มีสปาลอยน้ำกลางทะเลสาบอีรี มีห้องซาวน่า ห้องอบไอน้ำ และแม้กระทั่งห้องเล็กๆ ที่เต็มไปด้วยหิมะ ชั้นบนมีเลานจ์หรูหรา ห้องสมุดขนาดใหญ่ คอลเลกชั่นงานศิลปะที่คัดสรรโดยศิลปินชื่อดัง และห้องบรรยายแบบพาโนรามาพร้อมหน้าต่างสูงจากพื้นจรดเพดาน ผู้โดยสารต่างยุ่งกับการรับประทานอาหารที่รายล้อมไปด้วยซอมเมอลิเย่ร์ในร้านอาหารชั้นเลิศ
ชั้นล่างหนึ่งชั้นมีห้องปฏิบัติการอันล้ำสมัยที่เต็มไปด้วยอุปกรณ์ไฮเทค และเรือดำน้ำมูลค่าหลายล้านดอลลาร์สองลำที่สามารถพาผู้โดยสารลงไปได้ลึก 1,000 ฟุต (300 เมตร) ทีมนักวิทยาศาสตร์กำลังกรองตัวอย่างน้ำและวิเคราะห์แบบเรียลไทม์ โดยดูลายนิ้วมือทางพันธุกรรมของแพลงก์ตอนที่มันลอยอยู่ในน้ำ
นักวิจัยบนเรือสำราญ Octantis ของ Viking กำลังศึกษา DNA สิ่งแวดล้อม (eDNA) ซึ่งเป็นชิ้นส่วนของสารพันธุกรรมที่ลอยอยู่ในน้ำ ลอยอยู่ในอากาศ หรือค้างอยู่ในดิน ทุกครั้งที่สิ่งมีชีวิตเดินทางผ่านสภาพแวดล้อม มันจะสูญเสียสารพันธุกรรมจำนวนเล็กน้อยออกไป
แต่เทคนิคนี้มีปัญหาประการหนึ่ง นั่นคือสร้างข้อมูลได้มากมายจนนักวิจัยต้องดิ้นรนเพื่อวิเคราะห์ทั้งหมด ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์กำลังทำงานเพื่อรวมตัวกัน(AI) พร้อมการจัดลำดับที่ล้ำสมัยเพื่อระบุการเปลี่ยนแปลงประเภทและจำนวนสิ่งมีชีวิตในระบบนิเวศที่กำหนดอย่างรวดเร็ว ในที่สุด ข้อมูลดังกล่าวสามารถให้มุมมองแบบเรียลไทม์ว่าโลกทำงานอย่างไร และช่วยให้เราปรับตัวเข้ากับการเปลี่ยนแปลงทางนิเวศวิทยาได้รวดเร็วยิ่งขึ้น
ขุมสมบัติของข้อมูลด้านสิ่งแวดล้อม
คำว่า "DNA ด้านสิ่งแวดล้อม" หรือ "eDNA" ได้รับการประกาศเกียรติคุณในปี 1980 ในการศึกษาที่อธิบายเทคนิคในการรับ DNA จากตัวอย่างดิน แต่จนกระทั่งช่วงปี 2000 เครื่องหาลำดับดีเอ็นเอที่รวดเร็วและแม่นยำแพร่หลายออกไปและราคาไม่แพง ทำให้การวิเคราะห์ eDNA ใช้งานได้จริง
การหาลำดับยุคใหม่ (NGS) ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์วิเคราะห์ DNA ได้อย่างรวดเร็วอย่างไม่น่าเชื่อ โดยขณะนี้สามารถจัดลำดับจีโนมมนุษย์ทั้งหมดได้ภายในวันเดียว สำหรับ eDNA NGS หมายถึงสามารถระบุชนิดพันธุ์ได้หลายพันชนิดจากตัวอย่างน้ำเดียว- เทคโนโลยีการหาลำดับเบสนั้นมีความก้าวหน้าสูง แต่ความสามารถในการวิเคราะห์และสรุปผลที่มีความหมายนั้น ต้องใช้พลังในการประมวลผลจำนวนมหาศาล และอาจต้องใช้เวลาหลายปีของนักวิทยาศาสตร์
ตัวอย่างทางกายภาพอาจใช้เวลาตั้งแต่สองสามวันถึงหนึ่งเดือนในการจัดลำดับ จากนั้นเมื่อลำดับกลับมา จะต้องดาวน์โหลดข้อมูลหลายกิกะไบต์และ "ล้าง" กล่าวคือ คอมพิวเตอร์จะตรวจสอบข้อผิดพลาด การทำซ้ำ หรือปัญหาการจัดรูปแบบ จากนั้นจึงจะสามารถวิเคราะห์ชุดข้อมูลที่ได้รับการตรวจสอบแล้วได้
