Популяции диких животных во всем мире находятся в кризисе. Недавний анализ Всемирного фонда дикой природы показал, что за последние 50 лет популяция диких животных сократилась на 73%.
Перед лицом этого беспрецедентного спада учёным как никогда важно понимать, с какими трудностями сталкиваются животные и как они реагируют на изменения на планете. Для этого требуется сбор данных в беспрецедентных масштабах – отслеживание жизни животных в глобальном масштабе – и учёные обращаются к технологиям, чтобы сделать эту сложнейшую задачу возможной.
Развитие технологии радиослежения уже открыло множество новых направлений для исследователей поведения животных, однако эти исследования были ограничены большими размерами устройств слежения и необходимостью следить за животными с помощью приемников или позднее извлекать метки для доступа к данным.
В промышленности новые технологические достижения, такие как миниатюрные датчики и устройства связи, позволили разработать крупномасштабные беспроводные цифровые сети, отслеживающие местоположение и статус объектов — от грузовых контейнеров до заводского оборудования — известные как «Интернет вещей» или IoT.
ICARUS — Международная организация по исследованию животных с использованием космоса — стремится использовать эту технологию для создания глобальной сети наблюдения за животными с целью отслеживания и мониторинга дикой природы в беспрецедентных масштабах.
Система использует ультрасовременные миниатюрные передатчики для передачи данных о перемещениях, активности и даже здоровье животных на приемные антенны в космосе, что позволяет ученым получать доступ к огромному количеству исследовательских данных через свои компьютеры.
«Скоро у нас появится интернет из животных, и это невероятно интересно», — говорит профессор Мартин Викельски , директор Департамента миграции в Институте поведения животных Общества Макса Планка и основатель инициативы ICARUS.
Данные ICARUS используются для ответа на давние научные вопросы о навигации, обучении, культуре и коммуникации животных, а также для содействия принятию решений по охране природы в режиме реального времени.
Они также надеются применить данные слежения за животными к решению реальных проблем, задействовав «шестое чувство» животных для разработки систем раннего оповещения о вспышках заболеваний диких животных, а также о землетрясениях и других стихийных бедствиях.
«Теперь мы можем мыслить по-другому и проводить эксперименты в глобальном масштабе, чего никогда раньше не делали», — говорит Викелски.
Первые метки ICARUS, поступившие в производство в 2017 году, весили около 4 г (доли унции) и передавали GPS-координаты местоположения, информацию о том, живо ли животное или мертво, а также данные об окружающей среде, такие как температура и влажность.
С тех пор метки были усовершенствованы, стали ещё меньше, добавили новые сенсорные возможности и интегрировали новые технологии, такие как встроенный искусственный интеллект, для оптимизации обработки данных. Это также сделало их дешевле: теперь они стоят около 50–100 евро за штуку (около 40–85 фунтов стерлингов), что сделало крупномасштабную маркировку более доступной.
В настоящее время команда работает над следующим поколением меток, которые будут весить около 1 г и смогут передавать подробную информацию о перемещениях животных в пределах их среды обитания.
Миграция черных дроздов
Первыми животными, которым были установлены метки ICARUS, стали чёрные дрозды в рамках исследовательского проекта по изучению миграции певчих птиц. К настоящему времени исследователи пометили почти 700 чёрных дроздов по всей Европе, от Финляндии до Испании, и отслеживают их перемещения по всему континенту.
«Наблюдать за отдельными животными из разных популяций по всему континенту — это очень захватывающее и крайне позитивное приключение», — говорит доктор Йеско Партеке , также работающий в Институте поведения животных Общества Макса Планка.
Этот проект уже даёт новые знания о поведении чёрных дроздов в Европе. Например, в разных частях европейского ареала чёрные дрозды используют разные стратегии зимовки в зависимости от места обитания.
Те из них, что живут в Северной Европе, мигрируют на юг, в Испанию и на юг Франции, чтобы зимовать там, где они присоединяются к местным черным дроздам, которые остаются в этих более теплых краях круглый год.
Данные, полученные от 118 помеченных черных дроздов с помощью антенн, установленных на земле и на самолетах, показали, что они готовятся к миграции на большие расстояния, снижая частоту сердечных сокращений и температуру тела примерно за месяц до вылета.
Такая стратегия означает, что у мигрирующих черных дроздов затраты энергии аналогичны затратам у оседлых черных дроздов, несмотря на огромные энергетические потребности при перелете на дальние расстояния.
Бирки ICARUS доступны в различных вариантах исполнения, включая ушные бирки для млекопитающих, таких как носороги, гепарды и жирафы, ножные бирки для птиц и бирки в виде рюкзака для летучих мышей и крупных насекомых.
