Группа молодых ученых Сколковского института науки и технологий (Сколтех) опубликовала в международном научном журнале Scientific Reports статью, в которой, используя модель распространения видов, спрогнозировала, какие территории европейской части России станут пригодными для распространения борщевика Сосновского в 2040–2060 годах. Картина получилась пугающая. Между тем исследования на эту и смежные темы как раз и нацелены на то, чтобы остановить победоносное шествие ядовитого сорняка по стране. К той же цели стремятся и сообщества добровольцев, готовых сражаться с борщевиком до победного конца. Что еще надо сделать, чтобы мрачные прогнозы ученых не стали реальностью?
Фото: Евгений Павленко, Коммерсантъ
Фото: Евгений Павленко, Коммерсантъ
Борщевик против биоразнообразия
Про борщевик Сосновского трудно сказать что-то новое. Растение это отечественное, родом с Кавказа, хотя растет оно и в Закавказье, и на Ближнем Востоке. Завезли его в среднюю полосу в 1940-х, чтобы создать кормовую базу для крупного рогатого скота, но молоко после такой кормежки было горьким, и эксперимент закрыли. Не учли только одного: вид оказался инвазивным, или инвазионным, и начал захватывать страну.
Борщевик Сосновского уничтожает всю растительность там, куда заселяется. Почему? Прежде всего потому, что весной он первым вылезает из земли, растет быстро и скученно, не давая более поздним сородичам шансов. Он угнетает остальные растения не только размером и плодовитостью (его соцветия-зонтики способны производить до 100 тыс. семян), но и тем, что выделяет эфирные масла, смолы и другие биологически активные вещества, снижая энергию прорастания семян других видов. К тому же в средней полосе и других холодных регионах России у него нет естественных врагов — например, коз и овец, которые объедают еще не созревшие соцветия в его природных ареалах.
В массовом сознании опасность борщевика связана с его фототоксичностью. Фуранокумарины, которые он содержит, под воздействием солнечного света способны вызывать страшные ожоги кожи. По некоторым подсчетам, их ежегодно получают миллионы людей. На самом же деле это не главное вредоносное влияние борщевика на природную среду.
Куда более опасно его «единоличное» господство на захваченной территории, ведь оно угрожает биологическому многообразию. Зачем это многообразие нужно? Во-первых, это красиво. Во-вторых, не мы эти виды создавали, не нам их уничтожать. Ну а главное — раз эти виды появились, значит, они необходимы экосистеме. Не будет их, нарушится экологический баланс. Условно говоря, не будет заячьей капусты — вымрут все зайцы, потому что им нечего будет есть. Вот почему необходимо всеми силами противостоять борщевику и его неконтролируемому расселению по стране. А чтобы успешно с ним бороться, нужно не только знать нынешние места его обитания, но и прогнозировать его распространение в будущем, чем и занялись биологи и IT-специалисты Сколтеха.
Марш на север
Почему такое исследование появилось именно сейчас, ведь опасные свойства борщевика известны как минимум с 1970-х годов? Как это обычно бывает, сошлись сразу несколько обстоятельств.
Во-первых, распространение борщевика в последнее время приняло гигантские масштабы, стало трудно игнорировать эту проблему. Во-вторых, получило широкое развитие машинное обучение, позволяющее моделировать сложные процессы. Кроме того, за последние несколько лет появилось достаточное количество данных о распространении борщевика, на которых можно обучить модели и получить заслуживающие доверия результаты, подчеркивает один из авторов исследования Дмитрий Шадрин, научный сотрудник Исследовательского центра искусственного интеллекта в целях сокращения углеродного следа.
