本土研究登國際期刊 AI分析2萬多筆蛾類標本 證明溫度越高色彩越繽紛 | 台灣環境資訊協會-環境資訊中心

本土研究登國際期刊 AI分析2萬多筆蛾類標本 證明溫度越高色彩越繽紛

公民科學長期默默耕耘 貢獻科學研究再添一例

2019年10月24日
環境資訊中心 特約記者廖靜蕙 報導

熱帶地區的生物越是繽紛,原來有其道理。19世紀前往熱帶採集的英國博物學家華萊士的假說,百年來苦無科學證據解答。最近一項由中央研究院研究團隊發表的論文,透過2萬筆蛾類標本資料,結合AI人工智慧,證明海拔越高,蛾類的色彩多樣性越單調。


海拔0-500公尺是繽紛多樣的蛾類世界。攝影:吳士緯

這篇解答物種體色的多樣性與環境梯度關係的論文,發表於10月7日出刊的「自然通訊」(Nature Communications)期刊。

解開溫度與色彩之謎:低溫讓物種發展出利於吸熱的暗色

物種體色的繽紛度與溫度的關係,這類問題長期為生物學家所著迷。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,會隨著不同時空因素的環境梯度而變化。

然而,這個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,因此未能解讀出一致的變化趨勢。

由中央研究院生物多樣性研究中心副研究員沈聖峰,與資訊所研究員陳昇瑋共同領導的研究團隊,即利用人工智慧,藉由分析2萬3194份蛾類標本影像特徵和海拔的關係,得出蛾類色彩多樣性會隨著海拔下降而增加,而這種現象可能因高海拔的低溫,利於吸熱的暗體色的適應,進而限制了色彩的多樣性。

中研院結合生物多樣性研究中心、資訊所以及特生中心長期蛾類調查資料,解答環境梯度與物種色彩多樣性的關聯。圖片來源:中研院簡報
中研院結合生物多樣性研究中心、資訊所以及特生中心長期蛾類調查資料,解答環境梯度與物種色彩多樣性的關聯。圖片來源:中研院簡報

「環境梯度與色彩的關係,過去十年雖有些討論,卻始終缺乏客觀的分析方法。」沈聖峰說,華萊士觀察到生物為了存活,發展出偽裝的功能,但如何了解「自然選擇」塑造動物的哪些形式、觀察什麼才知道彼此的關聯,長期困擾著生物學家。2006年起飛的人工智慧順勢而起,彌補人為選擇的缺點,標記更多元細緻。

沈聖峰雖非蛾類專家,因好友陳昇瑋不斷鼓吹人工智慧的優勢,而萌生合作的經驗。利用標本影像中已知的海拔高度,訓練人工智慧辨別飽和度與明亮度、預測海拔高度的念頭逐漸成形;而質量兼優的蛾類資料庫,成為解決百年來色彩之謎的功臣。

讓人工智慧聚焦 先為圖片去背

這項合作一開始並不順利。他們使用2000張圖片,訓練人工智慧,預測成效已達50%。但陳昇瑋不滿意,認為人工智慧應有更好的表現。後來他們轉用特生中心2萬張多張的圖片,但是預測率還是停留在50%。研究團隊發現,這些照片背景複雜又多變,而人工智慧在很多張圖像上,注意的是蛾以外的影像。

為此,研究團隊花了很多時間,以標準化操作,將標本資料去背、裁切,縮放,讓圖片主題明確、背景更乾淨。預測度因此提高達80%。沈聖峰說,每種蛾類標本數超過10份,海拔預測率高達96%;低於10份則預測率為84%。建立此連結後,只要一張影像,就可預測海拔高度。

「利用人工智慧取樣,沒有人選的介入,反映出低海拔色彩比較繽紛,我們認為這是個純粹的事實。」吳士緯說。


去背讓人工智慧更專心學習!圖片來源:吳士緯提供

先有工人智慧,才有人工智慧

這項結合演化生態學和人工智慧的跨領域合作,公民科學的努力更功不可沒。

該論文的取樣標本資料,是由農委會特有生物研究保育中心現任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,於2011-2016年間採集的標本,累積超過2萬筆台灣蛾類標本之數位化影像,經由施禮正與中央研究院生物多樣性中心博士後研究員吳士緯鑑定為1951種蛾類,佔台灣已知4400種蛾的四成。

2萬多筆分析資料,來自蛾類調查志工。林旭宏說,生物調查需一步一腳印,透過志工夥伴到指定地點進行採集,一份一份的建立標本;若不是大量志工協助採集的「工人智慧」,人工智慧就沒有學習的素材,也無法貢獻生物多樣性。他期許,傳統生物調查和當代人工智慧科技結合,得出更多貢獻。

這項結論顯示,平地就能觀賞到色彩繽紛的蛾類。讀者也可透過蝶蛾網慕光之城進一步了解台灣蛾類多樣性。

大自然的色票 自然選擇仍受溫度限制

這項研究顯示,海拔0-500公尺是繽紛多樣的蛾類世界;500-2500公尺的色彩明度趨於一同,色彩單調。「海拔越低、溫度越高,個體顏色越亮、色彩多樣性越高,就像用水彩作畫,若只能用深色的顏料作畫,畫不出多彩多姿的作品。」沈聖峰如此解釋其中的因果關係。

吳士緯是論文第一作者,他也以色相、飽和度以及明度來說明,將色相調整為高飽和度、低明度,「就是高海拔的現況」。


新竹觀霧位於高海拔的長喙秋夜蛾,暗體色可能為了聚熱效應。攝影:吳士緯

這項研究解答了溫度與色彩之謎。「達爾文認為,如果地球物理現象可以以萬有引力定律解釋,生物的現象就可以用自然選擇來看,簡單的形式有無窮無盡的變化。」沈聖峰說,這項研究則回應達爾文,因生物吸熱散熱的需要,而限制了自然選擇的力量。

這項成果將用運用在稀有物種的預測與保育,以及暖化對生物的影響。了解色彩與溫度的特徵,也可應用在仿生技術上,例如,運用這個知識了解不同環境可以穿哪種顏色的迷彩裝!


研究團隊合影。圖片來源:中研院

參考資料

※ 本文與 行政院農業委員會 林務局  合作刊登

作者

廖靜蕙

環境記者/自由撰稿人,致力於生物多樣性主流化。從事社工10餘年,認知到再弱勢的人都可以為自己發言,決定轉投生態保育,為無法以人類語言發聲的生命與土地寫報導。現居台北市,有貓、有龜,以及一些過客。個人粉專「小麻通訊」。