Набор технологий помогает таксономистам ускорить идентификацию видов

Над швейцарским лугом и по его лесистым окраинам дрон протянул огромный ватный тампон, свисавший на 4-метровом тросе. По пути увлажнённый тампон собрал следы жизни: смесь отслоившейся кожи и шерсти, слизь, слюну и брызги крови, пыльцу и споры грибов.

Позже биологи использовали секвенатор размером с телефон, чтобы преобразовать ДНК ландшафта в код, выявив десятки и десятки видов, некоторые из которых находятся под угрозой исчезновения, а некоторые являются инвазивными. Исследователи никогда не видели ос, клопов или бражников, чьи генетические сигнатуры они собрали. Но все эти живые существа, как и многие другие, там присутствовали.

Исследователи из Швейцарского федерального института леса, снега и ландшафта проводили полевые испытания нового подхода к мониторингу биоразнообразия, в данном случае для картографирования жизни насекомых в различных видах растительности. Они составляют одну из многих команд, которые в настоящее время используют набор технологий для отслеживания природы с разрешением и скоростью, которые когда-то были невообразимы для таксономистов. «Мы знаем гораздо больше о том, что происходит, — сказала мне Камилла Альбуи, эколог из ETH Zurich и член команды, — даже если многое всё ещё ускользает от нас».

Сегодня автономные роботы собирают ДНК, современные секвенаторы быстро и недорого обрабатывают генетические образцы, а алгоритмы машинного обучения обнаруживают жизнь по звуку или её форме. Эти технологии производят революцию в способности человечества каталогизировать виды Земли, число которых, по оценкам, составляет 8 миллионов — хотя, возможно, их гораздо больше — путём изучения бурной жизни, которая так часто ускользает от наблюдения человека. Официально описано только около 2,3 миллиона видов. Остальные остаются безымянными и неизученными — они входят в категорию, которую биологи называют «тёмными таксонами».

Например, насекомые, вероятно, составляют более половины всех видов животных, но большинство из них (по оценкам, четыре из пяти) никогда не были зарегистрированы наукой. От тропиков до полюсов, на суше и в воде, они опыляют, охотятся, питаются падалью, роют норы и паразитируют — это незаметное большинство жизни на Земле. «Трудно объяснить неспециалистам, насколько огромно наше невежество», — сетовал в 2018 году международный консорциум учёных-энтомологов. Валерио Карузо, энтомолог из Университета Падуи в Италии, изучает мух-скакунов, семейство, насчитывающее, по оценкам, от 30 000 до 50 000 видов. Только около 4000 из них были описаны, рассказал мне Карузо. «Целой жизни не хватит, чтобы понять их все».

Мельчайшие различия даже внутри одной семьи мух имеют большее значение, чем может показаться на первый взгляд: виды, которые выглядят одинаково, могут занимать совершенно разные экологические ниши — уклоняясь от разных хищников и охотясь на разную добычу, паразитируя на разных хозяевах, опыляя разные растения, разлагая разные материалы или перенося разные болезни. Каждый из них — это уникальный эволюционный эксперимент, который может привести к появлению соединений, открывающих путь к новым лекарствам, поведению, предлагающему решения для сельского хозяйства, и другим адаптациям, которые могут углубить наше понимание того, как сохраняется жизнь.

Только с помощью современных машин и технологий учёные получают шанс не отстать от богатства жизни. На протяжении большей части истории люди полагались в основном на свои глаза, чтобы классифицировать природный мир: наблюдения за формой, размером и цветом помогли Карлу Линнею каталогизировать около 12 000 видов в 18 веке — грандиозное предприятие, но смехотворная доля от общей реальности. Учёт каждого существа требовал кропотливой работы по дегидратации, вскрытию, монтажу, закреплению, маркировке — это были основные методы, доступные до начала XXI века, когда генетическое секвенирование позволило таксономистам увеличить масштаб штрих-кодов ДНК. Даже тогда они, возможно, не могли идентифицировать образцы за пределами рода или семейства.

Сегодня такие технологии, как eDNA, высокопроизводительное секвенирование, автономная робототехника и искусственный интеллект, расширили наше представление о мире природы. Они декодируют геномы грибов, бактерий и дрожжей, которые трудно или невозможно культивировать в лаборатории. Специализированный искусственный интеллект выделяет крики животных из шумных записей, преобразуя колебания воздуха в акустический справочник. Другие анализируют пиксели фотографий, чтобы выявить различия в жилках крыльев или щетинках, тонких как пылинки, для идентификации и классификации близкородственных видов. 3D-сканирование с высоким разрешением позволяет исследователям визуализировать крошечные анатомические структуры без использования скальпеля. Другие инструменты могут отображать динамические экосистемы в режиме реального времени, отслеживая, как водно-болотные угодья сокращаются и расширяются от сезона к сезону, или используя сотни миллионов наблюдений из баз данных гражданской науки для идентификации видов и отображения их меняющихся ареалов.

Одна из непримечательных установок в густом панамском тропическом лесу включала в себя ультрафиолетовую лампу, привлекающую мотыльков к белой панели, и камеру на солнечной батарее, которая делала снимок каждые 10 секунд, от заката до рассвета. За одну неделю искусственный интеллект обрабатывал тысячи изображений каждую ночь, на которых эксперты обнаружили 2000 видов бабочек, половина из которых была неизвестна науке. «Мне неприятно понимать, что люди считают, будто наука уже пришла к стадии доработки последних деталей, и что все большие открытия уже сделаны», — сказал мне Дэвид Ролник, компьютерный учёный из Университета Макгилла и Института искусственного интеллекта Mila в Квебеке, который участвовал в экспедиции. В Колумбии, одной из самых биоразнообразных стран мира, сочетание данных, собранных с помощью дронов, и машинного обучения помогло описать десятки тысяч видов, 200 из которых являются новыми для науки.

