Метод фотоідентифікації. Як українські полярники досліджують морських тварин за допомогою світлин та штучного інтелекту

Українські полярники на станції «Академік Вернадський» за допомогою фотографій та штучного інтелекту досліджують взаємодію між популяціями, а також міграцію морських тварин Антарктики — насамперед горбатих китів, пінгвінів, тюленів і морських котиків.

Журналіст Павло Яремак спеціально для Заборони поговорив з науковцями.

«Академік Вернадський»: дослідження китів

Станція «Академік Вернадський» — одна з небагатьох в Антарктиці наукових баз, де можливе пересування взимку на невеликих надувних човнах Zodiac. Лише тут українські полярники регулярно досліджують китоподібних, і завдяки цьому мають пріоритет перед іншими науковими станціями області. Біологи спостерігають за тваринами протягом року та фіксують важливі моменти їхнього життєвого циклу, зокрема щорічні дати приходу та відходу. Також науковці проводять заміри тварин і відбирають біопсію. Отримані полярниками дані та зразки тканин є важливим внеском у світову науку.

Морський біолог Вадим Ткаченко пояснює, що для ідентифікації особини спершу він намагається сфотографувати спинні плавці кита, а вже потім переходить до хвостового. Після того, як всіх особин в групі відзнято з дистанції, Вадим підпливає до тварин на човні, аби здійснити біопсію за допомогою спеціального арбалета.

«З 10 метрів у кита летить стріла, на кінці якої є стерильний наконечник. При торканні до тіла тварини він відкушує декілька грамів шкіри та жиру. У стріли є потовщена частина зі щільної плавучої піни. Вона запобігає подальшому її проникненню в тіло кита, а також не дає їй потонути. Після удару стріла моментально відскакує у воду і ми підбираємо її», — пояснює науковець.

Для китів така процедура нешкідлива і майже не відчутна. Під час лабораторних досліджень науковці визначають популяційну приналежність, стать тварини, рівень гормонів тощо. Якщо це самка, то можна дізнатися, чи виношує вона дитинча. «Маючи фото хвоста, зразок шкіри та жиру, ми знаємо про кита майже все», — підкреслює Вадим.

З 2023 року українські вчені знімають китів з дрона, аби визначити розміри тварин. «Коли ми знаємо фокусну відстань камери та точну відстань від дрона до кита, можемо виміряти розмір пікселя на фотографії, а згодом доволі точно визначити габарити різних частин тіла кита. І ще дізнатися, чи вгодований кит, як живився під час перебування в Антарктиці та його вікову групу», — зазначає науковець. Також дрони дозволяють дослідити поведінку ссавців: як вони взаємодіють між собою та навчають дитинчат самостійного живлення крилем.

Хвіст кита — його «паспорт»

Кожен кит візуально унікальний, тому його легко ідентифікувати за допомогою фотографії. Горбатих китів можна впізнати за пігментним малюнком та формою їхнього хвостового плавця. Це наче відбитки пальців людини. Штучний інтелект науково-дослідної платформи HappyWhale дозволяє швидко віднаходити схожі зображення понад 70 тисяч особин у каталозі та аналізувати їх. Це значно пришвидшило наукові дослідження міграції та популяції китів, адже раніше фотографії порівнювали вручну. Також платформа зберігає дані про історії зустрічей всіх китів і контакти з ними дослідників та ентузіастів вейлвочінгу. 

«Я можу спостерігати за одним і тим самим китом десь протягом тижня. Наш район плавання обмежений радіусом 15 кілометрів від станції, — розповідає біолог 28-ї антарктичної експедиції та менеджер з даних платформи HappyWhale Вадим Ткаченко. — Кит, якого ми зустріли в Антарктиці, потім іде розмножуватися в тропіки. Є ймовірність, що він повернеться і ми сфотографуємо його знову. Саме завдяки даним з HappyWhale ми бачимо ці міграційні патерни. Коли кілька десятків людей в різних точках світу фотографують одного і того самого кита, ми отримуємо можливість визначити його міграцію».

Як різні популяції пасуться разом

Комплексне вивчення китів на станції «Академік Вернадський» почалося 2018 року. За допомогою фотоідентифікації була зібрана інформація про міграцію горбатих китів у Південній півкулі та взаємодії між їх популяціями. Перші результати цієї роботи були представлені 2021 року в науковому журналі Scientific Reports. Серед авторів статті — морська біологиня Оксана Савенко.

До того, як Оксана Савенко приїхала на станцію і почала працювати з китоподібними, було заведено вважати, що всі горбаті кити з цього району взимку пливуть в тропіки на розмноження. Проте українські дослідники за п’ять років виявили, що значна частина тварин щороку залишається в регіоні під час антарктичної зими.

