มีสปาลอยอยู่กลางทะเลสาบอีรี มันมีห้องซาวน่าห้องอบไอน้ำและแม้แต่ห้องเล็ก ๆ ที่เต็มไปด้วยหิมะ ชั้นบนมีเลานจ์หรูหราห้องสมุดขนาดใหญ่คอลเล็กชั่นศิลปะที่ดูแลโดยศิลปินที่มีชื่อเสียงและโรงละครบรรยายแบบพาโนรามาพร้อมหน้าต่างสูงจากพื้นจรดเพดาน ผู้โดยสารกำลังยุ่งอยู่กับการรับประทานอาหารที่ล้อมรอบด้วยซอมเมอลิเยร์ในร้านอาหารชั้นเลิศ
หนึ่งดาดฟ้าด้านล่างมีห้องปฏิบัติการที่ล้ำสมัยที่ล้ำสมัยที่เต็มไปด้วยอุปกรณ์ไฮเทคและสองล้านดอลล่าร์สามารถพาผู้โดยสารลง 1,000 ฟุต (300 เมตร) ทีมนักวิทยาศาสตร์กำลังกลั่นกรองตัวอย่างน้ำและวิเคราะห์พวกเขาในเวลาจริงดูลายนิ้วมือทางพันธุกรรมของแพลงก์ตอนขณะที่ลอยผ่านน้ำ
นักวิจัยเกี่ยวกับเรือล่องเรือ Octantis ของไวกิ้งกำลังศึกษา DNA ด้านสิ่งแวดล้อม (Edna) - บิตของวัสดุทางพันธุกรรมที่ลอยอยู่ในน้ำลอยผ่านอากาศหรืออ้อยอิ่งในดิน ทุกครั้งที่สิ่งมีชีวิตผ่านสภาพแวดล้อมจะทำให้บิตของสารพันธุกรรมของมันลดลง
นักวิทยาศาสตร์สังเกตเห็นร่องรอยของวัสดุทางพันธุกรรมนี้เมื่อหลายสิบปีก่อน แต่ด้วยเทคนิคการเรียงลำดับที่ทรงพลังตอนนี้พวกเขาเริ่มวิเคราะห์ Edna เพื่ออธิบายลักษณะของใยอาหารเปิดเผยสถานที่ของสัตว์ใกล้สูญพันธุ์ที่หายไปนานและแสดง-
แต่เทคนิคนี้มีปัญหาหนึ่ง: มันสร้างข้อมูลมากมายที่นักวิจัยต้องดิ้นรนเพื่อวิเคราะห์ทั้งหมด ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์กำลังทำงานเพื่อรวม(AI) ด้วยการจัดลำดับที่ทันสมัยเพื่อระบุการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในประเภทและจำนวนของสิ่งมีชีวิตในระบบนิเวศที่กำหนด ในที่สุดข้อมูลนั้นสามารถให้มุมมองแบบเรียลไทม์เกี่ยวกับวิธีการทำงานของโลก-และช่วยให้เราสามารถปรับให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงทางนิเวศวิทยาได้อย่างรวดเร็วยิ่งขึ้น
“ AI จะสามารถดึง [ข้อมูล] ออกมาในแบบที่เทคนิคอื่น ๆ ของเราไม่มีความสามารถ”Zachary Gold, การวิจัยนำของโครงการนิเวศวิทยาโมเลกุลมหาสมุทรที่ห้องปฏิบัติการทางทะเลแห่งชาติมหาสมุทรและบรรยากาศแห่งชาติ (NOAA) Pacific Marine Environmental Environmental "ข้อมูลเร็วขึ้นดีขึ้นและเร็วขึ้นช่วยให้เราทำสิ่งที่เราไม่เคยฝันมาก่อน" เขาบอกกับวิทยาศาสตร์การใช้ชีวิต
ขุมสมบัติของข้อมูลสิ่งแวดล้อม
คำว่า "DNA ด้านสิ่งแวดล้อม" หรือ "Edna" ได้รับการประกาศเกียรติคุณในปี 1980 ในการศึกษาที่อธิบายเทคนิคการรับ DNA จากตัวอย่างดิน แต่มันไม่ได้จนกว่าจะถึงปี 2000 เครื่องเรียงลำดับดีเอ็นเอที่รวดเร็วและแม่นยำมีอยู่อย่างกว้างขวางและราคาไม่แพงทำให้การวิเคราะห์ Edna ใช้งานได้จริง
