Алгоритм для исследования нежелательного планктона

Компьютерные специалисты Колумбийского университета совместно с океанологами изучат причины стремительного вторжения необычного вида, похожего на планктон, в пищевую цепь Аравийского моря, что угрожает рыболовству, от которого зависят более 100 миллионов человек, живущих на его побережье.

За последнее десятилетие динофлагеллят Noctiluca scintillans вытеснил диатомовые водоросли, традиционно составлявшие основу пищевой цепи. Каждую зиму теперь густые цветения изумрудно-зелёной Noctiluca покрывают море от Омана на западе до Индии и Пакистана на востоке. При двухлетнем гранте в $160 000 от Управления исполнительного вице-президента Колумбийского университета по исследованиям учёные попытаются определить факторы успеха Noctiluca. В команду входят Тони Джебара, специалист по информатике, и океанологи из обсерватории Земли Ламонт-Доэрти: Хоаким Гоэс, Райан Абернети и Хельга Гомес.

Используя ежедневные спутниковые снимки цветений, исследователи проанализируют их эволюцию. Роль в распространении Noctiluca играют как океанические течения, так и биологические факторы: скорость роста, количество хищников, а также доступность питательных веществ, света и кислорода у поверхности.

На первом этапе проекта будет смоделировано распространение Noctiluca исключительно течениями. Сравнив результаты модели со спутниковыми данными, учёные вычислят вклад течений в рост популяции. На втором этапе с помощью методов статистического машинного обучения будут выявлены неизвестные физические и биологические переменные, способствующие экспансии. В частности, байесовские методы машинного обучения помогут восстановить нелинейную динамику и скрытые переменные для более точного прогнозирования.

«Машинное обучение поможет нам найти лежащую в основе динамику экосистемы, ответственную за различия между результатами физической модели и реальной эволюцией цветений на спутниковых снимках», — сказал физический океанолог Абернети.

Проект основывается на более ранних исследованиях Гомес и Гоэса, связавших распространение Noctiluca в Аравийском море с бескислородной «мёртвой зоной» размером с Техас. Учёные предполагают, что сток богатых питательными веществами удобрений и сточных вод увеличивает продуктивность и расширяет мёртвую зону, истощая кислород. Более сильные ветры, связанные с изменением климата, также выносят больше питательных веществ к поверхности, усугубляя проблему.

Зелёная Noctiluca, родом из тропиков, эволюционировала, чтобы выживать как в мутной, так и в освещённой воде. Она может нырять вниз, чтобы питаться живым или мёртвым планктоном, или подниматься к свету, получая энергию от миллионов зелёных водорослей-эндосимбионтов внутри своих прозрачных клеточных стенок. Эта гибкость даёт ей преимущество перед диатомеями, которые зависят только от солнечного света.

Во время экспедиции у берегов Омана в 2006 году Гоэс и его коллеги обнаружили, что Noctiluca практически полностью заменила зимние цветения диатомей. Последующие эксперименты на судне показали, что Noctiluca легко вытесняет диатомеи в воде с низким содержанием кислорода. Хотя Noctiluca слишком велика для ракообразных — следующего звена пищевой цепи, — её охотно поедают сальпы и медузы.

Исследователи выдвигают гипотезу, что переход к зимним цветениям Noctiluca спровоцировал всплеск летних цветений диатомей. Noctiluca всё активнее вытесняет диатомеи и летом, что может иметь разрушительные последствия для хищных рыб на вершине пищевой цепи.

В исследовании 2005 года в журнале Science Гоэс и коллеги сообщили, что усиление летних ветров, дующих в сторону Индии, увеличило продуктивность диатомей у берегов Омана более чем на 300%. По мере отступления снега с Гималайско-Тибетского нагорья Индийский субконтинент летом нагревается сильнее, чем Аравийское море, что усиливает муссонные ветры. Более сильные ветры подняли больше питательных веществ у побережья Сомали, Йемена и Омана; по оценкам учёных, это вызвало увеличение биомассы на 350% в период с 1997 по 2004 год.

По мере роста планктон потребляет кислород в воде. Исследователи предполагают, что падение уровня кислорода позволило Noctiluca вытеснить диатомеи зимой, и этот процесс, судя по всему, теперь происходит и летом.

«За последние четыре года наши коллеги в Омане наблюдали крупные цветения Noctiluca, достигающие пика примерно в сентябре, — сказал Гоэс. — Эти цветения обычно связаны с низкой концентрацией кислорода».

Команда Гоэса, одна из шести в Колумбийском университете, получивших гранты, продолжит изучение эволюции Noctiluca.