stroji času, který umožňuje nahlédnout do minulosti životního prostředí. Exempláře, které dříve sloužily především jako taxonomické reference, nyní mohou pomáhat odpovídat na otázky týkající se změny klimatu, rozšíření druhů, vzorců kvetení, úbytku biodiverzity a dokonce i rizika vyhynutí.

Umělá inteligence může pomoci najít neznámé druhy

Stejná technologie může vědcům pomoci čelit další obrovské výzvě: velká část biodiverzity planety stále nebyla formálně zdokumentována. Například se předpokládá, že více než 90 % druhů hub zůstává nezmapováno. Současně druhy mizí tak rychle, že některé mohou vyhynout ještě předtím, než budou plně popsány.

Nástroje strojového učení mohou pomoci tím, že v digitalizovaných sbírkách vyhledají neobvyklé exempláře a označí je k odbornému posouzení. Statistické modely mohou také odhadnout, zda druh, který nebyl dlouhou dobu pozorován, může být vyhynulý, nebo byl pouze přehlédnut. Tyto informace mohou vědcům pomoci rozhodnout, kde jsou terénní průzkumy nejvíce potřeba.

Proč jsou lidé stále důležití

Umělá inteligence dokáže rychle rozpoznávat vzorce, ale sama nedokáže rozhodnout, zda jsou tyto vzorce biologicky významné.

Taxonom Martin Cheek uvedl, že automatizovaná identifikace by mohla odborníkům ušetřit značné množství času, zejména při práci s běžnými druhy. Specialisté by se pak mohli více věnovat málo známým organismům a ohroženým druhům. Odborné ověření by však zůstalo nezbytné. Williamson zastává podobný názor: systémy strojového učení jsou pouze tak kvalitní, jak kvalitní jsou informace použité k jejich natrénování. Výzkumníci jsou stále zapotřebí k tomu, aby stanovili otázky, vybrali vhodná data, testovali modely, kontrolovali chyby a interpretovali výsledky.

Umělá inteligence může urychlit vědeckou práci, ale nemůže nahradit ekologické a taxonomické znalosti potřebné k pochopení skutečného významu výsledků.

Mezera v digitalizaci

Existuje však další významné omezení. Navzdory rychlému růstu digitálních sbírek je v současnosti v digitální podobě dostupných méně než 16 % všech herbářových exemplářů na světě. Některé z největších mezer se nacházejí v zemích s mimořádně bohatou biodiverzitou. Tamní sbírky mohou mít nedostatek pracovníků, být nedostatečně zdokumentované nebo oddělené od mezinárodních databází.

To vytváří vážnou nerovnováhu. Umělá inteligence může analyzovat pouze materiál, který byl digitalizován, což znamená, že důležité oblasti a druhy mohou zůstat neviditelné.

Nový vědecký archiv

Kombinace historických exemplářů a moderního strojového učení mění možnosti využití muzejních sbírek. Usušená rostlina nasbíraná před několika generacemi nyní může vědcům pomoci sledovat změny v období dešťů, posuny v době kvetení nebo mizení jednotlivých druhů.

Tato technologie je mocná nikoli proto, že nahrazuje staletí botanické práce, ale proto, že ji dokáže zpřístupnit. Osm milionů exemplářů již ukázalo, že přírodovědné sbírky obsahují mnohem více informací, než z nich vědci dokázali dříve získat. S rozšiřující se digitalizací se tyto archivy mohou stát jedním z nejcennějších nástrojů pro pochopení toho, jak změna klimatu přetváří život na Zemi.