Львиный рев уникален для каждой особи. Хищники используют его для защиты территории и связи с прайдом. Биологи записывают рев для подсчета популяций.
Раньше ученым приходилось вручную прослушивать часы записей, чтобы найти и разметить фрагменты, индивидуальные для каждого животного. Это долгий процесс, результат которого зависит от квалификации эксперта: люди часто ошибаются или по-разному интерпретируют одни и те же звуки. Авторы исследования, опубликованного в журнале Ecology and Evolution, автоматизировали процесс с помощью машинного обучения.
Ранее считалось, что вокализация льва состоит из трех частей: стонов в начале, громкого рыка, который следует за тем, и заключающего ворчания в конце. Теперь исследователи проанализировали звуковые паттерны и доказали, что структура сложнее. В громком рыке они выделили еще один элемент — промежуточный рык (intermediary roar).
Для сортировки звуков ученые применили метод кластеризации K-средних. Алгоритм без помощи человека научился различать эти типы, ориентируясь всего на два параметра: длительность звука и его максимальную частоту. Точность классификации составила 95,4%.
Самая ценная часть записи для биологов — громкий рык. Именно в нем зашифрована личность животного. Главная проблема ручного анализа заключалась в том, что люди часто путали настоящий рев с похожими звуками, а это снижало точность опознания.
Алгоритм справился с этой задачей лучше экспертов. Использование данных, отобранных нейросетью, повысило точность идентификации конкретных львов с 80% (при ручной разметке) до 87%. Программа применяет единые критерии оценки и не устает, что исключает человеческий фактор.
В процессе работы ученые обнаружили любопытные детали экологии львов. Сравнив записи из Танзании с данными из Зимбабве, они заметили различия в частотных характеристиках и длительности звуков. Это указывает на существование географических «акцентов»: популяции из разных частей континента звучат по-разному. Эта особенность может осложнить создание универсальной программы для всей Африки: нейросеть, обученную на «танзанийском диалекте», придется доучивать для работы в Зимбабве.
Почему у львов существуют акценты? Возможно, потому, что львы обучаются рычать из поколения в поколение — молодые особи у взрослых. С каждым следующим поколением происходят небольшие случайные изменения, которые различаются по районам. А может, это связано с рельефом и растительностью, влияющими на распространение звука. Львы неосознанно подстраивают свой рык под местные условия так, чтобы он был слышен как можно дальше.
Кроме того, подтвердилось, что акустический мониторинг сильно зависит от социального контекста. В Танзании микрофоны не зафиксировали ни одного рыка от самок. Оказалось, у местных львиц в период исследования были маленькие детеныши, поэтому матери хранили полное молчание, чтобы не привлекать внимания конкурентов и других хищников.
Новый метод превращает пассивный акустический мониторинг в дешевый и эффективный инструмент охраны природы. Расставить автономные микрофоны в саванне проще, чем проводить экспедиции или обслуживать сеть фотоловушек. Передача обработки данных алгоритмам позволит биологам точнее оценивать численность хищников на огромных и труднодоступных территориях.