Кредит: Shutterstock
Применив возможности искусственного интеллекта, исследователи Мичиганского университета сумели обнаружить неожиданную закономерность в эволюции воробьинообразных — обширной таксономической группы, к которой относится большинство певчих птиц. Вопреки распространённым представлениям, эти пернатые не демонстрировали равномерных темпов изменений; напротив, ключевые морфологические преобразования происходили в виде стремительных всплесков, нередко совпадавших с глобальными климатическими сдвигами на Земле.
Эволюционная биология долгое время опиралась на гипотезу о том, что развитие жизни идёт волнообразно: периоды ускоренных изменений сменяются фазами стагнации. Окаменелости давали лишь косвенные намёки на такую динамику, однако новое изыскание подтвердило её, сосредоточившись не на палеонтологических находках, а на промерах скелетов современных птиц из музейных коллекций.
Эволюция внезапными рывками
«Это открытие имеет принципиальное значение для эволюционных теорий, ведь ещё столетие назад высказывались предположения, что появление новых групп и их ветвление часто происходят взрывным образом. Адаптивное излучение, как предсказывает теория, может формировать бóльшую часть биологического разнообразия на планете», — отметил Джейк Берв, ведущий автор публикации и научный сотрудник Школы окружающей среды и развития UM. По его словам, ускорение эволюционных процессов обычно запускается освоением новых экологических ниш или расселением на другие континенты, однако со временем возможности для таких изменений истощаются, темпы замедляются, и цикл повторяется импульсами — именно эту картину учёные и увидели в собранных данных.
Результаты, полученные с помощью искусственного интеллекта и масштабной статистической модели, опубликованы в журнале Nature Ecology & Evolution. Финансирование исследования в основном обеспечили Schmidt Sciences, а также Фонд Дэвида и Люсиль Паккард.
Чтобы реконструировать эволюционную историю воробьиных, команда под руководством старшего автора Брайана Уикса проанализировала более 2000 видов, собрав свыше 170 000 разнообразных скелетных измерений. Столь масштабный сбор данных стал возможен благодаря инструменту Skelevision, разработанному лабораторией Уикса совместно с лабораторией Дэвида Фуи из Нью-Йоркского университета.
Принцип работы Skelevision заключается в фотографировании тушек (в данном случае — птичьих скелетов) на фоне специальной сетки, позволяющей унифицировать масштаб измерений. В течение семи лет сотрудничества Уикс и Фуи обучили модель искусственного интеллекта точно определять размеры 12 костей птичьего скелета. Используя эту систему, исследователи измерили и промерили более 15 000 музейных образцов — преимущественно из коллекции Зоологического музея UM. Сканирование каждого экземпляра занимало около 45 секунд, что позволило оцифровывать целые музейные собрания гораздо быстрее, чем это было бы возможно традиционными методами.
Берв также разработал новый статистический метод под названием «бифрост», который даёт возможность проводить количественный анализ полного скелета каждого вида, а не рассматривать размеры отдельных костей по отдельности. Применяя этот подход, учёные реконструировали, как изменялись формы тела воробьинообразных на протяжении примерно 45 миллионов лет цивилизации (здесь, вероятно, подразумевается «эволюции»). «Весь организм — это целостная, сложная морфология, где отдельные части взаимодействуют друг с другом, — пояснил Берв. — С точки зрения модели вопрос звучит так: “Какова последовательность эволюционных изменений, которая позволяет объяснить наблюдаемое сегодня разнообразие?”»
Анализ выявил особенно интенсивный всплеск эволюции формы тела около 35 миллионов лет назад. Этот рывок совпал с переходом от эоцена к олигоцену — геологической эпохой, отмеченной мощным глобальным похолоданием. Кроме того, статистические результаты показали кластер замедления эволюционных изменений примерно 15 миллионов лет назад, который совпал с другими значительными геологическими событиями.
«Наши находки определённо изменили моё представление о том, как устроен мир», — резюмировал Уикс, доцент кафедры.
едры экосистемных наук и управления в Школе окружающей среды и развития Университета штата Массачусетс. «Эта закономерность, которую мы обнаружили с редким, большим ростом эволюции и небольшим замедлением скорости эволюции, действительно согласуется с закономерностью, когда линии исследуют новое экологическое пространство и быстро изменяются, чтобы воспользоваться этой зависимостью».
Эволюция климата и географии
Затем исследователи проверили закономерность, проанализировав глобальные показатели птиц в своем наборе данных. Они обнаружили, что география также помогает предсказать более низкую скорость морфологической эволюции.
Сообщества птиц в более крайних широтах, где сезонные температуры колеблются более резко, как правило, включают виды, которые развиваются быстрее, чем те, которые живут ближе к экватору. Поскольку подобные положения существовали как на протяжении миллионов лет, так и в современных географических регионах, полученные данные позволяют предположить, что изменчивость окружающей среды может сыграть решающую роль в сохранении формы тела.
«Похоже, существует связь между широтными градиентами и скоростью морфологической эволюции, которая недооценивается», — сказал он. — сказал Уикс. «Я надеюсь, что наши результаты вдохновят на новую интеграцию темпов морфологических изменений в других больших областях интересов, таких как очень разнообразные градиентные градиенты биоразнообразия».
Коллекции музеев приобретают новую ценность благодаря искусственному интеллекту
В работе также обеспечивается научная оригинальность музейных коллекций. По словам Уикса, искусственный интеллект позволяет получить информацию о сохранившихся образцах в масштабах, которые раньше было трудно себе представить.
"Особенно становится ясно, действительно важно инвестировать в музеи, когда вы думаете о масштабе такого анализа; Это ограничивает рамки того, что можно сделать с помощью образцов, предоставленных коллекционером», — сказал он. — сказал он. «Также интересно представить, что первые коллекционеры думали о том, как мы использовали собранные образы — я думаю, они были бы взорваны, зная, что компьютер проанализировал фотографии этих образцов. Это еще просто один пример того, что окончательно невозможно предугадать полную будущую ценность экземпляра».
Уроки современных изменений климата
Исследователи полагают, что полученные результаты могут также помочь научным размышлениям о том, какие виды могут реагировать на быстрые изменения климата, происходящие сейчас во всем мире.
«Сейчас мы переживаем тот момент в истории человечества, когда происходит резкое глобальное изменение климата, и мы не знаем, что произойдет даже через 10 лет, не говоря уже о 10 миллионах лет», — сказал Берв. «Чтобы иметь возможность понять возможность долгосрочного воздействия на Землю, мы должны изучить взаимосвязь между событиями в истории Земли и эволюционными переходами».
Исследование также проводилось при поддержке Мичиганского института данных и amp; Искусственный интеллект в обществе, Совет производителей наук и инженерных исследований Канады и Национальный научный фонд.