تحلیل هوش مصنوعی از گسترش عظیم جلبک‌های اقیانوسی و تغییر زیستگاه‌های دریایی

بین سال‌های ۲۰۰۳ تا ۲۰۲۲، یک تغییر زیستی ظریف اما عمیق در سراسر ۴۳٫۸ میلیون کیلومتر مربع از اقیانوس‌های جهان رخ داده است. توده‌های شناور جلبک‌های بزرگ (ماکروآلگ) – قایق‌های عظیم و درهم‌تنیده‌ای از جلبک‌های دریایی مانند سارگاسوم و اولوا – با نرخ حیرت‌آور ۱۳٫۴ درصد در سال در مناطق حیاتی مانند اقیانوس اطلس گرمسیری و اقیانوس آرام غربی شروع به گسترش کردند. سال‌ها، مقیاس محض این رشد انفجاری تا حدی در دید پنهان مانده بود، که توسط وسعت سطح اقیانوس و محدودیت‌های ذاتی مشاهده انسانی مبهم شده بود. در نهایت، برای نقشه‌برداری کامل این پدیده و آشکارسازی ابعاد واقعی تحول اقیانوس، نیاز به یک مدل پیچیده هوش مصنوعی با یادگیری عمیق بود که برای اسکن و تفسیر ۱٫۲ میلیون تصویر ماهواره‌ای آموزش دیده بود.[1][2][4]

تحلیل حاصل، که در مجله «نیچر کامیونیکیشنز» (Nature Communications) منتشر شد، آنچه را که زیست‌شناسان دریایی منطقه‌ای و ساکنان ساحلی به طور فزاینده‌ای گمان می‌بردند، تأیید می‌کند: اقیانوس‌های جهان در حال تجربه یک تغییر ساختاری اساسی هستند. محیط‌های دریایی، که توسط ترکیبی پیچیده از گرم شدن آب‌ها، تغییر جریان‌های اقیانوسی و سرازیر شدن رواناب‌های مغذی ناشی از فعالیت‌های انسانی هدایت می‌شوند، به طور فعال از اکوسیستم‌های فقیر به جلبک‌های بزرگ به اکوسیستم‌های غنی از جلبک‌های بزرگ در حال گذار هستند. برای درک دقیق چگونگی وقوع این تحول جهانی، لازم است مکانیسم‌های زیربنایی رشد جلبک‌ها بررسی شود. جلبک‌ها، از فیتوپلانکتون‌های میکروسکوپی سطح آب گرفته تا توده‌های عظیم و چندسلولی جلبک دریایی، برای انجام فتوسنتز و تکثیر سلولی به ترکیبی دقیق از نور خورشید، دی‌اکسید کربن محلول و مواد مغذی ضروری مانند نیتروژن و فسفر متکی هستند.[3][4][5]

از لحاظ تاریخی، اقیانوس آزاد عمدتاً به عنوان یک بیابان مغذی عمل می‌کرد، وسعتی که در آن کمبود نیتروژن و فسفر، جمعیت جلبک‌های بزرگ را نسبتاً محدود و محصور نگه می‌داشت. قبل از سال ۲۰۰۸، شکوفایی‌های عظیم و طبیعی عمدتاً به مناطق خاصی مانند دریای سارگاسو محدود می‌شد، جایی که جریان‌های چرخشی منحصر به فرد، پوشش گیاهی شناور را به دام انداخته و حفظ می‌کردند. با این حال، فعالیت مدرن انسانی این تعادل شیمیایی ظریف را به طور اساسی تغییر داده است. رواناب‌های کشاورزی صنعتی، فاضلاب‌های تصفیه‌نشده و پساب‌های شهری اکنون سطوح بی‌سابقه‌ای از کودهای شیمیایی را به آب‌های ساحلی می‌ریزند. این توده‌های غنی از مواد مغذی متعاقباً توسط جریان‌های اقیانوسی در حال تغییر گرفته شده و به دوردست‌های دریا حمل می‌شوند و عملاً اقیانوس آزاد را بارور کرده و سوخت خام مورد نیاز برای رشد انفجاری جلبک‌ها را فراهم می‌کنند.[1][4][6]

