Nový systém umělé inteligence nahlíží na otisky nohou dinosaurů jako na čárové kódy a odhaluje v nich něco překvapivého – ozvěnu dnešních ptáků.
Vědci z Německa a Velké Británie vyvinuli nástroj, který skenuje pradávné stopy dinosaurů, porovnává jejich tvary ve více dimenzích a naznačuje, že „ptačí způsob chůze" se mohl objevit mnohem dříve, než se dosud v učebnicích uvádělo.
AI místo lupy: jak DinoTracker čte stopy staré 200 milionů let
Analýza stop dinosaurů trápí paleontology už po desetiletí. Otisky bývají zdeformované, neúplné, rozežrané erozí. Navíc dva různí experti dokážou přiřadit tutéž stopu zcela odlišným skupinám živočichů. Tým z Univerzity v Tübingenu ve spolupráci s Univerzitou v Manchesteru a Přírodovědným muzeem v Berlíně se rozhodl svěřit tuto práci stroji.
Výsledkem je aplikace DinoTracker postavená na neuronové síti. Vědci do ní nahráli přes 2 000 tříprstých otisků z celého světa, starých 145 až 200 milionů let. Každou stopu převedli na obrys, sjednotili měřítko a předali algoritmu bez jakýchkoli popisků – a právě to je pro celý přístup klíčové.
AI se neptá: „je to teropod, nebo pták?" – jen si všímá toho, jak přesně daný tvar vypadá a čemu se nejvíce podobá.
Uživatel vyfotí otisk nebo ho načrtne přímo v aplikaci. Algoritmus sám vyhledá charakteristické body: rozmístění prstů, délku paty, celkové proporce stopy. Pak vypočítá podobnost se vzory v databázi a umístí otisk do abstraktního prostoru o osmi dimenzích, přičemž každá dimenze odpovídá jiné vlastnosti tvaru.
Osm dimenzí dinosauří nohy
Zní to jako vědecká fantastika, ale v praxi jde o to, aby bylo možné každý otisk popsat několika čísly vystihujícími jeho podstatu. Umělá inteligence extrahuje sadu osmi morfometrických proměnných – například protáhlost stopy, sbíhavost prstů nebo symetrii levé a pravé strany.
Na tomto základě DinoTracker seskupuje stopy do „mraků" podobných tvarů. Teprve potom přicházejí na řadu vědci, kteří interpretují, s jakými živočichy mohou jednotlivé shluky souviset. Testy ukázaly, že u dobře zachovaných otisků dosahuje shoda s posudkem expertů přibližně 90 procent – pro tak obtížný materiál jde o velmi vysoký výsledek.
Stroj nezná autority ani staré klasifikace. Vidí jen geometrii, a díky tomu neopakuje dávné chyby přiřazení stop k nesprávným druhům.
Umělá inteligence bez „taháku": učení bez dozoru
Většina prakticky používaných systémů pro rozpoznávání obrazu se učí na datech popsaných lidmi. Zde výzkumníci zvolili opačný přístup. Algoritmus nedostal žádný seznam ve stylu „toto je stopa dinosaura A, toto B". Místo toho měl samostatně hledat vzory na základě samotných tvarů.
Tento druh strojového učení snižuje riziko, že dávné chybné závěry přejdou do digitální éry. Pokud byly v minulosti některé otisky špatně popsány, klasický model by tuto chybu jednoduše zkopíroval. V DinoTrackeru se popisky objevují až na úplném konci, kdy vědci interpretují výsledky umělé inteligence.
Simulované stopy aneb jak naučit stroj znát bláto a erozi
Skutečné stopy jsou jen zřídkakdy dokonalé. Zub času, vítr, voda i hmotnost zvířete – to vše mění podobu otisku. Výzkumný tým proto přidal do trénovací sady přes 10 000 simulovaných stop.
- Stopy byly rozšiřovány nebo zužovány, jako by noha hlouběji zapadla do měkkého podloží.
- Části prstů byly odstraňovány, aby se napodobilo jejich odlomení.
- Otisky byly jemně otáčeny a deformovány, čímž se simuloval pohyb ve vlhkém terénu.
- Proporce byly upravovány tak, aby odpovídaly různé tělesné hmotnosti zvířat.
Díky tomu se algoritmus odolal typickým terénním problémům. Učí se vzoru skrytému za stopou, nikoli jejím nahodilým poškozením. To se hodí zejména tam, kde se otisky dochovaly jen ve zlomcích.
Staré stopy, ptačí chůze: co AI vidí v datech z triasu
Nejpozoruhodnější výsledek DinoTrackeru se týká okamžiku, kdy se v dějinách života poprvé objevily rysy typické pro ptačí lokomoci. Stroj v databázi „vylovil" velmi staré otisky – starší než 210 milionů let – které svým tvarem začínají připomínat stopy dnešních ptáků.
Tyto stopy jsou úzké, tříprsté, s výraznou symetrií a malým rozestupem prstů. Přesně takto dnes chodí třeba volavky nebo slepice pobíhající po písku. Dosud většina rekonstrukcí předpokládala, že tento typ nohy a chůze se vyvinul podstatně později, v pozdní juře.
AI naznačuje, že „ptačí" postavení nohy mohlo existovat již u části dravých dinosaurů z triasu – nebo že historii vzniku ptáků je třeba posunout hlouběji do minulosti.
Vědci zvažují dva scénáře. Podle prvního se linie vedoucí k ptákům oddělila dříve, než naznačují dosud známé kosterní fosilie. Podle druhého se u různých skupin dravých dinosaurů nezávisle vyvinula podobná stavba nohy, která napomáhala rychlému pohybu po souši.
Kontinuita tvarů od triasu k pozdějším teropodům
Srovnání velmi starých stop s mladšími odhalilo ještě jednu věc. V mnoha shlucích tvarů je patrný plynulý přechod od primitivnějších forem k stále „ptačtějším". Nejde o žádný náhlý skok, spíše o dlouhou řadu drobných změn: mírné prodlužování prstů, postupné zužování stopy, stále silnější symetrie.
Taková kontinuita dobře odpovídá představě o pozvolné evoluci lokomočních funkcí u teropodů, tedy dvounohých masožravých dinosaurů. Stopy se stávají dalším zdrojem dat vedle kostí, které se jen zřídka dochovají úplné a pocházejí často jen od malého počtu jedinců.
Telefon v kapse místo geologického kladívka
DinoTracker není uzavřený nástroj pro hrstku laboratoří. Tvůrci vsadili na širokou účast veřejnosti. Kdokoli narazí na stopy ve skálách nebo na plážích – turista, místní nadšenec, pracovník národního parku – může pořídit snímek a odeslat ho k analýze.
Aplikace předběžně vyhodnotí, ke kterým typům otisků je daná stopa nejpodobnější, a zobrazí její polohu v osmidimenzionálním prostoru tvarů. Pro laika jde o atraktivní vizualizaci, pro vědce o rychlou informaci, zda se vyplatí stopu podrobněji prozkoumat přímo v terénu.
Stovky telefonů s fotoaparátem se mohou v praxi proměnit v největší „kameru" v historii, která pátrá po nových stopách dinosaurů.
Nové otisky po ověření odborníky putují zpět do databáze a pomáhají model zdokonalovat. Systém by měl postupem času stále lépe zachycovat skutečnou rozmanitost stop – i v oblastech, kde je dosud nikdo nepopsal, protože tam chyběli experti.
Od stop dinosaurů k listům a zkamenělým kostem
Architektura DinoTrackeru se neomezuje jen na stopy. Stejnou myšlenku – extrahovat čistou informaci o tvaru a seskupovat ji bez popisků – lze uplatnit i na jiné druhy fosilií. Tým již hovoří o plánech rozšířit systém na:
- otisky listů a dalších částí rostlin,
- dráhy pohybu bezobratlých, například členovců,
- zlomkové kosti, které nelze snadno přiřadit ke známým druhům.
Pokud tyto plány vyjdou, paleontologie získá jakési „Google Fotky pro zkameněliny", schopné zachytit vzory v milionech snímků, které by člověk přehlédl nebo považoval za nevýznamné.
Nový nástroj, nový druh chyb a nové příležitosti
Zavedení umělé inteligence do analýzy stop neřeší všechny problémy najednou – jen je přesouvá jinam. Model může nesprávně seskupovat netypické, vzácné formy nebo upřednostňovat tvary, kterých má v databázi nejvíce. Riziko spočívá také v tom, že část uživatelů bude výsledky aplikace přijímat jako neomylný verdikt, bez kritického pohledu.
Na druhé straně tento nástroj přináší něco, co dlouho chybělo: jednotné, přehledné schéma popisu otisků použitelné na všech kontinentech. Místo porovnávání slovních popisů z článků starých 50 let mohou badatelé postavit stopy vedle sebe ve stejném numerickém prostoru – bez ohledu na jazyk či vědeckou školu.
V praxi se to projevuje rychlejším odhalováním netypických případů. Pokud nová stopa přistane osamoceně v „prázdné oblasti" prostoru tvarů, je okamžitě zřejmé, že jde o něco velmi neobvyklého. To je impuls vrátit se do terénu, hledat další stopy a znovu prověřit okolní skalní vrstvy.
Pro lidi mimo vědeckou obec je takový systém také zajímavým způsobem, jak se přímo dotknout dávné fauny. Návštěva útesu nebo lomu se může najednou proměnit v lov otisků, které se po několika minutách ocitnou v celosvětové databázi. Tento prostý zážitek názorně ukazuje, jak spolupráce člověka s umělou inteligencí dokáže přiblížit nás tvorům, kteří zmizeli ze Země před více než 60 miliony let.
