Искусственный интеллект проверил старейшую математическую модель эволюции

Исследователи использовали искусственный интеллект (ИИ), чтобы сделать новые открытия и подтвердить старые о знаменитых природных мимикрирующих организмах — бабочках рода Heliconius. Это открывает новые направления исследований в эволюционной биологии.

Учёные из Кембриджского университета, Эссекского университета, Токийского технологического института и Музея естественной истории в Лондоне применили алгоритм машинного обучения, чтобы проверить, могут ли виды бабочек совместно эволюционировать, формируя сходные узоры на крыльях для взаимной выгоды. Это явление, известное как мюллеровская мимикрия, считается старейшей математической моделью эволюционной биологии и было предложено менее чем через два десятилетия после теории эволюции путём естественного отбора Дарвина.

Алгоритм обучили количественно оценивать различия между различными подвидами бабочек Heliconius — от тонких различий в размере, форме, количестве, положении и цвете элементов узора до крупных различий между основными группами паттернов.

Это первый полностью автоматизированный и объективный метод, успешно измеряющий общее визуальное сходство, что, в свою очередь, позволяет проверить, как виды используют эволюцию узоров крыльев в качестве средства защиты. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Исследователи обнаружили, что разные виды бабочек выступают как в роли модели, так и в роли имитатора, «заимствуя» черты друг у друга и даже создавая новые узоры.

«Мы можем применять ИИ в новых областях, чтобы делать открытия, которые раньше были просто невозможны», — говорит ведущий автор доктор Дженнифер Хойал Катхилл. — «Мы хотели проверить теорию Мюллера в реальном мире: сходились ли эти виды в своих узорах крыльев и если да, то насколько? Раньше мы не могли проверить мимикрию в этой эволюционной системе из-за сложности количественной оценки того, насколько две бабочки похожи».

Теория мюллеровской мимикрии названа в честь немецкого натуралиста Фрица Мюллера, впервые предложившего эту концепцию в 1878 году, менее чем через два десятилетия после публикации Чарльзом Дарвином «Происхождения видов» в 1859 году. Теория Мюллера предполагает, что виды имитируют друг друга для взаимной выгоды. Это также важный пример явления эволюционной конвергенции, при которой одни и те же черты многократно эволюционируют у разных видов.

Например, теория Мюллера предсказывает, что две одинаково невкусные или ядовитые популяции бабочек в одном месте будут становиться похожими друг на друга, потому что обе получат выгоду, «разделив» потери некоторых особей, которых съедят хищники, учась на опыте. Это обеспечивает защиту через кооперацию и мутуализм. Это контрастирует с бейтсовской мимикрией, которая предполагает, что безвредные виды имитируют вредных для самозащиты.

Бабочки Heliconius — известные имитаторы и считаются классическим примером мюллеровской мимикрии. Они широко распространены в тропических и субтропических районах Америк. В двух видах, на которых сосредоточилось исследование, существует более 30 различных узнаваемых типов узоров, и каждый тип содержит пару имитирующих подвидов.

Однако, поскольку предыдущие исследования узоров крыльев приходилось проводить вручную, не было возможности провести масштабный или углублённый анализ того, как эти бабочки имитируют друг друга.

«Машинное обучение позволяет нам войти в новую феномную эру, в которой мы можем анализировать биологические фенотипы — то, как виды на самом деле выглядят, — в масштабе, сопоставимом с геномными данными», — говорит Хойал Катхилл.

Исследователи использовали более 2400 фотографий бабочек Heliconius из коллекций Музея естественной истории, представляющих 38 подвидов, для обучения своего алгоритма под названием «ButterflyNet».

ButterflyNet обучили классифицировать фотографии сначала по подвидам, а затем количественно оценивать сходство между различными узорами и цветами крыльев. Алгоритм размещал разные изображения в многомерном пространстве, где более похожие бабочки были ближе друг к другу, а менее похожие — дальше.

«Мы обнаружили, что эти виды бабочек заимствуют друг у друга, что подтверждает гипотезу Мюллера о взаимной коэволюции», — говорит Хойал Катхилл. — «Фактически, конвергенция настолько сильна, что имитаторы из разных видов более похожи, чем особи одного вида».

Исследователи также обнаружили, что мюллеровская мимикрия может создавать совершенно новые узоры, комбинируя черты из разных эволюционных линий.

«Интуитивно можно ожидать, что там, где виды имитируют друг друга, будет меньше узоров крыльев, но мы наблюдаем прямо противоположное, что было эволюционной загадкой», — говорит Хойал Катхилл. — «Наш анализ показал, что взаимная коэволюция может фактически увеличивать разнообразие наблюдаемых паттернов, объясняя, как эволюционная конвергенция может создавать новые комбинации элементов узора и добавлять к биологическому разнообразию».

«Используя ИИ, мы обнаружили новый механизм, с помощью которого мимикрия может производить эволюционную новизну. Контринтуитивно, но сама мимикрия может генерировать новые узоры через обмен чертами между видами, которые имитируют друг друга. Благодаря ИИ мы теперь можем количественно оценивать замечательное разнообразие жизни, чтобы делать такие новые научные открытия: это может открыть совершенно новые направления исследований в мире природы».