Как ИИ изменит нашу жизнь — в специальном проекте Naked Science!
Перейти
  • Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
27 августа
Михаил Орлов
1
2 768

Машинное обучение предсказало широкое распространение степных улиток-вселенцев

4.7

Инвазивные виды — те, что расселяются за пределы своего естественного ареала — одна из самых серьезных экологических проблем современности. Коллектив российских ученых обратил внимание на два вида степных улиток (Brephulopsis cylindrica и Xeropicta derbentina), которые сегодня активно осваивают Восточную Европу и соседние регионы. Согласно результатам моделирования пространственного распространения (SDM), обе улитки могут вскоре распространиться куда шире и стать по-настоящему инвазивными.

Xeropicta derbentina высунулась из раковины
Xeropicta derbentina высунулась из раковины / © Талят Бедиев

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.

Улитки башенные Brephulopsis cylindrica, собранные в Бахчисарае / © Михаил Орлов

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.

Места находок видов на карте региона исследования / ©  doi:10.35885/ruthenica.2022.32(3).5

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.

Предсказанный ареал Xeropicta derbentina / © doi:10.35885/ruthenica.2022.32(3).5

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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 10:10
Сергей Васильев

Биологи внесли в ДНК червей гены, кодирующие светочувствительные белки. Это позволило управлять ими при помощи света, заставляя двигаться на зеленый сигнал и останавливаться на красный.

11 часов назад
Алиса Гаджиева

Палеонтологи обнаружили останки никогда ранее не встречавшегося дасплетозавра, который, возможно, был прямым предком Tyrannosaurus rex. Эта находка может разрешить серьезные споры об эволюционной родословной самого знаменитого динозавра.

Сегодня, 11:18
Анна Новиковская

Около пятой части атмосферы нашей планеты составляет кислород — важный газ, необходимый для существования сложных форм жизни. Ученые полагали, что основным и практически единственным его источником были живые организмы — фотосинтезирующие растения и бактерии. Но теперь, возможно, им придется пересмотреть свои взгляды.

26 ноября
Александра Медведева

Окаменелость крошечного морского червя, жившего 525 миллионов лет назад, разрешила вековой спор об эволюции мозга членистоногих. Исследование показало, что мозг первых членистоногих не был сегментирован, а нервная система головы и туловища эволюционировала независимо.

24 ноября
Редакция

Режиссер Илай Сасик (Eli Sasich), вдохновившись классическими научно-фантастическими фильмами «Чужой» и «Бегущий по лезвию», несколько лет назад снял короткометражный фильм «Атропа», который стоит посмотреть, если вы интересуетесь наукой и космическими технологиями.

26 ноября
Мария Азарова

Международный коллектив ученых спрогнозировал наши ежедневные потребности в воде в зависимости от антропометрических, экономических и экологических факторов.

1 ноября
Анна Новиковская

Когда мы представляем взаимодействие неандертальцев с нашими предками, первобытными людьми, то обычно думаем об агрессивных стычках и конкуренции на охоте. Однако теперь ученые выяснили, что два вида людей взаимодействовали на протяжении как минимум 200 тысяч лет — это слишком долгий срок для активных военных действий, но достаточный для постепенного «растворения» одного вида в другом.

19 ноября
Анна Новиковская

В последний раз черношейного фазанового голубя видели еще в 1882 году, и с тех пор ученые не знали, живет ли еще в лесах острова Фергуссон эта красивая птица. Теперь, наконец, им повезло: одна из камер запечатлела представителя редчайшего подвида фазановых голубей.

24 ноября
Редакция

Режиссер Илай Сасик (Eli Sasich), вдохновившись классическими научно-фантастическими фильмами «Чужой» и «Бегущий по лезвию», несколько лет назад снял короткометражный фильм «Атропа», который стоит посмотреть, если вы интересуетесь наукой и космическими технологиями.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

01.09.2022
-
0
+
Да да, Фурсов об этом говорил, "био эко фашизм" ... Био был с кавидлом теперь Эко на подходе.
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: