Может ли искусственный интеллект контролировать здоровье пчел?
Биоинсектицид спиносад, популярный в органическом сельском хозяйстве, может нанести вред пчелам
Американская старшеклассница из обычной школы разрабатывает новый улей и получает поддержку от специалистов для разработки технологии наблюдения за заражением пчел клещами Варроа, которые признаны одними из виновником сокращения количества пчел на планете.
Когда Джейд Гринберг узнала о сокращении популяциями пчел в США, она решила принять собственные меры. Она в то время завершала обучение в средней школе Pascack Hills в Нью-Джерси и узнала от местного пчеловода о крошечном красновато-коричневом клеще, который был признан серьезной угрозой для медоносных пчел. Именно эти пчелы (Apis mellifera), в основном также занимаются и опылением различных растений и культур в Америке. Школьница задумала сконструировать такой улей, который смог бы улучшить здоровье пчел. Вскоре, то, что началось, как школьный проект по созданию улья нового типа, преобразилось в сотрудничество с двумя технологическими компаниями, занимающимися вопросами практического применения искусственного интеллекта.
Опаснее пестицидов и голода
Прежде всего, выяснилось, что варроатозный клещ (Varroa destructor), главный враг пчел, был завезен в Северную Америку из Юго-Восточной Азии десятилетия назад. Клещи этого вида уничтожают не только пчелиные семьи, за которыми ухаживают пчеловоды, но и дикие колонии - те, которые были созданы пчелами в дикой природе. Вредители размножались в колониях медоносных пчел, прилипая к насекомым и питаясь тканями органов их тел, сходными по функции с печенью млекопитающих. Со временем, паразиты, в конце концов, ослабляли иммунную систему пчел, делая их более восприимчивыми к атакам вирусов и воздействию пестицидов.
Подтвердилось и предположение о том, что если удастся устранить влияние пестицидов и плохого питания, колонии пчел все равно будут потеряны, если клещ-Варроа не будет под контролем. Ранее о такой перспективе заявляла исследователь медоносных пчел Глория де Гранди-Хоффман из Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США.
Проводимые ранее исследования привели и к парадоксальному заключению о том, что сама практика пчеловодства может способствовать возникновению проблемы. Например, де Гранди-Хоффман и ее коллеги обнаружили, что текущая коммерческая практика пчеловодства по предотвращению роения, когда пчелиная матка и группа рабочих пчел покидают свою первоначальную колонию, чтобы сформировать новую, может стимулировать клещей к поискам новых способов проникновения в пчелиные семьи. Об этом сообщал журнал Environmental Entomology в номере 46 за 2017год.
«Умный» дом для пчел
Гринберг, в свою очередь, заинтересовалась другим аспектом пчеловодства: дизайном улья. Дикие пчелы обычно гнездятся в полостях деревьев или в ульях различных конструкций, образуя слои и гребни воска, заполняя ими всю доступное пространство. В отличие от таких, наиболее широко используемых в Северной Америке ульев, изготовленных человеком, - улей типа «Лангстрот», предложенный девушкой, по сути, представлял собой деревянную конструкцию, типа картотеки со съемными рамками, на которых пчелы обустраивают свои соты.
Джейд задалась вопросом, может ли дизайн улья влиять на восприимчивость пчел к заражению клещами? Она заметила, что существуют исследования факторов окружающей среды, таких как, места сбора меда пчелами, механизмы воздействия пестицидов на здоровье пчел. Однако она не смогла найти какой-либо значимой информации о том, влияет ли форма самого улья на уровень зараженности пчел клещами.
Гринберг приступила к разработке собственной конструкции улья, основанной на так называемой идее «солнечного» улья. Как она выяснила, «солнечные» ульи были изобретены в 1980-х годах немецким скульптором Гюнтером Манке, который, изучив естественные ульи пчел, пришел к заключению, что они не являются «коммерчески жизнеспособными». Девушка решила модернизировать дизайн улья Манке и дополнительно внедрить что-то такое, что могло бы быть коммерчески разумным, а также полезным для пчел.
Гринберг дополнила конструкцию улья датчиками контроля веса самого улья, датчиками температуры и влажности, а также аппаратурой видеонаблюдения, сохранив при этом все необходимое для нормального коммерческого пчеловодства. Например, главный элемент - съемные рамки. После нескольких месяцев доработок дизайна улья на его компьютерной модели, она на 3-D принтере напечатала прототип 42-литровой конструкции улья.
Помощь в этом ей оказал отец, инженер по разработке обучающих машинных алгоритмов компании Kinetica. Он также внес и свое необычное предложение. Он предложил разработать алгоритм самообучения контрольного оборудования с целью создания оригинальной программы определения различий между здоровыми медоносными пчелами и пчелами, зараженными паразитическими клещами.