В основу исследования легли сведения о местах обитания инвазивного вида, выложенные в сеть обычными гражданами. Благодаря их фотографиям наполняются базы данных. Одна из таких баз — база данных Глобального информационного фонда по биоразнообразию (GBIF). Другая собрана на платформе iNaturalist, созданной Калифорнийской академией наук и Национальным географическим обществом США, где своими наблюдениями в форме заметок, фото- и аудиоматериалов делятся ученые и натуралисты-любители со всего мира. На сайте российского сообщества «Антиборщевик» силами неравнодушных людей составлена более подробная карта распространения борщевика в нашей стране. К сведениям о распространении борщевика присоединились данные о почвах и биоклиматических факторах.
Одно не смогли учесть исследователи — результаты борьбы с борщевиком.
«Мы не можем точно предсказать, как изменятся социальные факторы, влияющие на его распространение, что будет с дорожной сетью, развитие которой способствует его распространению, как будет трансформироваться стратегия борьбы с ним,— объясняет еще один участник исследования Михаил Гасанов.— Возможно, через несколько лет появится система биологической защиты, которая поможет эффективно с ним бороться. Или наше исследование привлечет к проблеме борщевика такое внимание, что она уже в ближайшее время будет полностью решена. Пока мы остановились на климатических и почвенных параметрах, которые в целом предсказуемы».
В рамках прогноза ученые рассмотрели оптимистичный и пессимистичный сценарии выброса парниковых газов в зависимости от экономической деятельности человека до 2100 года. Такие сценарии называются «Общие социально-экономические варианты» (SSP). Оптимистичный сценарий имеет условное обозначение SSP1-2.6 и предполагает нулевой уровень выбросов CO2 к 2050 году. Пессимистичный носит название SSP5-8.5 и обещает к 2050 году удвоение тех же самых выбросов. На основании этих сценариев научные институты запускают свои климатические модели и получают прогнозы. Разные модели по-разному чувствительны к выбросам СО2. В то же время в зависимости от уровня повышения концентрации CO2 по-разному изменяется температура воздуха. Какие-то из использованных моделей прогнозируют более сильное ее повышение в зависимости от эмиссии CO2, какие-то — менее значительное.
Сколтеховская команда взяла три модели с различной чувствительностью к изменению концентрации CO2 в атмосфере: BCC-CSM2-MR Пекинского климатического центра (КНР), CanESM5 Канадского центра климатического моделирования и анализа и CNRM-CM6-1 Национального центра метеорологических исследований (Франция). Канадская наиболее чувствительна к повышению содержания CO2 в атмосфере и дает максимальное повышение температуры воздуха по сравнению с ними. Территория исследования была ограничена на севере Северным Ледовитым океаном, на юге — Кавказом, на востоке — Уралом, на Западе — европейскими странами.
На основании каждой из этих моделей для двух сценариев было получено шесть вариантов распространения борщевика на европейской части России в 2040–2060 годах.
Полученные данные ученые подали в свою обученную модель и спрогнозировали, какие территории будут в будущем пригодны для распространения борщевика. Ничего утешительного: площади таких территорий расширятся при любом развитии событий.
«Для центральной России особо ничего не изменится,— говорит Михаил Гасанов.— На юг борщевик вряд ли пойдет: засушливый климат и теплая зима ему не подходят, потому что для прорастания семян ему, как правило, нужны отрицательные зимние температуры. А вот в северных регионах он будет чувствовать себя более комфортно, особенно если там станет теплее на градус и чуть сместится количество осадков. По самым пессимистичным оценкам, в соответствии с канадской моделью, он дойдет до 66–67-й параллелей северной широты, а это за Полярным кругом. Более оптимистичный прогноз — 63–64-я параллели. Он там уже встречается, но пока, по-видимому, еще не так распространен. На Кольском полуострове он точно есть, а это 68-й градус северной широты».
Прогноз пригодности территорий России для борщевика на 2040–2060 годы.
Различия в картах (прогнозах) объясняются различными климатическими сценариями. При оптимистичном предполагается снижение выбросов CO2 и переход к углеродной нейтральности, при пессимистичном — рост выбросов CO2 и существенное глобальное изменение климата, заметное в том числе на территории европейской части России. Результаты исследования дают похожие ареалы распространения борщевика для обоих сценариев, а в канадской модели пессимистичный сценарий предполагает более значительное распространение борщевика, чем оптимистичный
Прогноз пригодности территорий России для борщевика на 2040–2060 годы.