همزمان، افزایش دمای جهانی، دینامیک فیزیکی ستون آب را تغییر داده است. در برخی مناطق، آب‌های سطحی گرم‌تر، لایه‌بندی حرارتی را افزایش داده و مواد مغذی را در منطقه نوری بالایی که نور خورشید در آن فراوان است، به دام انداخته‌اند. در مناطق دیگر، تغییرات ناشی از اقلیم در الگوهای باد، بالا آمدن آب‌های عمیق را تغییر داده و آب سرد و غنی از مواد مغذی را از کف اقیانوس به سطح می‌آورد. مدل هوش مصنوعی که توسط محققان دانشگاه فلوریدای جنوبی و اداره ملی اقیانوسی و جوی (NOAA) توسعه یافته است، به طور خاص برای شناسایی پیامدهای زیستی این تغییرات فیزیکی مهندسی شده بود. این الگوریتم یاد گرفت که امضاهای طیفی منحصر به فرد پنج نوع مختلف جلبک را شناسایی کند و با موفقیت مواد زیستی را حتی زمانی که کمتر از یک درصد از یک پیکسل تصویر ماهواره‌ای را اشغال می‌کرد، تشخیص داد.[3][4][7]

این پیشرفت محاسباتی به دانشمندان اجازه داد تا تصاویر دو دهه از اقیانوس‌های جهانی را در کسری از زمانی که تحلیلگران انسانی نیاز داشتند، پردازش کنند و بین اشکال مختلف پوشش گیاهی دریایی تمایز قائل شوند. هوش مصنوعی نشان داد که در حالی که جلبک‌های ریز (میکروآلگ) – کف‌های میکروسکوپی سطحی که پایه شبکه غذایی دریایی را تشکیل می‌دهند – با نرخ ثابت اما متوسط یک درصد در سال رشد می‌کردند، توده‌های جلبک‌های بزرگ رشد انفجاری دو رقمی سالانه را تجربه کردند. به نظر می‌رسد نقطه عطف این پدیده جهانی در حدود سال‌های ۲۰۰۸ تا ۲۰۱۰ رخ داده است. در طول این بازه زمانی حیاتی، دریای زرد اولین «جزر و مد سبز» عظیم خود را از جلبک دریایی اولوا تجربه کرد، رویدادی که آب‌های ساحلی را مسدود کرد و نیازمند تلاش‌های پاکسازی گسترده بود. اندکی پس از آن، شکوفایی‌های بی‌سابقه سارگاسوم شروع به خفه کردن اقیانوس اطلس گرمسیری کرد و نشان داد که خط مبنای اقیانوس به طور دائمی تغییر کرده است.[1][3][4]

پیامدهای زیست‌محیطی این تغییر ساختاری بسیار پیچیده است و شمشیری دو لبه را ارائه می‌دهد که به شدت به موقعیت جغرافیایی وابسته است. در اقیانوس‌های عمیق و آزاد، این توده‌های گسترده جلبک دریایی به عنوان واحه‌های شناور حیاتی در یک چشم‌انداز در غیر این صورت بایر عمل می‌کنند. آن‌ها زیستگاه‌های پرورشگاهی حیاتی برای ماهیان جوان، پناهگاهی برای لاک‌پشت‌های دریایی در معرض خطر و محل تغذیه برای مجموعه‌ای متنوع از بی‌مهرگان دریایی فراهم می‌کنند. با ارائه پیچیدگی ساختاری و منبع غذایی متمرکز، توده‌های جلبک‌های بزرگ در حال گسترش به طور مؤثری تنوع زیستی آب‌های آزاد را تقویت کرده و از شیلات فراساحلی حمایت می‌کنند. از دیدگاه صرفاً زیست‌محیطی، تکثیر این زیستگاه‌های شناور نشان‌دهنده گسترش عظیمی از زیرساخت‌های حیات‌بخش در دریای آزاد است.[1][2][7]

