某科學の超電報

2 萬張蛾類影像 2048 維特徵,抽絲剝繭找出臺灣蛾類色彩與海拔環境的關係

  • 圖/中研院提供

早在 19 世紀,英國博物學家華萊士(A. R. Wallace)就已留意到生物的色彩多樣性會隨著環境梯度變化,近年來也有不少發表於知名期刊的相關論文。然而此領域的發展一直受限於如何取得質、量兼具的影像資料,以及客觀量化生物的視覺特徵(如體色與紋路等),故未有解讀出一致的變化趨勢。

中央研究院生物多樣性研究中心沈聖峰副研究員與資訊所陳昇瑋研究員領導之研究團隊,結合蛾類公民科學資料與人工智慧深度學習技術發現,蛾類色彩多樣性會隨著海拔下降而增加,同時蛾類的身體與前翅相對於整體的明暗度有隨海拔升高而下降的趨勢。

研究在預測稀有種分布、生物與環境的對應關係有突破性的發現,這個成果對於高度多樣化分類群中的稀有物種相當有價值,特別是那些可能導因於人為氣候變化而經歷分布範圍變化的物種。除此之外,了解生物色彩特徵,亦是製造仿生材料的重要參考資料。

結合人工智慧方法與公民科學資料,找到研究突破口

目前已知臺灣約有 4 千 4 百種蛾類

這篇論文中的資料,多數源於 2011 至 2016 年行政院農委會特有生物研究保育中心副主任林旭宏與研究助理施禮正帶領 103 位蛾類公民科學志工,蒐集的逾 2 萬筆臺灣蛾類標本之數位化影像。這些影像經施禮正與本院生多中心博士後研究員吳士緯鑑定為近 2 千種蛾類。

蛾類色彩多樣,斑紋繁複,傳統色彩斑紋分析主觀且難度高。圖/中研院提供

和過往以人工方式決定視覺特徵的標記與量化方式不同

此研究以 2 萬筆影像為基礎,由研究團隊資訊工程師首先將標本資料去背、裁切,與縮放等標準化操作,應用人工智慧領域中遷移學習(transfer learning)的技巧,以殘差網路(residual network)迴歸預測物種的平均海拔分布,抽取出與海拔梯度相關之特徵,例如顏色和形狀。

蛾類色彩多樣性與海拔高度的關係

中研院生多中心吳士緯博士。圖/中研院提供

研究團隊進一步針對特徵分析,結果顯示蛾類色彩多樣性會隨著海拔下降而增加,同時蛾類的身體與前翅相對於整體的明暗度有隨海拔升高而下降的趨勢。至於為什麼會有這樣的現象,團隊推測,可能源於較高海拔低溫導致利於吸熱的較暗體色適應,而根據色彩基礎轉換理論,可推論出暗體色限制了較高海拔蛾類的色彩多樣性

此篇論文也顯示,在生物議題上,長年的公民參與所累積的基礎資料能用於較大尺度或關鍵的議題分析,透過深度學習技術(deep learning),除了用於類群辨識(例如:田間蔬果或雜草的自動化篩選、非洲草原上的物種動態監測),也能使用功能性狀(例如:此篇論文的色彩斑紋)非常精確地預測稀有物種的分布,並將功能性狀分析與物種分布模式結合在一起。

論文的最後也點出「深度學習」可以幫助我們用前所未有的深度來解密複雜的自然現象,並對達爾文(C. R. Darwin)曾著迷的無窮無盡的自然形態變異(the endless forms of natural morphological variation)提供探索的起點。

  • 本文改寫自中研院新聞稿,原標題為〈解析 2 萬張蛾類影像 2048 層特徵 _人工智慧找出昆蟲色彩與海拔環境有關〉。
  • 論文:《Artificial intelligence reveals environmental constraints on colour diversity in insects
  • 此論文成果於 2019 年 10 月 7 日發表在國際頂尖專業期刊「自然通訊(Nature Communications)」。
  • 論文的第一作者吳士緯,目前於中研院生物多樣性研究中心從事博士後研究,共同第一作者張鈞閔曾任中研院資訊所科技替代役,目前為美國威斯康辛大學麥迪遜分校信號處理和機器學習學程學生。

編按:2019/11/14 標題引言用字微調。


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