นี่คือก้าวต่อไปที่ AI สามารถเปลี่ยนแปลงได้
“นักวิจัยสามารถใช้เวลาหลายเดือนในการค้นหาข้อมูลนั้นเพื่อพยายามทำความเข้าใจและระบุเรื่องราวและเนื้อหาที่น่าสนใจและทรงพลังที่สุดที่ออกมาจากข้อมูลนี้ แต่ AI สามารถทำได้ในไม่กี่วินาที” Gold กล่าว
กองทัพห้องปฏิบัติการลอยน้ำ
Viking เริ่มศึกษา eDNA ส่วนหนึ่งเนื่องมาจาก- ในตอนแรกบริษัทกำหนดให้แขกทำการทดสอบปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรส (PCR) ทุกวันสำหรับโควิด-19 แต่เมื่อข้อกำหนดดังกล่าวหมดลง อุปกรณ์บนเรือ Octantis ก็ถูกนำมาใช้ใหม่เพื่อให้สามารถทดสอบตัวอย่างน้ำแบบเรียลไทม์ได้ บริษัทเรือสำราญร่วมมือกับ NOAAในปี 2563 และนักวิทยาศาสตร์เข้าร่วมการเดินทางของไวกิ้งไปยังเกรตเลกส์ในปี 2022-
ขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์บนเรือสำราญความยาว 673 ฟุต (205 ม.) ลำนี้วิเคราะห์แพลงก์ตอนพืชในน้ำที่พวกมันแล่นผ่าน โดยให้ภาพรวมของระบบนิเวศทุกครั้งที่เรือไปเยือนภูมิภาคเดียวกัน เมื่อเทียบกับการสำรวจวิจัยทางวิทยาศาสตร์แบบดั้งเดิมซึ่งมีราคาแพงและไม่สม่ำเสมอ เรือท่องเที่ยวประหยัดเวลาและเงิน เรือสำราญก็ยังคงเดินทางแบบนี้ และอาหารก็ดีกว่ามาก ทีมงานกล่าว
ในห้องแล็บลอยน้ำของพวกเขา นักวิจัยกำลังทำงานร่วมกับไวกิ้งอยู่ในขณะนี้ลำดับแพลงก์ตอนพืช- “พวกมันเป็นกุญแจสำคัญในการมีชีวิตบนโลก” กล่าวอัลลิสัน คูซิกนักวิจัยจาก Scripps Institution of Oceanography แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก ซึ่งทำงานในห้องปฏิบัติการเกี่ยวกับเรือแห่งหนึ่งของ Viking เพื่อศึกษา eDNA ในสถานที่ห่างไกล เช่น แอนตาร์กติกา แพลงก์ตอนพืชเป็นรากฐานของใยอาหารทางทะเลส่วนใหญ่และพวกมันผลิตได้ออกซิเจนครึ่งหนึ่งของโลกผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง Cusick กล่าวว่าความแตกต่างระหว่างแพลงก์ตอนพืชสายพันธุ์ต่างๆ นั้นน่าเหลือเชื่อ ความหลากหลายระหว่างสองประเภทอาจมากกว่าความหลากหลายระหว่างมนุษย์กับเชื้อรา
การเปลี่ยนแปลงประเภทของแพลงก์ตอนในน้ำเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของความหลากหลายทางชีวภาพและสุขภาพของมหาสมุทร การเปลี่ยนแปลงสามารถสะท้อนกลับในสายใยอาหาร และอาจส่งผลร้ายแรงตามมา