การจัดลำดับรุ่นต่อไป (NGS) ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์วิเคราะห์ DNA อย่างรวดเร็วอย่างไม่น่าเชื่อ-จีโนมมนุษย์ทั้งหมดสามารถจัดลำดับได้ในเวลาเพียงหนึ่งวัน สำหรับ Edna, NGS หมายถึงสามารถระบุสายพันธุ์ได้หลายพันชนิดจากตัวอย่างน้ำเดียว- เทคโนโลยีการเรียงลำดับนั้นมีความก้าวหน้าสูง แต่ความสามารถในการวิเคราะห์และดึงข้อสรุปที่มีความหมายจากมันต้องใช้พลังในการคำนวณจำนวนมากและอาจใช้เวลาหลายปีในการใช้เวลาของนักวิทยาศาสตร์
ตัวอย่างทางกายภาพสามารถใช้เวลาได้ทุกที่จากสองสามวันถึงหนึ่งเดือนถึงลำดับจากนั้นเมื่อลำดับกลับมาแล้วต้องดาวน์โหลดข้อมูลจำนวนมากและ "ทำความสะอาด" - นั่นคือตรวจสอบโดยคอมพิวเตอร์สำหรับข้อผิดพลาดซ้ำหรือปัญหาการจัดรูปแบบ . จากนั้นสามารถวิเคราะห์ชุดข้อมูลที่ผ่านการตรวจสอบได้เท่านั้น
เป็นขั้นตอนต่อไปที่ AI สามารถเปลี่ยนแปลงได้
“ นักวิจัยสามารถใช้เวลาหลายเดือนในการค้นหาข้อมูลนั้นเพื่อพยายามทำความเข้าใจและระบุว่าเรื่องราวและทรัพย์สินที่น่าสนใจและทรงพลังที่สุดคืออะไรที่ออกมาจากข้อมูลนี้ แต่ AI สามารถทำได้ในไม่กี่วินาที” โกลด์กล่าว .
กองทัพแห่งห้องปฏิบัติการลอยน้ำ
ไวกิ้งเริ่มศึกษา Edna บางส่วนเนื่องจากการระบาดใหญ่ บริษัท จำเป็นต้องใช้การทดสอบปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรส (PCR) สำหรับ COVID-19 แต่เมื่อข้อกำหนดนั้นหมดไปแล้วอุปกรณ์บนเรือ Octantis ของเรือก็ถูก repurposed เพื่อให้สามารถทดสอบตัวอย่างน้ำแบบเรียลไทม์ บริษัท ล่องเรือร่วมมือกับ NOAAในปี 2020 และนักวิทยาศาสตร์เข้าร่วมการเดินทางของ Viking ไปยัง Great Lakes ในปี 2022-
ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์บนเรือล่องเรือยาว 673 ฟุต (205 เมตร) วิเคราะห์แพลงก์ตอนพืชในน่านน้ำที่พวกเขาผ่านไปโดยให้ภาพรวมของระบบนิเวศทุกครั้งที่เรือเข้ามาในภูมิภาคเดียวกัน เมื่อเปรียบเทียบกับการสำรวจทางวิทยาศาสตร์แบบดั้งเดิมซึ่งมีราคาแพงและผิดปกติเรือท่องเที่ยวประหยัดเวลาและเงิน - เรือสำราญกำลังเดินทางไปตามทางเหล่านี้ - และอาหารก็ดีขึ้นมากทีมกล่าว
ในห้องแล็บลอยตัวนักวิจัยที่ทำงานกับไวกิ้งตอนนี้แพลงก์ตอนพืชลำดับ- “ พวกเขาเป็นกุญแจสำคัญในการใช้ชีวิตบนโลก” กล่าวAllison Cusickนักวิจัยที่สถาบันสมุทรศาสตร์ Scripps ที่ University of California, San Diego ซึ่งทำงานในห้องปฏิบัติการเรือของ Viking เพื่อศึกษา Edna ในสถานที่ห่างไกลเช่นแอนตาร์กติกา แพลงก์ตอนพืชเป็นรากฐานของใยอาหารทะเลส่วนใหญ่และพวกเขาผลิตเกี่ยวกับครึ่งหนึ่งของออกซิเจนของดาวเคราะห์ผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง ความแตกต่างระหว่างสปีชีส์แพลงก์ตอนพืชนั้นน่าเหลือเชื่อ-ความหลากหลายระหว่างสองประเภทอาจมากกว่านั้นระหว่างมนุษย์กับเชื้อรา Cusick กล่าว
