Los investigadores han utilizado la inteligencia artificial para hacer nuevos descubrimientos y confirmar los antiguos, sobre una de las imitaciones más conocidas de la naturaleza, abriendo nuevas direcciones de investigación en biología evolutiva.
Los investigadores de la Universidad de Cambridge, la Universidad de Essex, el Instituto de Tecnología de Tokio y el Museo de Historia Natural de Londres utilizaron su algoritmo de aprendizaje automático para probar si las especies de mariposas pueden evolucionar conjuntamente patrones de alas similares para beneficio mutuo. Este fenómeno, conocido como mimetismo mülleriano, se considera el modelo matemático más antiguo de la biología evolutiva y se presentó menos de dos décadas después de la teoría de la evolución de Darwin por selección natural.
El algoritmo fue entrenado para cuantificar la variación entre las diferentes subespecies de mariposas Heliconius, desde diferencias sutiles en el tamaño, forma, número, posición y color de las características del patrón de ala, hasta grandes diferencias en los principales grupos de patrones.
Este es el primer método objetivo totalmente automatizado para medir con éxito la similitud visual general, que por extensión puede usarse para probar cómo las especies usan la evolución del patrón de ala como un medio de protección. Los resultados se informan en la revista Avances científicos .
Los investigadores descubrieron que las diferentes especies de mariposas actúan como modelo y como imitador, 'toman prestadas' características entre sí e incluso generan nuevos patrones.
"Ahora podemos aplicar IA en nuevos campos para hacer descubrimientos que antes simplemente no eran posibles", dijo la autora principal, la Dra. Jennifer Hoyal Cuthill, del Departamento de Ciencias de la Tierra de Cambridge. "Queríamos probar la teoría de Müller en el mundo real:estas especies convergen en los patrones de las alas de las demás y, en caso afirmativo, ¿cuánto? No hemos podido probar la mímica en este sistema evolutivo antes debido a la dificultad de cuantificar cuán similares son las dos mariposas ".
La teoría de la mímica mülleriana lleva el nombre del naturalista alemán Fritz Müller, quien propuso el concepto por primera vez en 1878, menos de dos décadas después de que Charles Darwin publicara El origen de las especies en 1859. La teoría de Müller propuso que las especies se imiten entre sí para beneficio mutuo.También es un caso de estudio importante para el fenómeno de la convergencia evolutiva, en el que las mismas características evolucionan una y otra vez en diferentes especies.
Por ejemplo, la teoría de Müller predice que dos poblaciones de mariposas igualmente tóxicas o de mal sabor en el mismo lugar se parecerán entre sí porque ambas se beneficiarán al "compartir" la pérdida de algunas personas con los depredadores que aprenden lo mal que saben.brinda protección a través de la cooperación y el mutualismo. Contrasta con la mímica batesiana, que propone que las especies inofensivas imitan a las dañinas para protegerse.
Las mariposas Heliconius son imitadores bien conocidos, y se consideran un ejemplo clásico de mimetismo mülleriano. Están muy extendidas en las zonas tropicales y subtropicales de las Américas. Hay más de 30 tipos de patrones reconocibles diferentes dentro de las dos especies que se estudiancentrado en, y cada tipo de patrón contiene un par de subespecies mímicas.
Sin embargo, dado que los estudios previos de los patrones de las alas tenían que hacerse manualmente, no había sido posible hacer un análisis a gran escala o en profundidad de cómo estas mariposas se imitan entre sí.
"El aprendizaje automático nos permite ingresar a una nueva era fenómica, en la que podemos analizar fenotipos biológicos, cómo se ven las especies, a una escala comparable a los datos genómicos", dijo Hoyal Cuthill, quien también ocupa posicionesen el Instituto de Tecnología de Tokio y la Universidad de Essex.
Los investigadores utilizaron más de 2.400 fotografías de mariposas Heliconius de las colecciones del Museo de Historia Natural, que representan 38 subespecies, para entrenar su algoritmo, llamado 'ButterflyNet'.
ButterflyNet fue entrenado para clasificar las fotografías, primero por subespecies, y luego para cuantificar la similitud entre los distintos patrones y colores de las alas. Trazó las diferentes imágenes en un espacio multidimensional, con más mariposas similares más juntas y menos mariposas similares más separadas.
"Encontramos que estas especies de mariposas se toman prestadas unas de otras, lo que valida la hipótesis de co-evolución mutua de Müller", dijo Hoyal Cuthill. "De hecho, la convergencia es tan fuerte que las imitaciones de diferentes especies son más similares que los miembros de lamisma especie "
Los investigadores también descubrieron que la mímica mülleriana puede generar patrones completamente nuevos al combinar características de diferentes linajes.
"Intuitivamente, uno esperaría que hubiera menos patrones de alas donde las especies se están imitando entre sí, pero vemos exactamente lo contrario, lo que ha sido un misterio evolutivo", dijo Hoyal Cuthill. "Nuestro análisis ha demostrado que la cooperación mutuala evolución en realidad puede aumentar la diversidad de patrones que vemos, explicando cómo la convergencia evolutiva puede crear nuevas combinaciones de características de patrones y agregar a la diversidad biológica.
"Al aprovechar la IA, descubrimos un nuevo mecanismo por el cual la mímica puede producir novedad evolutiva. Contraintuitivamente, la mímica misma puede generar nuevos patrones a través del intercambio de características entre especies que se imitan entre sí. Gracias a la IA, ahora somos capaces de cuantificarla notable diversidad de la vida para hacer nuevos descubrimientos científicos como este: podría abrir nuevas vías de investigación en el mundo natural ".
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