การใช้การวิเคราะห์ eDNA เพื่อค้นหาความสัมพันธ์เชิงวิวัฒนาการระหว่างสายพันธุ์และเส้นทางวิวัฒนาการที่แตกต่างกัน เช่น เกิดขึ้นเมื่อมียีนหนึ่งเกิดขึ้นและเมื่อมีการแนะนำยีนเฉพาะ สามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่าการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศจะส่งผลกระทบต่อสายพันธุ์ต่าง ๆ อย่างไร กล่าวเบอนัวต์ โมรินวิศวกรซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ IFREMER (สถาบันวิทยาศาสตร์มหาสมุทรและเทคโนโลยีแห่งชาติฝรั่งเศส)
“เมื่อมองดูอดีต เราก็สามารถพยายามเข้าใจอนาคตได้” โมรินบอกกับ WordsSideKick.com
"โครงการปริศนา" สำหรับ eDNA
เพื่อให้มีประสิทธิภาพอย่างแท้จริง โครงการต่างๆ เช่น ความร่วมมือระหว่าง Viking-NOAA จะต้องบูรณาการปัญญาประดิษฐ์เข้ากับการวิเคราะห์ eDNA
เรียบร้อยแล้ว,จากชุดข้อมูลขนาดใหญ่จากกล้องดักและระบบตรวจสอบอัตโนมัติ นอกจากนี้ยังใช้เพื่อค้นพบสายพันธุ์ที่สูญหายไปอีกครั้ง รวมถึงสัตว์ที่ใกล้สูญพันธุ์อย่างยิ่ง-คริปโตคลอริส วินโทนี่) ซึ่งจนกระทั่งถูกติดตามโดยใช้ eDNA ยังไม่มีใครพบเห็นมากว่า 80 ปีแล้ว
แต่เพื่อให้ความพยายามเหล่านี้บรรลุศักยภาพสูงสุด เทคนิค AI จะต้องได้รับการปรับปรุงและบูรณาการเข้ากับการวิเคราะห์ eDNA
เมื่อนักวิทยาศาสตร์เก็บตัวอย่าง eDNA แล้ว พวกเขาจะวิเคราะห์มันผ่านบาร์โค้ด ซึ่งสามารถค้นหาสปีชีส์เดียวหรือสิ่งมีชีวิต หรือระบุหลายสปีชีส์พร้อมกันได้ บาร์โค้ดคือชุดลำดับดีเอ็นเอเฉพาะชุดเล็กๆ ที่ใช้ในการระบุสิ่งมีชีวิตโดยการเปรียบเทียบกับฐานข้อมูลอ้างอิงออนไลน์
เลติเซีย ลัมเปอร์ติวิศวกรคณิตศาสตร์ที่ École Pratique des Hautes Études (Practical School of Advanced Studies) ในฝรั่งเศส กำลังพัฒนาระบบการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อใช้บาร์โค้ดดังกล่าวเพื่อเปิดเผยความสมบูรณ์ของสภาพแวดล้อมที่กำหนด โดยพิจารณาจากประเภทและจำนวนสิ่งมีชีวิตภายในตัวอย่าง ข้อมูลดังกล่าวอาจชี้ไปที่การแก้ไขที่อาจเกิดขึ้นได้
ตัวอย่างเช่น หากมีแพลงก์ตอนพืชที่สร้างสารพิษเพิ่มขึ้นในตัวอย่างน้ำ อาจเป็นไปได้ที่จะระบุการเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นกับการไหลบ่าทางการเกษตรที่เลี้ยงแพลงก์ตอนพืช Cusick กล่าว
ในปี 2023 Lamperti และเพื่อนร่วมงานของเธอตีพิมพ์ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าโครงข่ายประสาทเทียม ซึ่งเป็นอัลกอริธึมการเรียนรู้ของเครื่องหลายชั้นที่เลียนแบบวิธีที่สมองของมนุษย์กรองและประมวลผลข้อมูล ทำงานได้ดีกว่าวิธีการทางสถิติอื่นๆ ในการจัดกลุ่มสิ่งมีชีวิตที่เกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิดโดยอิงตาม eDNA ของพวกมัน แต่เช่นเดียวกับเทคโนโลยีการจดจำใบหน้า AI น่าจะตรวจจับสิ่งมีชีวิตที่อุดมสมบูรณ์ได้ดีกว่า ซึ่งมีข้อมูล "การฝึกอบรม" จำนวนมาก แต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าในการจำแนกสิ่งมีชีวิตที่หายาก
