Машинное обучение предсказало широкое распространение степных улиток-вселенцев

Биологические инвазии считают глобальной угрозой для биоразнообразия — наряду с потерей редких видов, разрушением экосистем и загрязнением окружающей среды. Возрастающая активность человека и его неутомимое перемещение (а заодно и видов — его спутников) по планете сделало инвазии массовым явлением, так что биологам приходится пристально следить за их динамикой, изучать пути расселения чужеродных организмов и, не в последнюю очередь, прогнозировать возможные сценарии развития событий.

Важным инструментом в этой области стал один из методов экологического моделирования — SDM (species distribution modelling), или модели пространственного распространения видов. За пару десятков лет SDM приобрели огромную популярность. Его взяли на вооружение биологи разных специальностей — ботаники, зоологи, эволюционисты, палеонтологи, специалисты по охране природы, аграрии и даже эпидемиологи, как и многие другие.

Теоретической основой метода служит концепция экологической ниши в определении Дж. Э. Хатчинсона (G. E. Hutchinson). Согласно нему, ниша характеризуется дуализмом: она представляет собой одновременно совокупность точек на карте с определенными условиями среды и область умозрительного N-мерного пространства. В этом случае каждой из N осей соответствует определенный экологический фактор — климат, физические условия окружающей среды, связи между видами и так далее. Строя модели SDM, мы, по сути, создаем модель многомерной экологической ниши и проецируем ее на карту.

В целом SDM позволяют связать наши знания об известной части ареалов (которые всегда ограничены) с локальными условиями среды. Такие вычисления основаны на машинном обучении с учителем (supervised machine learning): модели тренируют на ограниченной выборке и распространяют на большие объемы данных. В результате получают оценку ареала, который может быть пригоден для целевого вида.

Российские биологи — авторы новой статьи в журнале Ruthenica — получили SDM для двух видов наземных улиток. Первый вид — улитка башневидная цилиндрическая, или брефулопсис (Brephulopsis cylindrica), исходно эндемичен для Крыма и прилегающих к нему на севере степей. Улитка имеет изящную высокую раковину различных оттенков белого, иногда с крапинками.

Следующий вид — улитка степная пятнистая (Xeropicta derbentina), с раковиной более привычной формы, часто покрытой узором. Ксеропикты исходно населяли большую область — Восточное Средиземноморье, Кавказ и Малую Азию. Оба моллюска живут в степных и подобных засушливых экосистемах: они не похожи на типичных влаголюбивых родственников, поскольку отлично приспособлены к сухой и жаркой среде.

Дни они проводят, приклеившись устьем раковины к растениям и лишь изредка переползая по почве. Степные улитки также способны к длительной «спячке» в неблагоприятных условиях и с легкостью подолгу обходятся без еды. В степном поясе на юге европейской территории России эти необычные улитки местами образуют огромные скопления — местные травы там увешаны десятками белых раковинок.

«Эти улитки в принципе имеют невероятно многообразные адаптации к аридному (засушливому. — Прим. ред.) климату: не только анатомические и физиологические, но и поведенческие. Сразу бросается в глаза своеобразная раковина брефулопсисов, она действительно служит «башней», в которой улитки прячутся от жары. Если потрогать раковины, в которых они висят на растениях, даже в самый жаркий полдень, они будут прохладными на ощупь. А скопления улиток, висящие, по сути, в воздухе на растениях, — это тоже механизм регуляции температуры. В таких «тусовках» температура ниже, чем в окружающей среде», — сообщила Naked Science один из авторов, малаколог из БелГУ и кандидат биологических наук Валерия Адамова.

Однако за последние десятилетия обе улитки стали все чаще попадаться там, где их раньше не было. Считается, что моллюски используют в качестве вектора (то есть средства) распространения различного рода транспорт, в том числе железнодорожный. Сообщается о находках в Армении, Грузии, в Европе, в том числе, казалось бы, совсем не степной Белоруссии и в различных регионах России. Крупная и оторванная от основного ареала популяция ксеропикты обосновалась на юге Франции. Пока речь о том, что B. cylindrica и X. derbentina — это виды-вселенцы, замеченные на нехарактерных для них территориях.

Однако, если улитки сформируют устойчивые популяции в новых местах, то окажутся уже настоящими инвазивными видами — и, стало быть, серьезной угрозой для экосистем, в которых они стали новыми участникам.

В своей работе для построения моделей ученые — биологи и географы из Белгорода, Пущино и Москвы — использовали входные данные двух типов. Во-первых, места фактического нахождения (так называемые локалитеты) двух видов улиток, которые были взяты из базы данных о биоразнообразии GBIF, а также из личных наблюдений одного из авторов — специалиста по наземным моллюскам Валерии Адамовой. Некоторыми наблюдениями поделились коллеги — зоологи из МГУ имени М. В. Ломоносова, изучавшие Армению и Грузию.

В ряде областей — в частности, в Крыму — находок намного больше, в связи с чем данные пришлось «разбавить»: оставить только ограниченное число находок на единицу площади. Это позволило получить равномерное покрытие и избежать погрешностей.

В моделях SDM в качестве параметров, описывающих окружающую среду, зачастую используют климатические данные. Так было и в новой публикации — однако, помимо биоклиматических переменных, авторы также применили характеристики рельефа (высота над уровнем моря) и данные, полученные с помощью дистанционного зондирования (космических спутников), — модифицированный индекс растительности (Enhanced vegetation index) и тип покрова Земли (land cover). Регионом исследования стала прямоугольная область, охватывающая почти всю Восточную Европу, Малую Азию, Кавказ и окрестности.

Чтобы избежать избыточных и незначимых переменных, ученые сначала провели так называемый разведочный анализ данных (кластеризация и метод главных компонент). Они подчеркивают, что подобная оптимизация и «чистка» данных необходима для хорошего моделирования, чем их коллеги нередко пренебрегают.

Далее были построены сами модели — для этого использованы несколько различных алгоритмов (что позволяет избежать ошибок каждого по отдельности) и получено так называемое ансамблевое предсказание. В этом случае множество моделей применяют для получения одного общего ареала, а для SDM это означает и оценку экологической ниши в том самом многомерном пространстве.

Согласно прогнозам, наиболее пригодным для обитания обеих степных улиток (помимо их исходного ареала) оказался регион, растянувшийся от Дуная на западе до Волги на северо-востоке — речь главным образом о землях сельскохозяйственного назначения. Предсказания хорошо согласуются с тем, что известно экспертам об экологии видов. Так, предполагаемый ареал B. cylindrica оказался заметно меньше и как бы вложен в ареал X. derbentina.

Полученные модели также помогают понять, какие именно свойства среды позволяют видам осваивать одни, но не другие местообитания. Авторы отметили, что в данном случае решающее значение имела минимальная температура самого холодного месяца: это согласуется с известными закономерностями инвазий беспозвоночных родом из субтропиков.

Модели могут быть полезны для отслеживания дальнейшего развития инвазии, поскольку в том числе дают понять, где появления этих своеобразных улиток стоит ждать в ближайшее время.

Новая работа — пример качественного экологического моделирования на основе SDM. В ней проведен предварительный отбор исходных данных и построен целый ряд моделей — все это позволяет снизить влияние погрешностей, неизбежных в моделях подобного рода.