Cittadini e scienziati uniscono le forze per sondare i misteri dei fondali marini

Sebbene gli oceani rappresentino il 71% della superficie terrestre, le sue profondità rimangono in gran parte sconosciute. Restano da mappare tre quarti del fondale oceanico. Si tratta però di un serbatoio di biodiversità inestimabile, che ad oggi comprende più di un milione di specie ancora sconosciute adattate a condizioni estreme. Questa biodiversità svolge un ruolo chiave nel funzionamento complessivo dell’oceano.

Lanciata nel 2023, la piattaforma web “Le spie degli oceani” consente al grande pubblico di contribuire alla ricerca sulla fauna e sulla flora che vivono sui fondali marini. Tutti possono così annotare le immagini raccolte dall’Ifremer grazie ai suoi osservatori (ad esempio EMSO-Azzorre) o ai suoi sottomarini in vari habitat marini: geyser sottomarini, barriere coralline di acque fredde, porto di Brest, ecc. L’utente può così scegliere in quale universo sottomarino desidera “immergersi” e spostarsi da un ambiente all’altro non appena lo desidera.

Per fare il grande passo non è necessario essere esperti: i partecipanti vengono guidati da diversi supporti e tutorial per svolgere un lavoro di analisi simile a quello svolto dagli scienziati.

C’è un urgente bisogno di comprendere meglio questi ecosistemi: i fondali marini, in particolare gli ecosistemi profondi, sono stati oggetto del desiderio sin dalla scoperta di risorse minerarie di interesse per gli industriali. Questi ambienti sono minacciati dalle attività umane attraverso il possibile sfruttamento, anche se la maggior parte di esso è ancora sconosciuto.

Imaging e altre tecniche all’avanguardia

Gli scienziati marini affrontano sfide tecnologiche per accedere, esplorare e studiare questi ambienti lontani e profondi. Per raggiungere questo obiettivo, devono utilizzare tecniche all’avanguardia, spesso sviluppate appositamente per soddisfare i vincoli dell’ambiente.

Possono trattarsi di navi oceanografiche di acque profonde da cui vengono schierati sottomarini in grado di raggiungere diverse migliaia di metri di profondità, oppure di osservatori posizionati direttamente sul fondo del mare per registrare dati continui. Questi due tipi di supporto – subacqueo e osservatorio – sono dotati di diversi sensori di misurazione e strumenti di campionamento che consentono di acquisire informazioni biologiche, chimiche, geologiche e fisiche sugli ecosistemi target.

Tra le strumentazioni utilizzate, l’imaging è diventata una tecnica ampiamente utilizzata per studiare l’oceano, dalla costa al mare, dalla superficie agli abissi, nella colonna d’acqua e nei fondali marini.

Infatti, con i progressi della tecnologia subacquea, l’acquisizione di immagini è diventata preziosa per raccogliere informazioni sull’habitat e sulla distribuzione della flora e della fauna, sull’abbondanza e sulle dimensioni delle specie, ma anche sul comportamento, sulle abitudini alimentari, sulla crescita, sulla riproduzione e sull’organismo risposta ai cambiamenti ambientali.

[Déjà plus de 120 000 abonnements aux newsletters The Conversation. Et vous ? Abonnez-vous aujourd’hui pour mieux comprendre les grands enjeux du monde.]

Un altro vantaggio dell’imaging rispetto alla raccolta di campioni fisici: è non intrusivo e non distruttivo dell’ambiente osservato. Permette inoltre di studiare la distribuzione e la dinamica delle specie su larga scala, sia nello spazio (su scala di diversi chilometri quadrati) che nel tempo (su periodi che possono estendersi fino a diversi anni).

Il risultato sono preziosi dati ecologici, ma anche un eccellente strumento di comunicazione che consente a queste osservazioni di essere condivise e comprese da tutta la società.

Migliaia di immagini da analizzare

Per estrarre informazioni da tutte le immagini raccolte, i ricercatori devono affrontare un compito particolarmente dispendioso in termini di tempo: visualizzare e analizzare ogni foto o video per identificare tutti gli organismi viventi e descrivere i loro habitat.