Отцы и дети
Надо пояснить, что компания Kinetica занимается применением технологии искусственного интеллекта и ряда других для анализа чрезвычайно больших объемов данных любого рода, начиная от котировок на финансовых рынках и заканчивая передвижением грузовых автомобилей по территории США. Отец школьницы, Джонатан Гринберг, рассказал коллегам о проекте своей дочери и весьма удивился их немалому интересу, проявленному к идеям его дочери. Один из ведущих специалистов, архитектор структурных решений проекта NVIDIA, технологической компании, специализирующейся на применении искусственного интеллекта в компьютерной графике, предложил обучить его дочь технологиям машинного обучения и предоставить ей реальные данные для мониторинга и анализа состояния здоровья пчел.
Позже, работая на пасеке в Калифорнии, команда исследователей поместила датчики в один из ульев типа «Лангстрот», в котором проживала здоровая пчелиная колония, чтобы контролировать его температуру, влажность и вес. Они также установили в улье видеокамеру для получения изображений. Затем исследователи запустили в работу аналитическую программу с использованием технологии компании Kinetica для опознавания пчел на изображениях и анализа параметров окружающей среды, таких как температура, влажность и погодные условия, которые могли бы способствовать стремлению клещей Варроа заразить колонию. По воспоминаниям участников, результаты уже первых наблюдений подтвердили возможность выделения значимой целевой информации из общего ее потока.
«Большой брат» следит за каждой пчелой
Группа постепенно подобрала быстрый и надежный способ выявления зарождения инфекции клещей в колониях медоносных пчел. Этот новый метод диагностики кардинально отличался от обычной методики обнаружения заражения пчел, который, по словам Сэмюэля Рэмси, энтомолога-исследователя лаборатории исследования пчел USDA в Белтсвилле, штат Мэриленд, был весьма агрессивным. Как он признавал, пчеловоды обычно брали 300 пчел, помещали их в банку, посыпали сахарной пудрой, а затем встряхивали банку и считали, сколько клещей выпало из пчел.
Вместо этого команда Гринберга снимала изображения в калифорнийском улье каждые 10 секунд, а затем использовала вновь разработанные технологии NVIDIA для обнаружения присутствие клещей Варроа на пчелах. Наблюдатели анализировали отдельные кадры видеонаблюдения внутри здорового улья и другого улья, в котором клещи Варроа уже обитали.
Следует отметить, что инструменты сбора и анализа данных, созданные отцом и дочерью Гринберг и их коллегами, все еще находятся на стадии доработки. Но С. Рэмси с энтузиазмом утверждает, что этот эксперимент был шагом к выяснению, способствуют ли ульи типа «Лангстрот» разрешению проблемы заражения клещами, и способен ли дизайн улья Гринберга помочь пчелам отразить атаку клещей естественными методами защиты. Исследователи, тем не менее, сходятся во мнении, что спроектировать чудесный медовый улей было бы замечательно, однако, пока исследователи помещают пчел в конструкцию улья «Лангстрот», которую нельзя назвать естественной. Они замечают также, что сама идея такого улья хорошо известна, просто раньше она не предусматривала решение такой проблемы, как заражение клещами.
Проект, однако, был включен в категорию инженерных разработок на региональной научной ярмарке в Нью-Джерси, а позже Гринберг вошла в число звезд Международной научно-технической ярмарки Intel. Воодушевленная успехами сегодня она надеется пополнить функции новой технологии возможностью контроля процесса вентиляции и распределения тепла внутри улья и в диких ульях, чтобы понять, как дизайн улья может способствовать или препятствовать заражению пчел клещами.
Биология плюс инженерные решения
Сегодня старшие коллеги молодой девушки по проекту с большой симпатией отзываются о совместной работе и восхищаются ее энтузиазмом и уверенностью в решении сложных проблем с помощью интересных и творческих идей.
Сама же Гринберг неоднократно признавалась, что самым большим сюрпризом для нее было то, как мало исследователей изучают биологические проблемы с инженерной точки зрения, такие как, например, здоровье медоносных пчел. Видимо, поэтому она решила продолжить свою специализацию в биоинженерии, намереваясь поступить в университет этой осенью.
Клещи Варроа, как известно, провоцирует тяжелое инвазивное заболевание личинок, куколок и взрослых пчел, именуемое варроатозом. При этом под угрозой заражения находятся пчелиные семьи, находящиеся в радиусе 15 километров от его источника. Болезнь представляет собой одну из наиболее актуальных проблем пчеловодства и наносит ему колоссальный ущерб.
В недавнем прошлом популяции данного паразита зачастую росли с каждым новым сезоном, и пчеловодам иногда приходилось сжигать целые пасеки с тем, чтобы остановить массовое заражение пчел. К счастью, в настоящее время, благодаря выведению новых устойчивых к заражению клещами пород пчел (например, Бакфаст) и эффективных химических средств борьбы с заболеванием, эта проблема уже не стоит так остро. Кстати, действенными средствами уничтожения заболевания считаются также укропное масло и хрен. К чести американской школьницы надо отметить ее особое внимание к значимости климатических факторов для жизнедеятельности клещей Варроа. Оптимальными условиями для развития клещей Варроа является температура воздуха в пределах до +35° С и относительная влажность от 60 до 80 процентов.
Как известно, пчелы легче переносят воздействие высокой температуры, нежели вредители. Поэтому, при обнаружении заражения варроатозом пасечники обычно проводят термическую обработку улья.
Владимир Францкевич
