Когда рифовая рыба рождается, она сразу же отправляется в открытый океан, где жизнь полна неопределенностей. Но если ей удается выбраться живой и превратиться из личинки в молодь, риф всегда зовет ее обратно, чтобы продолжить цикл размножения.
Существует множество способов, с помощью которых рыбы выбирают риф для возвращения. Эти подводные сообщества - очень шумные места, полные вокальных морских животных и беспозвоночных, а поскольку звук распространяется далеко под водой, мелкие рыбы способны настроиться на дорожные сводки, чтобы судить о качестве рифа. Среда, которая хорошо звучит, также привлекает больше новых животных.
Здоровые рифы имеют богатый звуковой ландшафт. "Многие беспозвоночные и рыбы издают странные и удивительные звуки по разным странным и удивительным причинам. Когда вы делаете записи, вы слышите все эти хлопки, жужжания, трели и упсы, - говорит Тим Ламонт, научный сотрудник по морской биологии из Эксетерского университета. С другой стороны, в деградирующем рифе меньше жизни, и поэтому он гораздо тише". "Если вы занимаетесь восстановлением экосистем, то возможность создавать коралловые рифы, которые хорошо звучат, - это очень хорошая вещь", - объясняет Ламонт.
Ламонт и его коллеги заинтересовались изучением взаимосвязи между звуками и подводной жизнью. Но это далеко не простой процесс. Зачастую требуется человеческий подход, чтобы очистить записи от фонового шума, аннотировать аудиозаписи и отметить все отличительные звуки. И хотя предпринимались некоторые попытки автоматизировать эту задачу, многие технические ограничения все еще остаются.
Это стало очевидным в ходе недавнего сотрудничества с компанией Mars Inc., которая обратилась к ним с просьбой использовать экологию звукового ландшафта для мониторинга хода восстановления рифов. (Корпорация по производству шоколада и кормов для домашних животных сотрудничает с учеными и местными сообществами для восстановления поврежденных коралловых местообитаний по всему миру в рамках более масштабных усилий по компенсации негативного воздействия на окружающую среду. Марс также частично финансировал этот недавний проект по созданию звукового ландшафта). Соответствующее исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Journal of Applied Ecology, показало, что, судя по звуку, индонезийские рифы, пострадавшие от взрывной рыбалки, прекрасно восстановились после восстановительных работ.
Новое окно в здоровье экосистемы
Прибрежные сообщества зависят от коралловых рифов в плане продовольствия и многого другого. Когда эти структуры разрушаются в результате деятельности человека, например, ловли рыбы динамитом, это может иметь разрушительные последствия для людей, которые зависят от них как от источника средств к существованию. Поскольку эти рифы имеют медленные темпы естественного восстановления, восстановление кораллов, которые составляют основу этих экосистем, может вернуть рыбу и других морских обитателей. Но не всегда так легко судить о том, будет ли восстановление среды обитания или нет. "Вырастить пару кораллов - это совсем другое дело, чем восстановить целую экосистему", - говорит Ламонт. Помимо проверки того, отрастают ли кораллы, экологи должны проверить, смогут ли новые рифы поддерживать морскую жизнь, гасить энергию волн, контролировать карбонатный бюджет и обеспечивать пропитание для прибрежных сообществ.
Именно здесь на помощь приходит анализ звуковых ландшафтов. Они являются многообещающим показателем общего разнообразия экосистем, поскольку могут обнаружить больше живности, чем изображения и визуальное наблюдение; например, биологи могут услышать рыб, которые иначе скрыты или хорошо замаскированы. Кроме того, с помощью звука специалисты могут круглосуточно наблюдать за средой обитания. "Есть разные вещи, которые можно измерить в звуковом ландшафте", - говорит Ламонт. "Вы можете измерить, насколько он сложен, насколько он громкий, насколько он изменчив во времени или насколько он изменчив на разных частотах".
Чтобы собрать все необходимые данные, команда установила подводные микрофоны, или гидрофоны, вокруг деградировавших, здоровых и восстановленных рифов. Они записывали, как звучат рифы на рассвете, в сумерках, в полночь, в середине дня, в полнолуние и в новолуние в течение двух лет. "Мы хотели создать действительно хорошую картину", - говорит Ламонт. Они обнаружили, что хотя восстановленные рифы "не звучали идентично здоровым рифам, они звучали очень похоже" и "очень отличались от деградировавших рифов". Посаженные кораллы были наполнены морской болтовней, что говорит биологам о том, что многие животные одобрили строительство.
Сортировка и измерение звуков
Затем команда Ламонта приступила к негламурной части работы: сидя в звуковой комнате и разбирая слои стуков, мурлыканий, кваканий, рыков и улюлюканий. Это сродни распутыванию отдельных инструментов из сложной оркестровой аранжировки.
