AI na straży bioróżnorodności Ziemi

Technologia sztucznej inteligencji jest obecnie wszechobecna, a jej zastosowanie praktycznie uniwersalne. Firmy na całym świecie wykorzystują ją do budowania innowacyjnej oferty, personalizacji relacji z klientami, zarządzania łańcuchem dostaw czy optymalizacji procesów biznesowych. Z drugiej strony, coraz więcej instytucji i organizacji wykorzystuje potencjał AI w projektach, których celem jest ratowanie zagrożonych gatunków i szeroko rozumiana ochrona środowiska naturalnego. 

Najnowszą inicjatywą w tym zakresie jest współpraca UNC Center for Galapagos Studies z firmą SAS, liderem rynku analityki i AI, w ramach której algorytmy sztucznej inteligencji są wykorzystywane w badaniach fauny i fitoplanktonu wyspy Galapagos. Wypracowane na ekwadorskiej wyspie modele mogą w przyszłości zostać wykorzystane na szerszą skalę w innych projektach na rzecz ochrony bioróżnorodności naszej planety.

Prowadzone przez Karola Darwina w XIX wieku badania nad teorią ewolucji trwały ponad 20 lat. W tym czasie autor osobiście analizował zebrane na wyspach Galapagos dane oraz weryfikował poprawność wyciągniętych na ich podstawie wniosków. Nic więc dziwnego, że praca nad publikacją „O powstawaniu gatunków” zajęła tyle czasu. Jednak dzisiaj, dzięki wykorzystaniu mocy sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego, naukowcy mogą szybko i skutecznie badać populacje zagrożonych gatunków lub analizować zmiany klimatu. Wykorzystanie nowoczesnych technologii będzie miało decydujący wpływ na ochronę naszej planety.

AI w symbiozie z żółwiami

Organizacja UNC Center for Galapagos Studies podjęła współpracę z firmą SAS, aby wesprzeć swoich badaczy innowacyjnymi narzędziami technologicznymi. Dzięki wykorzystaniu indywidualnych zdjęć żółwi i technologii analizy obrazu (computer vision), algorytmy pomogą zidentyfikować żyjące na wyspach osobniki na podstawie ich cech szczególnych. Dzięki temu powstanie indeks uwzględniający dane takie jak tempo wzrostu, stan zdrowia, obszar zamieszkiwania, kierunki migracji i wiele innych wzorców zachowań.

W efekcie dysponując taką bazą danych naukowcy będą mogli analizować stan populacji żółwi i korelacje, jakie zachodzą np. między ich stanem zdrowia i miejscem zamieszkiwania lub innymi czynnikami zewnętrznymi. Tym co wyróżnia ten projekt, jest zaproszenie wolontariuszy i turystów do robienia i przesyłania do Instytutu zdjęć napotkanych podczas wycieczek żółwi. Tym sposobem każdy odwiedzający wyspy będzie mógł przyczynić się do rozwoju wiedzy o symbolu Galapagos, a naukowcy zyskają cenne źródło danych.

„Wyzwania naszej globalnej społeczności stają się coraz bardziej złożone. Potrzebujemy więc metod, które dadzą nam dostęp do nowych informacji i pozwolą wykorzystać je w działaniach na rzecz ochrony przyrody” – przyznaje Sarah Hiser, Principal Technical Architect w SAS. „Wykorzystując takie technologie jak analityka, sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe do ilościowej oceny świata przyrody, zdobywamy wiedzę, która pomaga chronić ekosystemy i przeciwdziałać zmianom klimatu”.

