在陸地上，顯而易見的是，一個(gè)生態(tài)區(qū)域在哪里結(jié)束而另一生態(tài)區(qū)域在哪里開始，例如在沙漠和稀樹草原之間的邊界處。在海洋中，生命的大部分是微觀的，并且流動(dòng)性強(qiáng)得多，這給科學(xué)家們繪制生態(tài)上獨(dú)特的海洋區(qū)域之間的邊界圖帶來了挑戰(zhàn)。

科學(xué)家描繪海洋群落的一種方式是通過衛(wèi)星圖像的葉綠素(浮游植物產(chǎn)生的綠色色素)。葉綠素濃度可以表明一個(gè)區(qū)域與另一個(gè)區(qū)域相比，潛在生態(tài)系統(tǒng)的豐富程度或生產(chǎn)力。但是葉綠素圖只能給出給定區(qū)域中可能存在的總生命量的信息。實(shí)際上，葉綠素濃度相同的兩個(gè)區(qū)域?qū)嶋H上可能具有植物和動(dòng)物生命的不同組合。

麻省理工學(xué)院開發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)根據(jù)浮游植物物種之間的相互作用，梳理全球海洋數(shù)據(jù)，以發(fā)現(xiàn)海洋位置之間的共性。使用這種方法，研究人員已經(jīng)確定，海洋可以分為100多種“省”和12種“巨型省”，它們的生態(tài)構(gòu)成各不相同。圖片來源：由研究人員提供，由麻省理工學(xué)院新聞社編輯。

“就像您要看一看陸地上所有生物量不多的地區(qū)，包括南極洲和撒哈拉沙漠，即使它們的生態(tài)組合完全不同，”前博士后邁克·索納瓦爾德(Maike Sonnewald)說。麻省理工學(xué)院的地球，大氣和行星科學(xué)系。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的Sonnewald和她的同事們開發(fā)了一種無監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，該技術(shù)可以自動(dòng)梳理一組高度復(fù)雜的全球海洋數(shù)據(jù)，根據(jù)它們的比例和多種浮游植物物種之間的相互作用來找到海洋位置之間的共性。通過他們的技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)，海洋可以分為100多種類型各異的“省份”，這些省份的生態(tài)結(jié)構(gòu)各不相同?？梢韵胂?，海洋中任何給定的位置都可以容納這100個(gè)生態(tài)省中的一個(gè)。

然后，研究人員在這100個(gè)省之間尋找相似之處，最終將它們分為12個(gè)更一般的類別。從這些“大省”中，他們可以看到，盡管有些人在一個(gè)區(qū)域內(nèi)的生活總量相同，但他們的社區(qū)結(jié)構(gòu)或動(dòng)植物種類的平衡卻大不相同。索納瓦爾德說，捕捉這些生態(tài)微妙之處對(duì)于追蹤海洋的健康和生產(chǎn)力至關(guān)重要。

Sonnewald說：“生態(tài)系統(tǒng)隨著氣候變化而變化，需要監(jiān)測(cè)社區(qū)結(jié)構(gòu)，以了解對(duì)漁業(yè)的影響以及海洋吸收二氧化碳的能力。” “我們無法用傳統(tǒng)方法完全理解這些至關(guān)重要的動(dòng)力，到目前為止，還沒有包括那里的生態(tài)系統(tǒng)。但是我們的方法與衛(wèi)星數(shù)據(jù)和其他工具相結(jié)合，可以提供重要的進(jìn)展。”

索納瓦爾德(Sonnewald)現(xiàn)在是普林斯頓大學(xué)的副研究員和華盛頓大學(xué)的訪問者，他在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上報(bào)道了這一結(jié)果。她在MIT的合著者是高級(jí)研究科學(xué)家Stephanie Dutkiewitz，首席研究工程師Christopher Hill和研究科學(xué)家Gael Forget。

推出數(shù)據(jù)球

團(tuán)隊(duì)的新機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)(他們將其稱為SAGE)用于系統(tǒng)化聚合生態(tài)省方法，旨在處理大型，復(fù)雜的數(shù)據(jù)集，并有可能將該數(shù)據(jù)投影到一個(gè)更簡(jiǎn)單的低維數(shù)據(jù)集。

“這就像制作餅干一樣，” Sonnewald說。“您需要收集這些極其復(fù)雜的數(shù)據(jù)并將其推出以揭示其元素。”