Последнее позволило исследователям провести самое продолжительное непрерывное отслеживание мигрирующих насекомых. Они прикрепили метки к 14 мигрирующим бражникам «мёртвая голова» и использовали антенны, установленные на лёгких самолётах, чтобы отслеживать их полёт на протяжении 80 км (примерно 50 миль) по пути к местам зимнего размножения в Средиземном море.
Они обнаружили, что насекомые могут сохранять прямую траекторию полета на большие расстояния — даже при сильном ветре, что дает ученым возможность заглянуть в сложный внутренний компас этого вида.
Создание глобальной сети
С момента своего запуска в 2012 году проект ICARUS столкнулся с рядом неудач: от технических и логистических до геополитических.
Антенна ICARUS была установлена на Международной космической станции (МКС) в августе 2018 года, а испытания системы должны были начаться следующим летом. Однако из-за неисправности системы электропитания на борту МКС этот этап был отложен, и система наблюдения ICARUS была включена только в марте 2020 года.
Первые исследовательские проекты с использованием системы начались в сентябре того же года, когда метки ICARUS были размещены на 15 видах по всему миру.
Затем, после вторжения России на Украину в феврале 2022 года, сотрудничество в рамках проекта ICARUS было приостановлено. К счастью, команда уже начала разработку спутниковой приёмной системы, которая в конечном итоге заменит антенну МКС.
Кубсаты — это миниатюрные спутники, состоящие из специально изготовленных кубов размером 10 см (4 дюйма), которые проводят различные эксперименты на орбите. В настоящее время ICARUS готовится к запуску своего первого кубсата осенью 2025 года. Это позволит ему отправлять и получать данные с меток ICARUS по всему миру.
Однако это только начало — команда надеется добавить в свой арсенал больше спутников CubeSat, в конечном итоге сформировав группировку спутников, которая сможет собирать данные практически в режиме реального времени по всему миру.
Тем временем исследователи используют сеть наземных антенн для связи с уже установленными метками ICARUS. Эта система позволяет Партекке отслеживать перемещения певчих птиц по всей Европе.
«Мы получаем мгновенные сообщения от наших чёрных дроздов на наши компьютеры, и мы знаем, чем они занимаются [и] как обстоят дела в масштабах Европы», — говорит он. «Для нас это просто потрясающе».
Отслеживание певчих птиц на континентальном уровне уже даёт ответы на давние вопросы об их поведении, жизненном цикле и сохранении, но с запуском спутника ICARUS CubeSat в следующем году Партекке надеется ответить на ещё более важные вопросы о миграции птиц. «Мы должны выйти на глобальный уровень», — говорит он.
Команда ICARUS хочет, чтобы данные, собираемые ее метками, были доступны ученым, специалистам по охране природы, смотрителям парков и гражданским ученым по всему миру.
Данные о помеченных животных по всему миру записываются в общедоступную базу данных Movebank , которую Викелски описывает как «постоянный цифровой музей» данных о животных.
В Movebank теперь хранятся данные о перемещениях и поведении более 260 000 животных, принадлежащих более чем 1400 видам. Каждому помеченному животному в Movebank присваивается уникальный идентификатор, что стандартизирует способ хранения данных о животных и упрощает процесс анализа данных.
Заполнение пробелов в знаниях
В 2021 году команда запустила MoveApps — бесплатную платформу аналитических инструментов, помогающую учёным анализировать все эти данные. Система позволяет программистам разрабатывать инструменты анализа данных, которые учёные могут применять к данным отслеживания животных, хранящимся в базе данных Movebank.
«Мы хотим демократизировать получение информации, чтобы фермер в Нигере или рыбак на Галапагосских островах могли получить ту же информацию, что и ученый в Европе», — говорит Викельски.
Эти данные могут помочь исследователям заполнить серьёзные пробелы в научных знаниях и знаниях об охране природы, начиная с того, как животные организуют свои массовые миграции, и заканчивая причинами сокращения популяций. По словам Вайкельски, это детальное понимание того, как животные воспринимают окружающую среду и взаимодействуют с ней, также будет способствовать более глубокой связи с миром природы. «Эмоциональная связь способствует охране природы».
Отслеживание черепах в открытом океане — один из способов, которым это используется. В природоохранной биологии до сих пор остаётся загадкой то, что происходит с морскими черепахами в период между появлением крошечных детёнышей на пляжах по всему миру и возвращением в прибрежные воды уже мальками размером с обеденную тарелку.
Так называемые «потерянные годы», которые молодые морские черепахи проводят в открытом океане, оказались чрезвычайно сложными для изучения исследователями.
«Эти ранние этапы жизни являются основой всей их дальнейшей жизни», — говорит доктор Кейт Мэнсфилд , профессор биологии охраны природы в Университете Центральной Флориды, которая сотрудничает с ICARUS в проекте по отслеживанию перемещений морских черепах в открытом океане.
