Počítač vidí v dinosauřích stopách něco překvapivého
Vědci z Německa a Velké Británie sestrojili nástroj schopný rozebrat otisk dinosauřího drápu se stejnou přesností, s jakou moderní telefony rozeznávají lidské obličeje. A výsledek? V celé řadě prastarých otisků počítač opakovaně rozpoznává něco důvěrně známého — tvar nožiček dnešních ptáků.
Paleontologie se tradičně spojuje s pracným odkrýváním fosilních kostí. Přitom velká část toho, co vyhynulí plazi zanechali, se skrývá v něčem zdánlivě banálním: v otiscích tlapek ve starém bahně, které se dnes nachází zakonzervované v kameni. Tyto otisky jsou však mnohdy poškozené, zkreslené věkem i přírodními vlivy — a jejich správné určení dávalo zabrat i zkušeným specialistům.
Tým ze tří institucí vsadil na strojové učení
Vědci z univerzity v Tübingenu společně s kolegy z Manchesteru a berlínského Přírodovědného muzea se rozhodli tento problém předat do rukou umělé inteligence. Algoritmus, který navrhli, nepotřebuje žádné předem zadané šablony toho, jak má konkrétní typ stopy vypadat. Sleduje výhradně geometrii tvaru a sám hledá opakující se vzory.
Umělá inteligence třídí tisíce dinosauřích otisků podobně jako policejní databáze otisků prstů — podle skutečných geometrických podobností, nikoli podle zažitých vědeckých kategorií. Právě tato změna perspektivy otevírá v paleontologii zcela nové obzory.
Jak funguje DinoTracker: od fotografie do prostoru osmi dimenzí
Jádrem celého projektu je mobilní aplikace DinoTracker, za níž stojí neuronová síť. Do trénovací databáze bylo zahrnuto více než dva tisíce tříprstých otisků ze všech koutů světa, pocházejících přibližně z období před 200 až 145 miliony let. Vědci nejprve převedli každou stopu na zjednodušený obrys — algoritmus tak pracuje s čistou geometrií, bez rušivého vlivu barvy horniny nebo stop zvětrávání.
Jakmile uživatel vyfotí stopu nebo nahraje její nákres, systém automaticky vyhledá klíčové charakteristické body. Na jejich základě každý otisk přepočítá do sady osmi základních tvarových parametrů a zařadí ho do takzvané morfologické mapy o osmi dimenzích. Podobné stopy si v tomto prostoru padnou do blízkosti, zatímco odlišné skončí daleko od sebe.
Osm sledovaných tvarových rysů
- směr rozmístění prstů
- délka části připomínající patu
- vzájemné proporce jednotlivých prstů
- šířka celého otisku v nejširším bodě
- úhel rozvětvení mezi krajními prsty
- míra zakřivení drápů
- hloubka otisku v různých částech
- asymetrie levé a pravé poloviny
Morfologická mapa funguje v praxi jako souřadnicový systém tvarů, kde má každá stopa svou přesnou adresu vyjádřenou osmi čísly. Tento přístup eliminuje situace, kdy dva experti dojdou při pohledu na tentýž otisk ke zcela odlišným závěrům. V testech se algoritmus shodl s názory specialistů u dobře zachovaných stop přibližně v 90 procentech případů — a na rozdíl od lidí pracuje vždy naprosto konzistentně.
Učení bez štítků: systém, který nezná jména dinosaurů
Nejpozoruhodnější vlastností aplikace DinoTracker je způsob, jakým se učila. Nevycházela z hotových příkladů označených odborníky, ale využila takzvaného učení bez dozoru. Algoritmus nikdy nedostal informaci ve stylu „toto je stopa konkrétního druhu“ nebo „toto zanechal masožravec“. Viděl pouze tvary a měl jediný úkol — sám nalézt skupiny vzájemně podobných otisků.
Aby byl systém odolný vůči poškození a deformacím reálného materiálu, vygenerovali vědci z těch skutečných stop přes deset tisíc umělých variant. Simulovaly různé typy znehodnocení:
- rozmazání nebo částečné setření jednoho prstu
- rozšíření celého otisku, jako by zvíře šlapalo do vlhkého podloží
- otočení stopy pod různými úhly
- jemné deformace napodobující pokles půdy pod tíhou zvířete
Díky tomuto tréninku si systém poradí i s výrazně nedokonalým materiálem, který je v terénu naprostou normou. Místo otázky „odpovídá to přesně stopě známého dinosaura“ se ptá spíše: „Kterým dalším otiskům se tento tvar nejvíce podobá?“
Vědci z Tübingenu zdůrazňují, že tradiční klasifikace fosilních stop se příliš opírala o předpoklady a individuální zkušenosti jednotlivých paleontologů. Strojové učení vnáší do hodnocení morfologické rozmanitosti objektivnější a opakovatelnější pohled.
Stopy staré 210 milionů let připomínají chodidla dnešních ptáků
Když vědci umístili do morfologické mapy otisky z různých geologických období, začaly se na ní vynořovat fascinující souvislosti. Největší pozornost vzbudila skupina velmi starých otisků — starších než 210 milionů let — které se v analýze ocitly překvapivě blízko u stop spojovaných s ptáky.
Tyto dávné otisky nesou několik rysů, které by člověk čekal spíše na chodníku v parku plném holubů či racků než ve vrstvách triasových hornin. Počítač odhalil vazby mezi triasovými teropody a moderními ptáky přesvědčivěji, než by to dokázala jakákoli tradiční srovnávací analýza.
Fosilní stopy z argentinské lokality Ischigualasto vykazují úzký tříprstý tvar, výrazné drápy na koncích prstů a úhel rozvětvení srovnatelný s vlaštovkami či střízlíky. Některé jurské otisky nalezené v Coloradu dokonce nesou strukturu připomínající polštářky na spodní straně ptačích prstů.
Odborníci z berlínského Přírodovědného muzea potvrdili, že tato podobnost není náhodná. Geometrie stop napovídá, že některé malé teropody se mohly pohybovat velmi podobně jako dnešní pěvci nebo dravci. To výrazně posiluje hypotézu o postupné přeměně dinosauřích končetin v ptačí nohy.
Praktické využití: od skalnatého terénu po muzejní depozitáře
DinoTracker není pouhým akademickým experimentem. Vědci ho již testují přímo v terénu v Utahu, Wyomingu a v argentinské Patagonii, kde mohou i amatérští paleontologové okamžitě porovnat nalezenou stopu s databází. Aplikace funguje i bez připojení k internetu — což je neocenitelná výhoda při práci v odlehlých oblastech.
Muzea po celém světě začínají digitalizovat své sbírky fosilních stop právě s pomocí této technologie. Univerzita v Tübingenu plánuje databázi rozšířit o čtyřprsté otisky sauropodů a další typy stop. Badatelé věří, že umělá inteligence jednou pomůže identifikovat dosud neznámé druhy výhradně na základě tvarové analýzy.
Stažení aplikace je zdarma a každý zájemce o paleontologii může aktivně přispět k výzkumu nahráním fotografií stop nalezených během výletů do oblastí s výskytem zkamenělin.