การเปลี่ยนแปลงประเภทของแพลงก์ตอนในน้ำเป็นตัวบ่งชี้สำคัญของความหลากหลายทางชีวภาพและสุขภาพของมหาสมุทร - การเปลี่ยนแปลงสามารถระลอกออกไปบนเว็บอาหารโดยมีผลกระทบร้ายแรง
การใช้การวิเคราะห์ Edna เพื่อเปิดเผยความสัมพันธ์เชิงวิวัฒนาการระหว่างสปีชีส์และเส้นทางวิวัฒนาการที่แตกต่างกันที่พวกเขาใช้ - ตัวอย่างเช่นเมื่อมีการแนะนำยีนที่เฉพาะเจาะจง - สามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ทำนายได้ว่าการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศจะส่งผลกระทบต่อสายพันธุ์ที่แตกต่างกันอย่างไรเบอนัวต์โมรินวิศวกรซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ Ifremer (สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติของฝรั่งเศส)
“ เมื่อมองไปที่อดีตเราสามารถพยายามทำความเข้าใจกับอนาคตได้” โมรินบอกกับวิทยาศาสตร์การใช้ชีวิต
"โครงการปริศนา" สำหรับ Edna
เพื่อให้มีประสิทธิภาพจริงๆโครงการเช่นการทำงานร่วมกันของ Viking-NoAA จะต้องรวมปัญญาประดิษฐ์เข้ากับการวิเคราะห์ Edna
เรียบร้อยแล้ว,จากชุดข้อมูลขนาดใหญ่จากกับดักกล้องและระบบตรวจสอบอัตโนมัติ นอกจากนี้ยังถูกใช้เพื่อค้นพบสายพันธุ์ที่หายไปรวมถึงสัตว์ใกล้สูญพันธุ์อย่างยิ่ง-Cryptochloris Wintoni) ซึ่งจนกว่าจะมีการติดตามโดยใช้ Edna ไม่เคยเห็นมานานกว่า 80 ปี
แต่สำหรับความพยายามเหล่านี้ในการเข้าถึงศักยภาพอย่างเต็มที่เทคนิค AI จะต้องได้รับการปรับปรุงและรวมเข้ากับการวิเคราะห์ Edna
เมื่อนักวิทยาศาสตร์ได้รวบรวมตัวอย่าง Edna พวกเขาจะวิเคราะห์ผ่านการเข้ารหัสบาร์ซึ่งสามารถมองหาสายพันธุ์เดียวหรือสิ่งมีชีวิตหรือระบุหลายชนิดในครั้งเดียว บาร์โค้ดเป็นซีรีส์ขนาดเล็กของลำดับดีเอ็นเอที่ไม่ซ้ำกันที่ใช้ในการระบุสิ่งมีชีวิตโดยการเปรียบเทียบกับฐานข้อมูลอ้างอิงออนไลน์
Letizia Lampertiวิศวกรคณิตศาสตร์ที่école pratique des hautes Études (โรงเรียนการศึกษาขั้นสูง) ในฝรั่งเศสกำลังพัฒนาระบบการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อใช้การเข้ารหัสบาร์ดังกล่าวเพื่อเปิดเผยสุขภาพของสภาพแวดล้อมที่กำหนดตามประเภทและจำนวนสิ่งมีชีวิตภายใน ตัวอย่าง ในทางกลับกันข้อมูลนั้นอาจชี้ไปที่การแก้ไขที่อาจเกิดขึ้น
ตัวอย่างเช่นหากมีการเพิ่มขึ้นของแพลงก์ตอนพืชที่ผลิตสารพิษในตัวอย่างน้ำมันอาจเป็นไปได้ที่จะปักหมุดการเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นกับการไหลบ่าทางการเกษตรที่ให้อาหารแพลงก์ตอนพืช Cusick กล่าว