Rekiny w zasięgu AI

Z tych samych narzędzi UNC Center for Galapagos Studies korzysta do identyfikacji i charakterystyki zachowań rekinów młotów. Rekiny młoty żyją wokół odległych wysp archipelagu Galapagos. W ciągu dnia zazwyczaj przebywają w pobliżu skalistych obszarów i raf koralowych niedaleko wysp, a nocą, by żerować, płyną w głąb morza. Jednak te wzorce przemieszczania się nie zawsze są spójne, a przyczyny tego pozostają nieznane. Tymczasem rezerwat morski Galapagos, w którym rekiny są chronione, nie jest wystarczająco duży, aby uwzględnić wszystkie ich ruchy w morzu oraz w pełni chronić ten gatunek. Dzięki oprogramowaniu SAS do analizy i wizualizacji, zespół badaczy mógł zidentyfikować i scharakteryzować wzorce ruchów rekinów młotów w strefie przybrzeżnej i morskiej. Sprawdzono czy istniały przewidywalne dzienne wzorce zachowań, czy występowały one indywidualnie, czy w grupach oraz jakie inne czynniki – np. cykle księżycowe, zmiany środowiskowe itp. – mogły na nie wpływać. Uzyskane spostrzeżenia pomogą w opracowaniu granic obszarów chronionych, a także zrównoważonych praktyk rybołówstwa i turystyki.

„Chcieliśmy wiedzieć, czy czynniki, które wpływają na zachowanie rekinów, mogą się zmienić w dowolnym momencie na skutek zmian klimatu, wpływu El Niño lub innego zjawiska. A następnie chcieliśmy sprawdzić, czy możemy dostosować nasze działania, aby uwzględnić te czynniki” – mówi prof. Alex Hearn z Galapagos Science Center, jednostki nadzorującej prawie 200 oznakowanych rekinów młotów.

Na krańcu łańcucha pokarmowego  

Ochrona fauny ekwadorskiej wyspy stanowi jedynie mikro przykład użycia sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego w działaniach mających na celu zachowania bioróżnorodności Ziemi. Podstawę łańcucha pokarmowego dla życia morskiego nie tylko na Galapagos, ale także w każdym innym miejscu na świecie stanowi fitoplankton. Wszystko więc zależy od rozmieszczenia i obfitości tych mikroskopijnych żyjątek. Ponadto są one odpowiedzialne za wytwarzanie połowy tlenu na naszej planecie. Dla porównania, wszystkie drzewa, w tym lasy deszczowe, produkują go „zaledwie” 25-30 proc.

Dlatego celem UNC Center for Galapagos Studies było mapowanie fitoplanktonu wokół archipelagu Wysp Żółwich i analizowanie, co ma największy wpływ na strukturę i rozwój tego ekosystemu. Największym wyzwaniem w realizacji tego zadania jest brak danych. Próbki wody pobierano przez ostatnie pięć lat, ale w zimnych porach roku jedynie raz w sezonie. W efekcie skuteczne modelowanie środowiska morskiego jest utrudnione. Naukowcy mają jednak nadzieję, że współpraca z SAS pomoże to zmienić.

W pewnym sensie projekt ten dotyczy czegoś więcej niż tylko fitoplanktonu. Mapując jego wpływ na środowisko, można modelować, w jaki sposób zmiany klimatu wpłyną na cały ekosystem oceanów, ponieważ fitoplankton jest podstawą sieci pokarmowej dla życia morskiego.

„Teraz, dzięki danym i AI, możemy uzyskać poziom zrozumienia, który wcześniej nie był możliwy do osiągnięcia. A to z kolei ułatwia podjęcie właściwych działań, które pozwolą złagodzić najsilniejszy wpływ zmian klimatu na bardzo wrażliwe ekosystemy na całym świecie” – podsumowuje Gabriel Tarrason Risa, specjalista data science w SAS.

Pewne jest jednak, że rozwiązania te otwierają dziś przed naukowcami zupełnie nowe możliwości pracy badawczej: pozwalają analizować ogromne zbiory danych – co umożliwia uwzględnienie znacznie większej liczby czynników wpływających na daną sytuację czy gatunek, dają możliwość poznania tych gatunków nie w skali populacji, ale w ujęciu poszczególnych osobników, a także umożliwiają wiarygodniejsze modelowanie zmian w ekosystemach. W efekcie możliwe staje się poznanie odpowiedzi na szereg pytań, które dotąd, ze względu na wielość oddziałujących z sobą czynników, pozostawały bez odpowiedzi. Ich poznanie i głębsze zrozumienie zależności, jakie zachodzą w ekosystemach to zaś szansa na uratowanie licznych gatunków przed wymarciem na skutek zmian klimatu i nieodpowiedzialnych działań człowieka.