Машинное обучение предсказывает биоразнообразие и устойчивость в «Коралловом треугольнике»

Новая методология, разработанная исследователями из Технологического института Джорджии, может революционизировать мониторинг кораллов. Профессор Аннализа Бракко и постдок Люба Нови применили инструменты машинного обучения для изучения влияния климата на связность и биоразнообразие в Коралловом треугольнике Тихого океана — самой разнообразной морской экосистеме планеты.

Исследование, опубликованное в Communications Biology, преодолевает временные и ресурсные барьеры для понимания биоразнообразия этого региона.

Машинное обучение для обнаружения связности

Ученые использовали инструмент Delta Maps, который с помощью машинного обучения идентифицирует регионы (домены) в любой системе, имеющие одинаковую динамику. Для этого исследования они применили его для картирования доменов связности в Коралловом треугольнике, используя 30 лет данных о температуре поверхности моря.

Изменения температуры поверхности моря, происходящие из-за океанских течений, релевантны для связности кораллов. Исследователи построили свой инструмент на этом наблюдении, используя изменения температуры для идентификации регионов, связанных течениями. Они также разделили временные периоды на три категории: события Эль-Ниньо, события Ла-Нинья и нейтральные или «нормальные» времена.

Затем Нови применила систему ранжирования к идентифицированным экорегионам. Она использовала ранговую центральность страниц — инструмент машинного обучения, изначально созданный для ранжирования веб-страниц, — поверх Delta Maps, чтобы определить, какие коралловые экорегионы наиболее сильно связаны и способны получать больше всего коралловых личинок из других регионов. Эти регионы с наибольшей вероятностью смогут выжить после обесцвечивания.

Климатическая динамика и биоразнообразие

Бракко и Нови обнаружили, что климатическая динамика способствовала биоразнообразию из-за того, как климат вносит изменчивость в течения экваториальной части Тихого океана. Чередование событий Эль-Ниньо и Ла-Нинья позволило осуществить огромный генетический обмен между Индийским и Тихим океанами и позволило экосистемам выживать в различных климатических ситуациях.

«В Тихом океане связи меняются постоянно и настолько динамичны, что вскоре обесцвеченный риф получит личинки из совершенно других экорегионов в другой фазе ENSO», — сказала Бракко.

Исследователи также пришли к выводу, что из-за динамического климатического компонента Кораллового треугольника там больше возможностей для восстановления биоразнообразия, чем где-либо еще на планете. Эволюция биоразнообразия в этом регионе связана не только с массивами суши или уровнем моря, но и с эволюцией ENSO в геологические времена. Ученые обнаружили, что хотя ENSO вызывает обесцвечивание кораллов, он помог Коралловому треугольнику стать столь богатым биоразнообразием.

Возможности для лучшего мониторинга

Поскольку выживание коралловых рифов обозначено как приоритет в Целях устойчивого развития ООН, исследование Бракко и Нови имеет широкие возможности для применения. Их методология позволяет определить:

• Какие экорегионы следует защищать в первую очередь.
• Регионы, где меры защиты будут наиболее эффективны.
• Регионы, требующие более пристального мониторинга, и те, которые в настоящее время можно считать менее приоритетными.

«Это исследование открывает множество возможностей для лучших стратегий мониторинга, особенно с учетом ограниченного количества ресурсов и денег», — отметила Бракко. — «Мы надеемся, что наш метод можно будет использовать для создания лучшего мониторинга в более крупных масштабах времени и пространства».