«Вважалося, що води між Атлантичним та Тихим океанами мали б утворювати природний бар’єр між генетично розрізненими популяціями. Але завдяки зібраним на платформі HappyWhale даним було доведено, що дві популяції горбатих китів з Атлантики й Тихого океану одночасно живилися в районі західної частини Антарктичного півострова», — говорить авторка дослідження Оксана Савенко.

Найнижча температура на станції 2023 року складала -13.1 °C, а ще пів століття тому стовпчик термометра опускався до -40 °C. Вадим Ткаченко пояснює, що біля Антарктичного півострова відносно тепло через активні кліматичні зміни. «Тут мало плавучого морського льоду і все ще залишаються великі скупчення криля, на яких взимку живляться кити. Тому ми спостерігаємо за ними протягом всієї зими. Вони відпливають досить пізно, — розповідає морський біолог. — У нас був період, коли під час роботи в морі кити нам не траплялися. Ми могли просто їх не бачити. Під кінець зими їхня кількість з кількох тисяч могла скоротитися до декількох десятків лінивих китів, які не захотіли йти в тропіки».

Метод фотоідентифікації: де ще використовується

Метод фотоідентифікації застосовують не тільки для вивчення горбатих китів. Патерн на череві у тюленя Ведделла, ліва сторона морди морського леопарда чи форма спинного плавця косатки — це все унікальні прикмети для кожної конкретної особини. Зображення вводять у базу даних для порівняння.

За словами Вадима Ткаченка, на HappyWhale поки немає алгоритму автоматичної ідентифікації інших видів морських ссавців. Є лише ШІ-ідентифікатор для хвостових плавців горбанів, який розпізнає форму та загальний патерн спинних плавців китоподібних і дає можливість їх порівнювати.

У випадку з іншими тваринами алгоритм можна навчити, наприклад, відрізняти тюленя від снігу або від каменя. «Але набагато важче навчити його розуміти, якою саме стороною до нас повернений тюлень, де у нього закінчується правий бік, починається черево або шия», — пояснює Вадим.

Учасник 27-ї та 28-ї антарктичних експедицій Сергій Глотов зазначає, що при написанні наукових статей використовують фотографії краєвидів та регіонів, де відбирають проби. Наприклад, дослідники беруть фрагменти моху для лабораторного визначення організмів, які в ньому живуть. Після цього вони ілюструють мікробіоти та оселища, де зростає цей мох. Оскільки більшість рослин і тварин в Антарктиці є ендеміками, то будь-яка інформація про їхнє середовище існування є надзвичайно цінною. Отримані зображення інтегрують в наукові статті як частину доказової бази досліджень.

«Деякі риби можуть змінювати колір. Тому рибу фотографують після вилову, коли вона іще жива, і повторно під час патологічного розтину. Це особливо помітно з рожевими рибами, адже після смерті вони можуть стати коричневими або зеленими», — розповідає Сергій Глотов. Фотографії тварин використовують для їх ідентифікації, оскільки колір може бути важливим показником для визначення виду тварини. 

Зображення птахів з рослинами у дзьобі допомагають зрозуміти, з чого вони будують свої гнізда. Відповідно, науковці можуть проаналізувати такі складові як мох, лишайники чи водорості без прямого доступу до пташиного гнізда. 

Морський слон за 5 метрів

Антарктида, по суті, є великим міжнародним заповідником. Тут заборонена будь-яка господарська діяльність, а єдиний вид експлуатації природи — це проведення наукових досліджень з метою збереження біорізноманіття для майбутніх поколінь. Особливості знімання та поводження з тваринами — наприклад, з пінгвінами, тюленями чи морськими котиками, — регламентують міжнародні протоколи.

«Ти маєш все робити так, щоби тварини не змінювали свою поведінку, — зазначає біолог Сергій Глотов. — Тобто якщо пінгвіни йдуть ланцюжком, відповідно, вони мають продовжувати йти ланцюжком. Не треба обирати зручний тільки для тебе ракурс чи підганяти їх до якогось конкретного місця. Дуже важливо не нашкодити».

Через відсутність природних ворогів на суші тварини, що звикли до постійної присутності науковців, максимально до них наближаються. «Ми виходимо зі станції, і за п’ять метрів може лежати морський слон. Або тюлень любить розлягтися на стежці за десять метрів. Він ніколи не буде лежати десь в снігу, а вибирає саме стежку, і ти мусиш його обходити», — розповідає Сергій.