Dato il numero crescente di dispositivi dotati di fotocamera utilizzati nel campo delle scienze marine, i gruppi di ricerca si trovano ad affrontare un volume colossale di dati da elaborare. In altre parole, a un’ondata di “big data” che a sua volta colpisce la biologia marina.

È nata così l’idea – inizialmente, in ambito astronomico – di chiedere aiuto ai cittadini per annotare queste immagini (cioè assegnare categorie a intere immagini, a regioni o oggetti di interesse nelle immagini).

Da allora, la scienza partecipativa, consentendo alle persone, spesso dilettanti, di partecipare al processo di analisi dei dati scientifici, si è rivelata un approccio potente per moltiplicare gli sforzi e rimuovere alcune barriere all’accesso alla ricerca.

Le scienze partecipative non sono le uniche ad assistere il ricercatore in questi compiti ripetitivi e noiosi. L’avvento dell’intelligenza artificiale (AI) ha consentito lo sviluppo di algoritmi che facilitano l’elaborazione automatica di grandi insiemi di dati, e in particolare di immagini.

Questi metodi danno grandi speranze per sbloccare il flusso di immagini in attesa di analisi. Ma le macchine hanno bisogno di set di dati per essere addestrati a identificare le specie di nostro interesse, e questi possono essere costruiti solo dagli esseri umani. Questo è anche lo scopo per cui vengono utilizzati i dati generati dagli utenti della piattaforma.

La partecipazione pubblica è quindi fondamentale per il progresso della scienza. Si basa su una partnership tra cittadini e ricercatori, contribuisce alla creazione di conoscenza e allo sviluppo tecnologico dell’IA rendendo possibile la classificazione delle immagini oceanografiche. Allo stesso tempo, aumenta la consapevolezza sull’approccio scientifico e sui cambiamenti subiti dagli ecosistemi marini.

“Gamification” e validazione dei dati

Più immagini i cittadini annotano, più progrediscono e possono superare livelli che danno loro accesso a nuove specie da identificare. Ampliano così le loro scoperte e la loro conoscenza dell’ambiente marino, grazie a un meccanismo di “gamification” che rende il processo divertente.

La piattaforma è anche scalabile. Una volta completata una missione di annotazione, se sono state caricate nuove immagini, può iniziare una nuova missione. La quantità di immagini da elaborare e di questioni scientifiche da risolvere è praticamente illimitata.

Nel frattempo, i ricercatori ecologici stanno lavorando per convalidare i dati dei cittadini utilizzando metodi statistici per poterli sfruttare scientificamente. Ciò consente di individuare andamenti statistici e mettere in relazione la presenza (o l’assenza) di tali specie in relazione a diverse condizioni ambientali.

Altri esperti, questa volta nel campo dell’intelligenza artificiale, potranno quindi utilizzare i set di dati prodotti tramite “Spies of the Oceans” per sviluppare e addestrare algoritmi di apprendimento automatico. Questi potrebbero, in definitiva, essere utilizzati di routine e accelerare la fase di rilevamento delle specie visibili nelle immagini.

Ad oggi, nella piattaforma è possibile annotare più di 5.000 immagini (su un totale di oltre 20.000 immagini comprese le missioni passate), con più di 4.000 utenti che hanno effettuato almeno un’annotazione. E non è finita, il nuovissimo universo “Spie del Mediterraneo” si è appena unito alla famiglia Spies, offrendo centinaia di immagini provenienti da un altro ambiente da scoprire.

Questa meravigliosa sinergia tra scienziati oceanici, intelligenza artificiale e tutto il pubblico e le generazioni della società suggerisce risultati nuovi e cruciali per proteggere meglio i fondali marini. Abbastanza per sviluppare nuovi strumenti gestionali e decisionali per preservare la diversità biologica e questo patrimonio comune dell’umanità che è l’oceano. Lo chiede tutta la società.

---

Scienza e società si alimentano a vicenda e traggono beneficio dalla conversazione. La ricerca può contare sulla partecipazione dei cittadini, migliorare la loro vita quotidiana o addirittura informare il processo decisionale pubblico. È quanto mostrano gli articoli pubblicati nella nostra collana “Scienza e società, un nuovo dialogo”, realizzata con il sostegno del Ministero dell’Istruzione Superiore e della Ricerca.