特別是，研究人員使用了Sonnewald所說的聚類算法，該算法旨在“沿著數(shù)據(jù)集爬行”并在點(diǎn)密度較大的區(qū)域中進(jìn)行磨練-這表明這些點(diǎn)具有某些共同點(diǎn)。

Sonnewald和她的同事們?cè)诼槭±砉W(xué)院的達(dá)爾文項(xiàng)目的海洋數(shù)據(jù)上放寬了該算法，該項(xiàng)目是全球海洋的三維模型，將海洋氣候模型(包括風(fēng)，流和溫度模式)與海洋生態(tài)模型結(jié)合在一起。該模型包括51種浮游植物，以及每種植物的生長(zhǎng)和相互作用方式以及與周圍氣候和可用養(yǎng)分的相互作用方式。

Sonnewald表示，如果人們?cè)噲D瀏覽這個(gè)非常復(fù)雜的51層數(shù)據(jù)空間，以了解海洋中每個(gè)可用點(diǎn)的共同特征，那么這項(xiàng)任務(wù)將是“人類難以處理的”。使用該團(tuán)隊(duì)的無監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)算法，這種共性“開始變得清晰起來”。

該小組的SAGE方法中的第一個(gè)“數(shù)據(jù)清理”步驟能夠?qū)⑷蚝Ｑ蠼馕鰹榇蠹s100個(gè)不同的生態(tài)省，每個(gè)省都有獨(dú)特的物種平衡。

研究人員將海洋模型中的每個(gè)可用位置分配給了100個(gè)省中的一個(gè)，并為每個(gè)省分配了一種顏色。然后，他們生成了一張全球海洋地圖，并按省份類型進(jìn)行了著色。

索納瓦爾德說：“在南極洲周圍的南大洋，在環(huán)繞著南極洲的這些緯向條紋中，有勃艮第和橙色的顏色塑造了我們對(duì)它們的期望。” “與其他功能一起，至少在模型中，這給了我們很大的信心，使我們的方法有效并且有意義。”

生態(tài)統(tǒng)一

然后，研究小組尋找方法來進(jìn)一步簡(jiǎn)化他們確定的100多個(gè)省，以查看即使在這些生態(tài)截然不同的地區(qū)之間，他們是否也可以找出共同點(diǎn)。

“我們開始考慮類似的事情，如何將一群人彼此區(qū)分開?我們?nèi)绾慰创舜酥g的聯(lián)系?我們使用這種直覺來看看我們是否可以量化不同省份在生態(tài)上的相似程度。”索納瓦爾德說。

為此，研究小組運(yùn)用圖論技術(shù)，根據(jù)生物量，在一張圖中代表了所有100個(gè)省。這類似于一個(gè)地區(qū)產(chǎn)生的葉綠素?cái)?shù)量。他們選擇將100個(gè)省分為12個(gè)大類，即“特大省”。當(dāng)他們比較這些大型省份時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)那些具有相似生物量的省份是由截然不同的生物物種組成的。

“例如，省D和K的生物量幾乎相同，但是當(dāng)我們深入研究時(shí)，K的硅藻幾乎沒有原核生物，而D的硅藻幾乎沒有，原核生物很多。但是從衛(wèi)星看，它們看起來可能一樣。”索納瓦爾德說。“因此，我們的方法可以開始將生態(tài)信息添加到大量葉綠素措施中的過程，并最終有助于觀察。”

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)在線小部件，研究人員可使用該小部件查找100個(gè)省之間的其他相似之處。在他們的論文中，Sonnewald的同事選擇將這些省分為12類。但是其他人可能希望將省份劃分為更多的組，并深入研究數(shù)據(jù)以查看這些組之間共有的特征。

索納瓦爾德(Sonnewald)正在與海洋學(xué)家共享該工具，這些海洋學(xué)家希望精確確定特定生態(tài)組成的區(qū)域位于何處，因此，他們可以例如在這些區(qū)域而不是在物種平衡可能略有不同的其他區(qū)域中派遣船只進(jìn)行采樣。

“與其使用基于大量葉綠素的工具指導(dǎo)采樣，并猜測(cè)使用此方法可以發(fā)現(xiàn)有趣的生態(tài)學(xué)，還不如說是外科手術(shù)，說，'這就是該模型在這里可能會(huì)發(fā)現(xiàn)的，'” Sonnewald說。“了解諸如海洋科學(xué)和全球漁業(yè)之類的物種組合的確非常重要。”

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