«Если вы работаете с охраняемыми видами или животными, нуждающимися в охране, вам действительно нужно знать о них всё, что возможно, на каждом этапе их жизни», — говорит Мэнсфилд. В настоящее время «ранняя стадия расселения, связанная с потерянными годами жизни морских черепах, действительно является самым большим пробелом в данных» в биологии морских черепах, объясняет она.
В последние годы технологии спутникового слежения позволили Мэнсфилду начать более детальное изучение этого важнейшего этапа жизни. Первые исследования с использованием спутникового слежения уже показали, что молодые морские черепахи не просто пассивно дрейфуют по океанским течениям, как долгое время предполагалось, но иногда и активно плавают. Эти данные играют важную роль в борьбе за охрану природы и добиваются правовой защиты критически важных мест обитания морских черепах.
Однако это исследование по-прежнему ограничено техническими трудностями. Например, существующие метки слишком велики и тяжелы для крепления на детёнышах.
«Когда вы помечаете животное с помощью спутника, вам нужна метка, которая не будет его беспокоить, и вам нужна метка как можно меньшего размера, которая не будет влиять на поведение животного или заставлять его тратить больше энергии на перемещение в окружающей среде», — говорит Мэнсфилд.
Кроме того, большинство доступных меток не предоставляют надежных и точных данных о местоположении с помощью глобальной системы позиционирования (GPS) или подробной информации о перемещениях черепах в пределах их среды обитания — а ведь эти данные могут иметь решающее значение для таких исследователей, как Мэнсфилд.
По ее словам, природоохранному сообществу нужны «менее крупные и более надежные метки, а также метки с датчиками, которые позволят нам по-настоящему точно фиксировать движения животных».
Следующее поколение небольших, легких и оснащенных датчиками спутниковых меток ICARUS обещает решить эти проблемы, раскрывая больше подробностей о потерянных годах жизни морских черепах.
Мониторинг Земли через животных
Но потенциальные возможности ICARUS на этом не заканчиваются. Животные чувствуют окружающую среду и реагируют на неё, поэтому «интернет животных» может предложить новые возможности для понимания неживых компонентов природы.
«Животные предоставляют нам объективную информацию об окружающей среде», — говорит Викелски, и эту информацию можно использовать вместе с более традиционными системами мониторинга Земли, такими как спутниковые снимки.
Например, команда ICARUS надеется использовать данные о перемещении диких животных для прогнозирования землетрясений. В народных сказках давно рассказывается о странном поведении животных за несколько часов до землетрясения, тогда как современные технологии позволяют нам предупреждать о надвигающейся катастрофе всего за несколько секунд или минут.
Викелски полагает, что данные крупномасштабного слежения за животными могут стать ключом к улучшению ситуации, и предварительные данные показывают, что он может быть прав.
Исследователи прикрепили датчики движения к коровам, овцам и собакам в сейсмоопасном регионе на севере Италии. Несколько месяцев спустя они вернулись, чтобы снять датчики и собрать данные на борту. Они обнаружили, что животные были необычайно беспокойны за несколько часов до землетрясения, что стало первым эмпирическим доказательством того, что животные действительно способны предчувствовать стихийные бедствия.
«Теперь мы начинаем понимать «шестое чувство» животных», — говорит Викелски.
По его словам, это вовсе не сверхъестественная способность, а нечто, рожденное естественными физическими принципами: «Если у вас есть взаимодействующие, интеллектуальные датчики, у вас появляются новые, возникающие свойства — это «шестое чувство» животных».
Наблюдая за дикими животными в больших масштабах, ученые могут использовать это развивающееся чувство, чтобы лучше понимать мир и делать прогнозы о нем.
ICARUS — самый амбициозный проект по отслеживанию дикой природы из когда-либо предпринятых, и для участвующих в нем исследователей, потративших более десятилетия на воплощение проекта в реальность, возможные варианты его применения практически безграничны.
Благодаря глобальной, взаимосвязанной сети животных, учёные и специалисты по охране природы по всему миру получат доступ к беспрецедентно подробному изучению жизни диких животных. Какие тайны мира природы им удастся раскрыть, покажет только время.
О наших экспертах
Профессор Мартин Викельски — директор отдела миграции в Институте поведения животных Общества Макса Планка. Он удостоен многочисленных наград, включая орден «За заслуги» Германии.
Доктор Йеско Партекке — исследователь Института поведения животных Общества Макса Планка, специализирующийся на экологии, эволюции и миграции птиц. Его работы опубликованы в таких журналах, как «Ecology» , «Global Change Biology » и «Frontiers in Zoology» .
Доктор Кейт Мэнсфилд возглавляет группу по исследованию морских черепах Университета Центральной Флориды (UCF), которая изучает вопросы сохранения, поведения и миграции морских черепах, уделяя особое внимание гнездованию, молодым стадиям и отслеживанию популяций в открытом море.