ในปี 2023 Lamperti และเพื่อนร่วมงานของเธอเผยแพร่การศึกษาแสดงให้เห็นว่าเครือข่ายประสาท - อัลกอริธึมการเรียนรู้ของเครื่องหลายชั้นที่เลียนแบบวิธีการกรองสมองและกระบวนการของมนุษย์ - ทำงานได้ดีกว่าวิธีการทางสถิติอื่น ๆ ของการจัดกลุ่มสิ่งมีชีวิตที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดตาม Edna ของพวกเขา แต่เช่นเดียวกับเทคโนโลยีการจดจำใบหน้า AI น่าจะดีกว่าในการตรวจจับสายพันธุ์ที่อุดมสมบูรณ์ซึ่งมีข้อมูล "การฝึกอบรม" จำนวนมาก แต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าในการจำสิ่งมีชีวิตที่หายากกว่า
การศึกษาล่าสุดอีกหลายครั้งชี้ไปที่ศักยภาพที่มีแนวโน้มสำหรับ AI ในการวิจัย Edna ตัวอย่างเช่นการศึกษาหนึ่งพบว่า AI สามารถระบุ 90% ของสปีชีส์ที่ไม่รู้จักในตัวอย่างแม้ว่าจะไม่มีลำดับที่คล้ายกันจากสิ่งมีชีวิตที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดเพื่อใช้สำหรับการเปรียบเทียบ
หาก AI สามารถเติมเต็มศักยภาพของมันได้การเปลี่ยนแปลงในวิธีที่เราเข้าใจสภาพแวดล้อมจะเป็นอนุสาวรีย์ Cusick เปรียบเสมือนการถอดรหัสรหัสปริศนาของเยอรมันในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง “ นั่นจะเป็นการเปลี่ยนแปลง” เธอบอกกับวิทยาศาสตร์การใช้ชีวิต
“ มีหลายสิ่งที่ไม่ยากมันเป็นเพียงการใช้เครื่องมือที่มีอยู่แล้วที่มีอยู่แล้วเราเพิ่งจะชี้จักรยานไปในทิศทางที่ถูกต้อง”
Zachary Gold
AI สามารถระบุสายพันธุ์ที่เพิ่งค้นพบใหม่ในระดับที่ไม่มีใครเทียบได้ ความสัมพันธ์เชิงวิวัฒนาการสามารถกำหนดได้ในพริบตา การตรวจสอบและการวางแผนสำหรับการเปลี่ยนแปลงสิ่งแวดล้อมสามารถเปลี่ยนแปลงได้ ตัวอย่างเช่นโดยการวิเคราะห์ตัวอย่าง Edna อย่างรวดเร็ว AI สามารถเตือนนักว่ายน้ำแบบเรียลไทม์หรือฉลามในทางน้ำหรือพยากรณ์เหตุการณ์เช่นบุปผาสาหร่ายที่เป็นอันตรายก่อนที่พวกเขาจะคุกคามสุขภาพของประชาชน- คล้ายกับวิธีที่เราได้รับการแจ้งเตือนสภาพอากาศในโทรศัพท์ของเราตอนนี้
ในทางทฤษฎีแล้วทรัพยากรสามารถเปลี่ยนเส้นทางได้อย่างรวดเร็วเพื่อแก้ไขปัญหาก่อนที่จะกลายเป็นปัญหา
เป้าหมายนี้สามารถทำได้ทองคำกล่าว แต่จะใช้เวลานานแค่ไหนจะขึ้นอยู่กับทรัพยากรที่มีช่องทางในการพัฒนา AI ให้ทำเช่นนั้น
พจนานุกรม
ในขณะนี้ AI ขาดสิ่งที่สำคัญ: ปริมาณข้อมูลที่ดีสำหรับการจำรูปแบบคีย์ ข้อมูลเหล่านี้จำเป็นต้องใส่ในที่เดียวเป็นฐานข้อมูลอ้างอิงหรือพจนานุกรมของสปีชีส์ตาม DNA ของพวกเขา
"เราต้องการฐานข้อมูลการอ้างอิงเพื่อดำเนินการระบุสปีชีส์" Lamperti บอกกับ Live Science "ปัญหาคือเราไม่มีมัน"
