Звуки изменения климата: ИИ анализирует полевые записи и оценивает прибытие певчих птиц

Весна наступает раньше в некоторых частях Арктики, и некоторые перелетные птицы прибывают раньше. Однако у исследователей до сих пор нет четкой картины того, как изменение климата трансформирует жизнь в тундре. Ситуация меняется с появлением автоматизированных инструментов для отслеживания птиц и других животных в удаленных местах, которые предоставляют исследователям множество звуковых подсказок о том, как дикая природа адаптируется к более высоким температурам и более непредсказуемой погоде.

В новом исследовании, опубликованном в Science Advances, исследователи из Колумбийского университета описывают метод быстрого анализа тысяч часов полевых записей для оценки времени прибытия певчих птиц на места гнездования на северном склоне Аляски. Они обучили алгоритм на части данных выделять птичье пение из шума ветра, грузовиков и других звуков, и оценивать по количеству времени, которое птицы тратили на пение и крики каждый день, когда они прибыли массово.

Исследователи также запустили алгоритм на своих данных без предварительного обучения, чтобы проверить, сможет ли он самостоятельно выделить птичьи песни и приблизительно определить дату прибытия. В обоих случаях оценки компьютера близко соответствовали наблюдениям людей в полевых условиях. Их метод машинного обучения без учителя потенциально может быть расширен на любой набор данных вокализаций животных.

"Наши методы могут быть переработаны для обнаружения прибытия птиц и других вокальных животных в сильно сезонных местообитаниях, — сказала ведущий автор исследования Рут Оливер, аспирантка Колумбийского университета. — Это позволит нам отслеживать крупномасштабные изменения в том, как животные реагируют на изменение климата".

Эти инструменты, хотя и относительно простые, могут ускорить анализ акустических наборов данных, наполненных ценной для защитников природы информацией о биоразнообразии, считает Эндрю Фарнсворт, исследователь из Лаборатории орнитологии Корнелла, не участвовавший в исследовании.

"Архив акустических записей показывает, как биоразнообразие меняется со временем, — сказал он. — Понимание динамики прибытия певчих птиц и сроков размножения — это дверь к размышлениям об изменении климата и о том, как температура, погода и снегопады влияют на различные виды".

Певчих птиц печально известно сложно отслеживать в дикой природе. Их миграции охватывают тысячи миль, а их тела слишком малы для меток с GPS-приемниками. В новом подходе эколог Натали Боулман из обсерватории Земли Ламонт-Доэрти Колумбийского университета и ее коллеги установили микрофоны в предгорьях хребта Брукс на Аляске, чтобы "подслушивать" два конкретных вида, прилетающих каждую весну для спаривания и выведения птенцов: белобровых зонотрихий и лапландских подорожников.

Начиная с 2010 года, команда записывала звуки в течение пяти сезонов с регулярными интервалами с начала мая по июль. Они надеялись точно определить, когда птицы прибывают, и изменится ли видовой состав по мере расширения ареала растений, предпочитающих более теплые температуры. Белобровые зонотрихии предпочитают древесные кустарники, а лапландские подорожники — открытые луга. Поскольку ожидается, что к 205 году кустарники будут доминировать в этом районе, зонотрихии могут в конечном итоге вытеснить подорожников и других птиц, адаптированных к тундре.

На следующем этапе своего исследования команда надеется дальше развить инструмент, чтобы различать зонотрихий и подорожников, а также другие виды, для выявления тенденций на уровне популяций.

Идентификация конкретных видов — сложная проблема, которую пытаются решить другие исследователи. В Корнелле Фарнсворт и его коллеги используют инструменты глубокого обучения в проекте BirdVox для классификации записей ночных криков перелетных птиц, когда меньше конкурирующего шума, который нужно отфильтровать. Компания Wildlife Acoustics из Бостона создает недорогие полевые регистраторы и разрабатывает программное обеспечение для отслеживания появления и исчезновения птиц, а также лягушек, летучих мышей и китов по издаваемым ими звукам.

"Мы хотим знать, какие виды присутствуют, когда людей нет, — говорит Фарнсворт. — Мы пытаемся научить машину классифицировать звук так, как это делает человеческий мозг".

Чем длиннее набор данных, тем больше шансов, что проявится сигнал об изменении климата. Для Боулман пять лет оказались слишком коротким сроком в регионе, известном большими межгодовыми колебаниями погоды и температуры, которые, по-видимому, становятся более экстремальными с изменением климата. В недавнем исследовании в Oecologia, основанном на данных наблюдений, команда сообщила, что и зонотрихии, и подорожники, по-видимому, синхронизируют свое прибытие и размножение с местными условиями; когда поздняя весна задержала таяние снега на 10 дней в 2013 году, птицы прибыли на 3–6 дней позже обычного и вывели птенцов на 4–10 дней позже.

"Однако до сих пор неясно, как певчие птицы справятся, если весна наступит еще раньше или позже, чем в период нашего исследования, — сказала Боулман. — Виды также синхронизируют свою миграцию и размножение с длиной светового дня, которая не меняется с изменением климата. Виды, чья миграционная реакция жестко запрограммирована только на длину светового дня, могут не так хорошо адаптироваться к меняющейся среде".