การศึกษาล่าสุดอีกหลายชิ้นชี้ให้เห็นถึงศักยภาพที่น่าหวังของ AI ในการวิจัย eDNA ตัวอย่างเช่นการศึกษาหนึ่งเรื่องพบว่า AI สามารถระบุสายพันธุ์ที่ไม่รู้จักได้ถึง 90% ในตัวอย่าง แม้ว่าจะไม่มีลำดับที่คล้ายกันจากสิ่งมีชีวิตที่เกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิดเพื่อใช้ในการเปรียบเทียบก็ตาม
หาก AI สามารถเติมเต็มศักยภาพได้ การเปลี่ยนแปลงวิธีทำความเข้าใจสิ่งแวดล้อมจะยิ่งใหญ่มาก Cusick เปรียบเสมือนการถอดรหัสรหัส Enigma ของชาวเยอรมันของ Alan Turing ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง “นั่นจะเป็นการเปลี่ยนแปลง” เธอบอกกับ WordsSideKick.com
"หลายๆ อย่างไม่ใช่เรื่องยาก มันแค่ใช้เครื่องมือที่มีอยู่ที่มีอยู่แล้ว เราแค่ต้องชี้จักรยานไปในทิศทางที่ถูกต้อง"
แซคารี่ โกลด์
AI สามารถระบุสายพันธุ์ที่เพิ่งค้นพบได้ในระดับที่ไม่มีใครเทียบได้ ความสัมพันธ์เชิงวิวัฒนาการสามารถกำหนดได้ในพริบตา การติดตามและการวางแผนการเปลี่ยนแปลงสิ่งแวดล้อมสามารถเปลี่ยนแปลงได้ ตัวอย่างเช่น ด้วยการวิเคราะห์ตัวอย่าง eDNA อย่างรวดเร็ว AI สามารถแจ้งเตือนนักว่ายน้ำแบบเรียลไทม์ถึงการปรากฏตัวของหรือฉลามในน่านน้ำหรือคาดการณ์เหตุการณ์ต่างๆ เช่น การบานของสาหร่ายที่เป็นอันตราย ก่อนที่จะคุกคามต่อสุขภาพของประชาชน— คล้ายกับวิธีที่เราได้รับการแจ้งเตือนสภาพอากาศบนโทรศัพท์ของเราตอนนี้
ตามทฤษฎีแล้ว ทรัพยากรสามารถเปลี่ยนเส้นทางได้อย่างรวดเร็วเพื่อแก้ไขปัญหาก่อนที่จะกลายเป็นปัญหา
Gold กล่าวว่าเป้าหมายนี้สามารถบรรลุได้ แต่จะใช้เวลานานแค่ไหนนั้นจะขึ้นอยู่กับทรัพยากรที่ใช้ในการพัฒนา AI ให้บรรลุเป้าหมายดังกล่าว
พจนานุกรมสายพันธุ์
ในขณะนี้ AI ยังขาดสิ่งสำคัญ นั่นคือการจัดระเบียบข้อมูลที่ดีจำนวนมากเพื่อระบุรูปแบบที่สำคัญ ข้อมูลเหล่านี้จำเป็นต้องรวมอยู่ในที่เดียวเพื่อเป็นฐานข้อมูลอ้างอิงหรือพจนานุกรมของสายพันธุ์โดยพิจารณาจาก DNA ของพวกมัน
“เราต้องการฐานข้อมูลอ้างอิงเพื่อระบุชนิดพันธุ์” Lamperti กล่าวกับ WordsSideKick.com “ปัญหาคือเราไม่มีมัน”
เพื่อระบุสายพันธุ์ AI จำเป็นต้องเรียนรู้ลายเซ็นที่สำคัญหรือบาร์โค้ดของแต่ละสายพันธุ์และสายพันธุ์ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดโดยการฝึกอบรมเกี่ยวกับรีมและรีมของข้อมูล แต่ชุดข้อมูลความหลากหลายทางชีวภาพไม่ได้อยู่ในพื้นที่เก็บข้อมูลสาธารณะ และไม่ได้อยู่ในรูปแบบมาตรฐานที่ได้รับการดูแลจัดการ ซึ่งสามารถป้อนเข้าสู่ระบบ AI ที่ได้รับการฝึกอบรมและออกแบบตามความต้องการได้ “eDNA ไม่พร้อมสำหรับ AI” โกลด์กล่าว