ในการระบุสปีชีส์ AI จำเป็นต้องเรียนรู้ลายเซ็นที่สำคัญหรือบาร์โค้ดของสปีชีส์ส่วนบุคคลและที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดโดยการฝึกอบรมเกี่ยวกับรีมและรีมของข้อมูล แต่ชุดข้อมูลความหลากหลายทางชีวภาพไม่ได้อยู่ในที่เก็บข้อมูลสาธารณะและพวกเขาไม่ได้อยู่ในรูปแบบที่ได้รับการดูแลและเป็นมาตรฐานซึ่งสามารถป้อนเข้าสู่ระบบ AI ที่ผ่านการฝึกอบรมและได้รับการฝึกฝน “ เอ็ดน่าไม่ใช่ Ai พร้อม” โกลด์กล่าว
ในสหรัฐอเมริกามีการรวบรวมตัวอย่าง Edna ประมาณ 40,000 ตัวอย่างในทศวรรษที่ผ่านมาเพียงอย่างเดียวทองคำประเมิน แต่ไม่สามารถเข้าถึงได้มากมาย อาจเป็น "ในห้องใต้หลังคาของใครบางคนหรือวิธีการเสริมของเอกสารทางวิทยาศาสตร์ของใครบางคน" เขากล่าว
เพื่อดึงข้อสรุปที่เป็นประโยชน์เพื่อช่วยเราปกป้องและจัดการสิ่งแวดล้อม AI จำเป็นต้องเรียนรู้จากฐานข้อมูลพื้นฐานที่รวบรวมความหลากหลายทางชีวภาพในสภาพแวดล้อมที่เราสนใจนั่นเป็นความพยายามของ Herculean “ มันเป็นเงินหลายล้านดอลลาร์มันเป็นเวลาของผู้คนมากมาย” โกลด์กล่าว
Morin กำลังทำงานในงานนี้ แต่เป็นกระบวนการที่ช้าและใช้ทรัพยากรมาก เขาและเพื่อนร่วมงานของเขากำลังสร้าง "พจนานุกรม" ทางพันธุกรรมผ่านทางโครงการ Atlaseaซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อจัดลำดับจีโนมของ 4,500 สายพันธุ์ทางทะเล ข้อมูลนี้จะถูกฝากไว้ในฐานข้อมูลการเข้าถึงแบบเปิดสำหรับชุมชนวิทยาศาสตร์ IFREMER กำลังทำงานกับ บริษัท โครงสร้างพื้นฐานข้อมูล NetApp เพื่อจำแนกมวลของข้อมูลที่ถูกรวบรวม
ด้วยเงินในการพัฒนาชุดข้อมูลเครื่องมือ AI Edna อาจพร้อม "เร็วจริงๆ" Gold กล่าว "ฉันไม่สงสัยเลยว่าสิ่งที่เรากำลังทำนั้นไม่ใช่เรื่องยากทางเทคโนโลยีมันเป็นเพียงเราไม่ได้จัดหาทรัพยากรถ้าเราต้องการทำสิ่งนี้และระดมพลในระดับหนึ่งฉันไม่สงสัยเลยว่าการแข่งขันกีฬาโอลิมปิกครั้งต่อไปในลอสแองเจลิส [ ในปี 2028] เราสามารถมีเครื่องมือและทรัพยากรและการตั้งค่าเครือข่ายและ [ต้อง] พร้อมที่จะทำสิ่งนี้ "
หากการลงทุนและทรัพยากรยังคงดำเนินต่อไปตามจังหวะปัจจุบันของพวกเขาทองคำคาดว่ามันจะเป็น "หยดช้า" และเราจะไปถึงที่นั่นในเวลาประมาณ 15 ปี แต่เขามองโลกในแง่ดีว่า Timescale อาจเร็วขึ้น “ สิ่งต่าง ๆ ไม่ยากมันเป็นเพียงการใช้เครื่องมือที่มีอยู่แล้วที่มีอยู่แล้ว” โกลด์กล่าว "เราต้องชี้จักรยานไปในทิศทางที่ถูกต้อง"
ในวิทยาศาสตร์การใช้ชีวิตจะดูวิทยาศาสตร์ที่เกิดขึ้นใหม่และให้มุมมองที่คุณต้องการเกี่ยวกับความก้าวหน้าเหล่านี้ เรื่องราวของเราเน้นแนวโน้มในสาขาที่แตกต่างกันวิธีการวิจัยใหม่กำลังเปลี่ยนแปลงความคิดเก่า ๆ และภาพของโลกที่เราอาศัยอยู่นั้นถูกเปลี่ยนแปลงด้วยวิทยาศาสตร์อย่างไร
