Исследователи использовали искусственный интеллект, чтобы сделать новые открытия и подтвердить старые об одном из самых известных имитаторов природы, открывая совершенно новые направления исследований в эволюционной биологии.
Исследователи из Кембриджского университета, Университета Эссекса, Токийского технологического института и Музея естественной истории в Лондоне использовали свой алгоритм машинного обучения, чтобы проверить, могут ли виды бабочек совместно развиваться с одинаковыми узорами крыльев для взаимной выгоды.. Это явление, известное как мимикрия Мюллера, считается старейшей математической моделью эволюционной биологии и было выдвинуто менее чем через два десятилетия после дарвиновской теории эволюции путем естественного отбора.
Алгоритм был обучен для количественной оценки вариаций между различными подвидами бабочек Heliconius, от незначительных различий в размере, форме, количестве, положении и цвете особенностей рисунка крыльев до широких различий в основных группах рисунка.
Это первый полностью автоматизированный объективный метод для успешного измерения общего визуального сходства, который, в свою очередь, можно использовать для проверки того, как виды используют эволюцию рисунка крыльев в качестве средства защиты. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.
Исследователи обнаружили, что разные виды бабочек действуют как модели и как имитаторы, «заимствуя» черты друг у друга и даже создавая новые модели.
«Теперь мы можем применять ИИ в новых областях, чтобы делать открытия, которые раньше были просто невозможны», - сказала ведущий автор доктор Дженнифер Хойал Катхилл из Кембриджского отделения наук о Земле. «Мы хотели проверить теорию Мюллера в реальном мире: совпали ли эти виды по рисунку крыльев друг друга, и если да, то насколько? Раньше мы не могли проверить мимикрию в этой эволюционной системе из-за сложности количественной оценки того, насколько похожи два вида. бабочки есть."
Мюллеровская теория мимикрии названа в честь немецкого натуралиста Фрица Мюллера, который впервые предложил эту концепцию в 1878 году, менее чем через два десятилетия после того, как Чарльз Дарвин опубликовал книгу «Происхождение видов» в 1859 году. выгода. Это также важный пример феномена эволюционной конвергенции, когда одни и те же черты развиваются снова и снова у разных видов.
Например, теория Мюллера предсказывает, что две одинаково неприятные на вкус или токсичные популяции бабочек в одном и том же месте станут похожими друг на друга, потому что обе выиграют, «разделив» потерю некоторых особей с хищниками, узнавшими, насколько они плохи. вкус. Это обеспечивает защиту посредством сотрудничества и взаимопомощи. Это контрастирует с мимикрией Бейтса, которая предполагает, что безобидные виды подражают вредоносным, чтобы защитить себя.
Бабочки Heliconius хорошо известны как мимики и считаются классическим примером мюллеровской мимикрии. Они широко распространены в тропических и субтропических районах Америки. Существует более 30 различных узнаваемых типов узоров у двух видов, на которых сосредоточилось исследование, и каждый тип узора содержит пару мимических подвидов.
Однако, поскольку предыдущие исследования узоров крыльев приходилось проводить вручную, было невозможно провести крупномасштабный или глубокий анализ того, как эти бабочки имитируют друг друга.
«Машинное обучение позволяет нам вступить в новую феноменальную эру, в которой мы можем анализировать биологические фенотипы - то, как на самом деле выглядят виды - в масштабе, сравнимом с геномными данными», - сказал Хойал Катхилл, который также придерживается должности в Токийском технологическом институте и Университете Эссекса.
Исследователи использовали более 2 400 фотографий бабочек Heliconius из коллекций Музея естественной истории, представляющих 38 подвидов, для обучения своего алгоритма под названием «ButterflyNet».
ButterflyNet была обучена классифицировать фотографии сначала по подвидам, а затем количественно определять сходство между различными узорами и цветами крыльев. Он нанес различные изображения в многомерное пространство, с более похожими бабочками ближе друг к другу и менее похожими бабочками дальше друг от друга.
«Мы обнаружили, что эти виды бабочек заимствуют друг друга, что подтверждает гипотезу Мюллера о взаимной коэволюции», - сказал Хойал Катхилл. «На самом деле конвергенция настолько сильна, что мимики разных видов более похожи, чем представители одного и того же вида».
Исследователи также обнаружили, что мюллеровская мимикрия может генерировать совершенно новые паттерны, комбинируя черты из разных родословных.
«Интуитивно можно было бы ожидать, что у видов, имитирующих друг друга, будет меньше рисунков крыльев, но мы видим прямо противоположное, что было загадкой эволюции», - сказал Хойал Катхилл.«Наш анализ показал, что взаимная коэволюция может на самом деле увеличить разнообразие моделей, которые мы видим, объясняя, как эволюционная конвергенция может создавать новые комбинации характеристик моделей и увеличивать биологическое разнообразие..
Используя ИИ, мы открыли новый механизм, с помощью которого мимикрия может производить эволюционную новизну. Вопреки интуиции, сама мимикрия может генерировать новые паттерны за счет обмена чертами между видами, которые имитируют друг друга. Благодаря ИИ мы теперь в состоянии количественно оценить удивительное разнообразие жизни, чтобы сделать новые научные открытия, подобные этому: это может открыть совершенно новые направления исследований в мире природы».