Interfax-Russia.ru – Искусственный интеллект поможет ученым вести экологический мониторинг Байкала и избавит их от рутинных занятий.
Сотрудники НИИ биологии Иркутского государственного университета (ИГУ) совместно с облачной платформой Yandex.Cloud создали нейросеть для анализа проб воды из озера Байкал в рамках проекта экологического мониторинга "Точка N1".
"Нейросеть (...) будет самостоятельно анализировать пробы воды. Определяя и классифицируя содержание в них отдельных микроорганизмов, программа кардинально упростит работу биологов", – сообщили в пресс-службе ИГУ.
В настоящее время в проекте "Точка N1" применяется классическая методика анализа проб воды – ученые определяют виды микроорганизмов с помощью микроскопа. Для этого необходимо уметь различать более 400 видов фито- и зоопланктона. Подготовка специалиста такого высокого уровня занимает более 10 лет, при этом он еще должен согласиться на эту рутинную работу. Нейросеть же поможет разгрузить ученых и высвободить им время на научное творчество.
Работы по созданию нейросетевого алгоритма для экомониторинга начались в 2021 году. Биологи ИГУ сформулировали цель – разработать систему цифровой поддержки анализа проб с использованием технологии искусственного интеллекта, которую можно было бы обучить распознавать микроорганизмы. Специалисты Yandex.Cloud предложили использовать в проекте облачные вычислительные мощности, а также сервис для ML-разработки DataSphere. Они также привлекли к проекту экспертов по созданию ML-алгоритмов для изучения морских экосистем – компанию Maritime AI.
Для обучения нейросети были использованы порядка 20 тыс. изображений проб байкальской воды под микроскопом. Они автоматически загружаются в облако "Яндекса", а алгоритм определяет видовую принадлежность содержащихся в воде рачков и их количество. Затем система формирует отчет и направляет его ученым.
"Новые виды, которые появляются в Байкале, или виды, которые неизвестны науке, машина тоже поможет распознать – она обратит внимание, что появился образ, которого она не знает. А специалист сможет сделать вывод о том, что появился вид, которого не фиксировали ранее или в Байкал проник новый вид и начал распространяться", – отметил директор НИИ биологии Иркутского госуниверситета Максим Тимофеев.
"Точка N1" – самый длительный в России проект регулярного экологического мониторинга. С 1945 года ученые НИИ биологии ИГУ еженедельно отбирают пробы воды из Байкала на "пелагической стационарной станции N1" ("Точка N1"). Станция расположена на юге озера возле поселка Большие коты, на расстоянии 2,7 км от берега, над глубиной 800 метров. Пробы исследуют под микроскопом, идентифицируя зоо- и фитопланктон, а затем полученные сведения включают в базу данных о показателях состояния экосистемы озера. За 76-летнюю историю программы сменилось семь поколений ученых, было накоплено свыше 5 млн записей, описывающих пелагиаль водоема (толща воды, среда обитания планктона).
"Байкал – это гигантский водоем с гигантской экосистемой. Мы не можем дать ей какую-то интегральную оценку, ее состояние может меняться от зоны к зоне. Ведь в озере огромное количество ландшафтов – мелкие заливы, глубинные зоны. Есть зоны, на которые идет очень сильное антропогенное воздействие, а есть абсолютно нетронутые территории. Экомониторинг "Точки N1" показывает ядро всей этой экосистемы – это так называемое звено первичных продуцентов и первичных консументов, которые потребляют эти продуценты. Продуценты – это микроорганизмы (водоросли, бактерии), которые из энергии солнца и растворенных минеральных компонентов синтезируют органические вещества, которое уже потребляет зоопланктон", – рассказал Тимофеев.
По его словам, данный этап экосистемы задает все основные ее параметры.
"Этот этап очень стабилен, он не зависит от каких-то краткосрочных факторов, только лишь от глобальных климатических изменений, либо масштабного антропогенного воздействия", – сообщил специалист.
Как рассказал директор НИИ биологии Иркутского госуниверситета, благодаря 76-летнему мониторингу ученые заметили некоторые изменения в экосистеме Байкала.
"В Байкале происходит постепенная трансформация экосистемы. Идет постепенное замещение уникальных эндемических видов ординарными, обычными видами, которые есть в любом водоеме", – сообщил директор НИИ биологии Иркутского госуниверситета.
Также, по его словам, вода в озере стала теплее.
"Мы заметили, что в Байкале идет постепенный нагрев воды. Не в толще воды (в толще Байкала вода не остывает и не нагревается, она стабильна уже несколько миллионов лет), а в поверхностном слое. Это происходит за счет глобального изменения климата. Наша цивилизация сейчас живет в тренде глобального потепления, и Байкал, соответственно, тоже находится в тренде глобального потепления – только за 70 лет наблюдений средняя температура поверхности воды в озере повысилась более чем на 1 градус. И это, скорее всего, и влияет на снижение численности эндемичных видов и замещение их видами-не эндемиками", – пояснил Тимофеев.
Однако точные причины таких изменений можно установить, только проанализировав воду на разных участках Байкала. Поэтому исследователи хотели бы "отойти" только от одной точки мониторинга, которая показывает ядро экосистемы озера, и начать наблюдать другие зоны, которые, к примеру, когда-то находились под сильным антропогенным воздействием.
"Пока, на данный момент, мы можем снимать только фоновые показатели, а мы бы хотели распространить сеть экомониторинга на весь Байкал – посмотреть, к примеру, что сейчас происходит в районе БЦБК, в районе выхода реки Селенга, где идет поступление огромного количества загрязнителей, у города Северо-Байкальска, где в последние годы фиксировались факты массового развития спирогиды и других харофитовых водорослей. А затем можно было бы сравнить полученные данные с нормой, которую дает нам "Точка N1", – сказал он.
Для такой работы, по мнению Максима Тимофеева, можно было бы в перспективе использовать специальные погружные станции или дроны, которые в автоматическом режиме плавают по озеру и с помощью нейросети анализируют воду на разных участках водоема.
"Но должна быть преемственность данных. Сейчас мы можем сравнивать между собой любые пробы воды, которые когда-либо были проанализированы в рамках проекта, потому что делались они по одной и той же технологии. Важно эти знания не растерять, потому что, если измерения делаются разными инструментами и по разным протоколам, они между собой уже несопоставимы", – отметил директор НИИ биологии Иркутского госуниверситета.