Поле зрения этих инструментов по-прежнему ограничено. Алгоритмы искусственного интеллекта видят только то, что содержится в их обучающих данных, в таксономических данных слишком много информации с Глобального Севера и описаний ярких представителей животных. Например, в крупной открытой базе данных по биоразнообразию менее 5 процентов записей за последние годы относились к насекомым, а более 80 процентов — к птицам (которые составляют менее 1 процента названных видов). Поскольку многие тёмные таксоны отсутствуют в наборах обучающих данных, даже самые передовые модели распознавания изображений лучше всего работают в качестве сортировочного механизма — быстро сортируя знакомые таксоны и отмечая вероятные новые открытия для исследования таксономистами-людьми.

Системы искусственного интеллекта «не обладают интуицией и творческим началом», — говорит Ролник, чья команда участвовала в создании Antenna, готовой к использованию платформы искусственного интеллекта для экологов. Таксономисты-люди по-прежнему лучше умеют представить, как редкая особенность возникла в процессе эволюции, или исследовать небольшие различия, которые могут обозначить совершенно новый вид. И в конечном итоге, любая идентификация — будь то с помощью алгоритма, ДНК или человеческого эксперта — по-прежнему зависит от людей.

Этот человеческий труд также является исчезающим ресурсом, особенно в энтомологии. «Число людей, которым платят за работу таксономистами, в мире практически равно нулю», — сказал Ролник. И время работает против них. Крупнейшие в мире музеи естественной истории хранят огромное количество образцов и предметов (более 1 миллиарда, согласно одному исследованию), но только часть из них имеет доступные в цифровом формате записи, а геномные записи доступны только для 0,2% биологических образцов. Многие исторические коллекции — все эти ящики, заполненные висящими на булавках чучелами, все эти банки с плавающими существами — хронически недофинансируются, а их содержимое уязвимо в случае пренебрежительного их хранения. Консервирующие жидкости испаряются, плохие условия хранения привлекают вредителей и плесень, а ДНК разлагается до такой степени, что её становится невозможно секвенировать.

Современные инструменты всё ещё далеки от полного охвата масштабов и сложности биоразнообразия Земли, и большая его часть может исчезнуть, прежде чем кто-либо успеет его каталогизировать. «Нас слишком мало, а изучать нужно слишком много», — сказал Карузо, энтомолог из Падуи. Многие сравнивают таксономию с каталогизацией уже горящей библиотеки. Как сказал мне Мехрдад Хаджибабеи, главный научный сотрудник Центра геномики биоразнообразия Университета Гуэлфа в Канаде: «Мы здесь не марки коллекционируем». Таксономисты работают над сохранением планетарной памяти — архива жизни — и над расшифровкой того, какие черты помогают существам адаптироваться, мигрировать или иным образом выживать в быстро меняющемся климате.

Климатический кризис разрушает жизненные циклы диких животных по всему миру — по одной из оценок, это касается примерно половины всех видов. Цветы теперь зацветают за несколько недель до появления опылителей; фрукты засыхают, прежде чем мигрирующие птицы могут до них добраться. Бабочки, приспособленные к дождям, гибнут в засуху. Тропические птицы и альпийские растения поднимаются к более прохладным, хотя и ограниченным, вершинам гор. Рыбы уплывают дальше в море; комары, переносящие болезни, перемещаются на новые территории под влиянием жары. Экстремальные погодные условия на полюсах оказывают негативное воздействие на важнейшие виды мхов и лишайников и за считанные часы разрушают целые места обитания. Массовая гибель животных и растений теперь стала обычным явлением.

«Как только вы потеряете один вид, вы, вероятно, потеряете и другие, — сказал Карузо. — Со временем всё рухнет». К концу столетия может исчезнуть каждый восьмой вид — многие из них будут тёмными таксонами, утраченными ещё до того, как мы их встретим. Большинство стран — и глобальные организации, такие как Международный союз охраны природы — не могут оценить и, следовательно, не могут защитить неназванные организмы. Как сказал Эдвард О. Уилсон в интервью Time в 1986 году: «Это как заниматься астрономией, не зная, где находятся звёзды».

Сегодняшняя машинно-поддерживаемая таксономия сталкивается с той же проблемой, что и Линней: сложность природы по-прежнему намного превосходит человеческое понимание, даже когда нам помогают машины. «Мы не воспринимаем мир таким, каким он есть во всей своей хаотичной красе, — написала биолог Кэрол Каесук Юн в своей книге 2010 года «Называя природу». — Мы ощущаем очень специфическую часть того, что нас окружает, и видим её с особенно человеческой точки зрения». С другой стороны, каждая новая точка данных уточняет прогнозные модели, лежащие в основе природоохранной деятельности, говорит Евгений Захаров, директор по геномике Центра геномики биоразнообразия. «Чем больше мы знаем о мире, тем больше у нас возможностей для правильного управления им и его защиты», — сказал он мне. С помощью инструментов скорость работы таксономистов ускоряется, но ускоряется и обратный отсчёт — им понадобится вся возможная помощь.

Машины помогают находить жизнь, которую люди не замечают