"Это очень трудоемкая наука. В этом исследовании я потратил месяцы и месяцы на тщательное прослушивание всех этих записей в наушниках", - говорит Ламонт. "Временами это довольно утомительно".
Сейчас команда пытается автоматизировать процесс, "заставив компьютер делать ту же работу", - говорит Ламонт. Но это непростое задание, которое можно поручить машинам. Поскольку экосистемы рифов настолько оживлены, существует много фоновых звуков, которые могут исказить анализ в сторону более шумных диких животных. "Когда вы слушаете эти записи, вы слышите много шума беспозвоночных, например, щелкающих креветок", который звучит как треск статического электричества или жарящегося бекона, говорит Ламонт. На самом деле, эти звуки настолько громкие и распространенные, что во время Второй мировой войны военные прятали подводные лодки на коралловых рифах, потому что креветки эффективно маскировали звук подводной лодки.
Существующие вычислительные методы, используемые для измерения звуковых ландшафтов, также называемые акустическими индексами, в основном предназначены для использования в наземных средах обитания, например, в лесах для прослушивания птиц или летучих мышей. Тем не менее, Ламонт видит много общего между лесами и рифовыми сообществами. Например, различные животные проявляют активность в определенные периоды времени, что может помочь ученым сортировать библиотеку звуков по пространству, времени и частоте. "Мы предприняли некоторые попытки взять эти индексы и применить их под водой", - говорит Ламонт. "Но, конечно, иногда существуют фундаментальные различия между типами звукового ландшафта в разных средах обитания, поэтому они могут работать не так хорошо".
Ученые, изучающие лесные звуковые ландшафты, придумали креативные обходные пути для создания алгоритмов машинного обучения, которые не требуют установки станций записи среди деревьев. Ламонт указывает на опубликованную в июле прошлого года работу PNAS, в которой исследователи из Имперского колледжа Лондона, Сиднейского университета и Корнельского университета использовали данные Google AudioSet для обучения алгоритма распознавания звуковых различий между отдельными лесами.
Звуковая компиляция Google, состоящая из смеси человеческой речи, музыки и машинного шума, сначала научила алгоритм различать различные типы шума. Затем, когда система была применена к лесу, она смогла классифицировать категории звуков в лесу. Авторы написали, что в один прекрасный день эта система может быть использована для обнаружения нерегулярной деятельности, например, незаконной вырубки леса или охоты.
Ламонт считает, что он мог бы использовать подобный алгоритм для сортировки гор звуков океана, которые ему предстоит проанализировать.
Потребность в более дешевом оборудовании
Другой, более классический способ создать полезный алгоритм машинного обучения для подводных звуковых ландшафтов - это сбор большого количества данных. По всему миру ведутся работы по созданию наборов морских звуков, но стоимость оборудования может стать ограничением. Например, высококачественный гидрофон с большой картой памяти может стоить около 3 000 долларов.
"Они часто очень дороги, что является некоторой проблемой, если мы хотим, чтобы этим могли заниматься не только хорошо финансируемые ученые", - говорит Ламонт. В октябре он и его коллеги опубликовали в журнале Ecological Indicators исследование, в котором обнаружили, что аудиозаписи с камер Go-Pro (которые стоят около 500 долларов) во многих случаях сопоставимы с качеством данных, полученных с помощью гидрофона.
"Испытание этих недорогих записей открывает возможность для участия гораздо большего числа людей", - говорит он. "Это позволит нам собрать гораздо больше данных, которые будут использоваться в автоматизированных методах анализа таким образом, чтобы мы могли получить полезную информацию [при] небольших усилиях".
Технология мониторинга океана уже прошла долгий путь. Около десяти лет назад гидрофоны работали на ленточных катушках и должны были быть прикреплены к кабелю, который свисал с борта лодки, где находилась непромокаемая записывающая станция. Теперь они полностью беспроводные и могут опускаться на морское дно на несколько недель или месяцев - до тех пор, пока не потребуется собрать данные.
"Наша способность делать долгосрочные высококачественные записи под водой - довольно новая вещь", - отмечает Ламонт. "И отчасти поэтому мы продолжаем обнаруживать все новые вещи, которые никто раньше не записывал". Он вспоминает, что при прослушивании записей из Индонезии он столкнулся с совершенно необычными рифовыми звуками, включая ворчание рыбы-солдата, скрежет рыбы-попугая и вопль рыбы-дамфи. Но были и такие звуки, как "смех", обычно возникающий на восходе солнца, которые он не мог отнести к определенному виду.
"В этом есть забавный элемент таинственности", - говорит Ламонт. "У этой области есть захватывающие перспективы на горизонте, учитывая, насколько она молода".