با این حال، این موهبت زیستی به سرعت تبدیل به یک خطر جدی زیست‌محیطی و اقتصادی می‌شود، زمانی که بادهای غالب و جریان‌های اقیانوسی، شکوفایی‌های عظیم را به سمت خشکی می‌رانند. هنگامی که هزاران تن جلبک بزرگ به ساحل می‌رسند، این مواد در سواحل انباشته شده و بلافاصله زیر نور خورشید شروع به تجزیه می‌کنند. این زیست‌توده در حال پوسیدن به سرعت اکسیژن محلول در آب‌های کم‌عمق ساحلی را مصرف می‌کند و «مناطق مرده» هیپوکسیک محلی ایجاد می‌کند که می‌تواند حیات دریایی نزدیک ساحل، از جمله ماهی‌ها، خرچنگ‌ها و بسترهای حیاتی علف دریایی را خفه کند. تخریب محیط زیست اغلب سریع و شدید است و اکوسیستم‌های ساحلی پر جنب و جوش را به محیط‌های سمی تبدیل می‌کند که در آن تعداد کمی از موجودات می‌توانند از کاهش ناگهانی سطح اکسیژن جان سالم به در ببرند.[2][4][5]

علاوه بر این، فرآیند تجزیه، غلظت‌های بالایی از گاز سولفید هیدروژن آزاد می‌کند که بوی زننده و شبیه تخم‌مرغ گندیده تولید می‌کند و گردشگران را از سواحل دور می‌کند و باعث تحریک تنفسی برای ساکنان محلی می‌شود. برای جوامع ساحلی که به شدت به صنعت مهمان‌نوازی متکی هستند، این هجوم‌های عظیم نشان‌دهنده یک تهدید اقتصادی جدی و فزاینده است. هتل‌ها با لغو رزرو مواجه می‌شوند، شیلات محلی با تجهیزات آسیب‌دیده و ذخایر نزدیک ساحلی کاهش یافته دست و پنجه نرم می‌کنند، و شهرداری‌ها مجبورند سالانه میلیون‌ها دلار برای ماشین‌آلات سنگین هزینه کنند تا جلبک‌های دریایی در حال پوسیدن را به صورت فیزیکی از خطوط ساحلی خود حذف کنند. بار مالی مدیریت این شکوفایی‌ها به یک ردیف بودجه دائمی در بودجه بسیاری از کشورهای ساحلی تبدیل شده است.[1][2][7]

در حالی که تحلیل هوش مصنوعی با موفقیت مقیاس محض گسترش جهانی را کمی‌سازی کرده است، محققان همچنان در تلاشند تا محرک‌های منطقه‌ای دقیقی را که باعث شکوفایی‌های خاص می‌شوند، از هم تفکیک کنند. تعامل پیچیده بین تخلیه مواد مغذی محلی، تغییرات دمای جهانی و گردش اقیانوسی در حال تغییر به این معنی است که علت دقیق یک شکوفایی عظیم در اقیانوس هند ممکن است به طور قابل توجهی با مکانیسم‌های محرک رشد در اقیانوس اطلس متفاوت باشد. در آینده، ادغام یادگیری ماشینی با نظارت مستمر ماهواره‌ای، ابزار جدید و قدرتمندی را برای بوم‌شناسان دریایی فراهم می‌کند. دانشمندان امیدوارند با ردیابی این شکوفایی‌ها در زمان واقعی، سیستم‌های هشدار اولیه بسیار دقیقی را توسعه دهند که بتوانند هفته‌ها قبل از رسیدن توده عظیم جلبک دریایی به خشکی، به شهرداری‌های ساحلی هشدار دهند و به آن‌ها اجازه دهند استراتژی‌های کاهش اثرات را آماده کرده و از خطوط ساحلی آسیب‌پذیر خود محافظت کنند.[3][4][6]

در نهایت، این کشف بر واقعیت دوگانه سیاره‌ای گرم‌تر و مملو از مواد مغذی تأکید می‌کند. اقیانوس صرفاً در حال مرگ نیست؛ بلکه در پاسخ به فشارهای بی‌سابقه انسانی، فعالانه در حال سازگاری و سازماندهی مجدد ساختارهای زیستی خود است. گسترش سریع جلبک‌های شناور یک نشانه قابل مشاهده از این سازماندهی مجدد است – یک شاخص آشکار مبنی بر اینکه مرزهای شیمیایی و حرارتی که زمانی حیات دریایی را کنترل می‌کردند، به طور دائمی بازتعریف شده‌اند. همانطور که هوش مصنوعی به باز کردن الگوهای پنهان در داده‌های زیست‌محیطی دهه‌های اخیر ادامه می‌دهد، چالش پیش روی سیاست‌گذاران و مدیران ساحلی، سازگاری با اقیانوسی خواهد بود که اساساً با آنچه تنها بیست سال پیش وجود داشت، متفاوت است.[4][7]