ในสหรัฐอเมริกา มีการเก็บตัวอย่าง eDNA ประมาณ 40,000 ตัวอย่างในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาเพียงทศวรรษเดียว ตามการประเมินของ Gold แต่ส่วนใหญ่ไม่สามารถเข้าถึงได้ อาจเป็น "ในห้องใต้หลังคาของใครบางคนหรือวิธีการเสริมจากรายงานทางวิทยาศาสตร์ของใครบางคน" เขากล่าว
เพื่อให้ได้ข้อสรุปที่เป็นประโยชน์เพื่อช่วยเราปกป้องและจัดการสิ่งแวดล้อม AI จำเป็นต้องเรียนรู้จากฐานข้อมูลพื้นฐานที่รวบรวมความหลากหลายทางชีวภาพในสภาพแวดล้อมที่เราสนใจ นั่นเป็นความพยายามที่หนักหน่วง “มันเป็นเงินหลายล้านดอลลาร์ มันเป็นเวลาของผู้คนมากมาย” โกลด์กล่าว
ขณะนี้ Morin กำลังทำงานในส่วนนี้อยู่ แต่เป็นกระบวนการที่ช้าและใช้ทรัพยากรมาก เขาและเพื่อนร่วมงานกำลังสร้าง "พจนานุกรม" ทางพันธุกรรมผ่านทางโครงการแอตลาซีซึ่งมีเป้าหมายเพื่อจัดลำดับจีโนมของสัตว์ทะเล 4,500 สายพันธุ์ ข้อมูลนี้จะถูกเก็บไว้ในฐานข้อมูลแบบเปิดสำหรับชุมชนวิทยาศาสตร์ ขณะนี้ IFREMER กำลังทำงานร่วมกับบริษัทโครงสร้างพื้นฐานข้อมูล NetApp เพื่อจัดประเภทข้อมูลจำนวนมากที่ถูกรวบรวม
ด้วยเงินในการพัฒนาชุดข้อมูล เครื่องมือ AI eDNA จึงสามารถพร้อมใช้งานได้ "เร็วมาก" Gold กล่าว “ฉันไม่สงสัยเลยว่าสิ่งที่เรากำลังทำอยู่ไม่ใช่เรื่องยากทางเทคโนโลยี แค่เราไม่ได้จัดหาทรัพยากร หากเราต้องการทำสิ่งนี้และระดมพลในระดับหนึ่ง ฉันไม่สงสัยเลยในการแข่งขันกีฬาโอลิมปิกครั้งต่อไปที่ลอสแองเจลิส [ในปี 2571] เราอาจมีเครื่องมือ ทรัพยากร และเครือข่ายที่จัดตั้งขึ้น และ [จะ] พร้อมที่จะทำเช่นนี้”
หากการลงทุนและทรัพยากรดำเนินต่อไปตามระดับปัจจุบัน Gold คาดการณ์ว่ามันจะเป็น "หยดที่ช้า" และเราจะไปถึงจุดนั้นภายในประมาณ 15 ปี แต่เขามองในแง่ดีว่ามาตราส่วนเวลาอาจเร็วขึ้น “หลายๆ อย่างไม่ใช่เรื่องยาก แค่ใช้เครื่องมือที่มีอยู่ที่มีอยู่แล้ว” โกลด์กล่าว "เราแค่ต้องชี้จักรยานไปในทิศทางที่ถูกต้อง"
หมายเหตุบรรณาธิการ: บทความนี้ได้รับการอัปเดตเมื่อเวลา 4.25 น. ET ของวันที่ 25 กุมภาพันธ์ เพื่อชี้แจงว่า Viking ซึ่งไม่ใช่หน่วยงานภายนอก กำหนดให้แขกทำการทดสอบ PCR ทุกวันในช่วงที่มีการระบาดของโควิด-19
ในWordsSideKick.com จะเจาะลึกวิทยาศาสตร์ที่เกิดขึ้นใหม่ให้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น และให้มุมมองที่คุณต้องการเกี่ยวกับความก้าวหน้าเหล่านี้ เรื่องราวของเราเน้นย้ำถึงแนวโน้มในสาขาต่างๆ การวิจัยใหม่ๆ เปลี่ยนแปลงแนวคิดเก่าๆ อย่างไร และภาพของโลกที่เราอาศัยอยู่ได้รับการเปลี่ยนแปลงอย่างไรด้วยวิทยาศาสตร์