Различия в картах (прогнозах) объясняются различными климатическими сценариями. При оптимистичном предполагается снижение выбросов CO2 и переход к углеродной нейтральности, при пессимистичном — рост выбросов CO2 и существенное глобальное изменение климата, заметное в том числе на территории европейской части России. Результаты исследования дают похожие ареалы распространения борщевика для обоих сценариев, а в канадской модели пессимистичный сценарий предполагает более значительное распространение борщевика, чем оптимистичный
«Считается, что не допустить распространения инвазивных видов гораздо дешевле, чем потом с ними бороться,— говорит кандидат биологических наук Полина Трегубова, тоже участвовавшая в исследовании.— Благодаря нашим результатам мы можем понять, с какими огромными территориями уже сейчас нужно начинать работать, чтобы контролировать борщевик. А для этого необходимо налаживать мониторинг».
Сверху виднее
Для такого мониторинга уже все готово — исследователи Сколтеха под руководством преподавателя Центра по цифровой инженерии, кандидата технических наук Андрея Сомова еще в 2019 году создали программный комплекс распознавания борщевика на основе компьютерного зрения. Для этого они использовали сверточные нейронные сети типа FCNN, которые решают задачу сегментации, то есть могут не просто установить, есть борщевик на изображении или нет, но подсветить его, выделить контур каждого растения. Благодаря этому можно подсчитать, какая площадь занята борщевиком и какие действия следует предпринять для его уничтожения.
Обученная нейросеть загружается в мини-компьютер с GPU-модулем (GPU — графический процессор), который установлен на беспилотник. Изображение на бортовой компьютер поступает со встроенной камеры. В прошлом году ученые усовершенствовали систему. Они обнаружили, что если к обычной RGB-камере, которая снимает в видимом диапазоне, добавить мультиспектральную, которая работает в NIR-диапазоне (ближний ИК-диапазон), то можно повысить точность детектирования борщевика. «RGB-камера реагирует на форму и цвет листьев,— говорит руководитель проекта Андрей Сомов.— От этого случаются ошибки. На первых тестах наша система, например, увидела борщевик на дереве: листья были очень похожи. Однако при всех ее достоинствах мультиспектральная камера, во-первых, увеличивает полезную нагрузку, во-вторых, делает решение существенно дороже. Наша команда решила эту проблему. Для сохранения точности обнаружения даже с обычной видеокамерой мы предложили дополнительную сверточную сеть, которая обучена при помощи transfer learning и генерирует ''поддельные'' мультиспектральные изображения из потока RGB. Это решение позволило заменить мультиспектральную камеру на программный код, оно имеет идентичную точность обнаружения борщевика в сравнении с двумя камерами и способно функционировать в режиме реального времени».
«Особенность нашего решения в том,— продолжает ученый,— что все вычисления производятся на борту. Например, в Канаде, где есть похожая технология, снимки и видео передаются по беспроводному каналу, как правило, в облачный сервис для последующего анализа. Это сотни гигабайт за один пролет дрона. У нас потребителю поступает уже обработанная информация в виде маски с координатами участка с сорняками. Обработанный массив данных снимают с бортового компьютера автоматически, когда дрон возвращается на базу, но, повторяю, уже в готовом виде. У нас планируется и такая разработка: один беспилотник детектирует борщевик, второй летит за ним, по беспроводному каналу получает данные и может сразу опрыскивать».
Прогноз вероятного распространения борщевика Сосновского в текущих климатических условиях (период 2000–2018 годов) в отсутствие полных данных.
Сведения о встречаемости борщевика собраны в доступных локациях, и выходит, что борщевик распространен преимущественно в больших городах, хотя это не совсем так. Чтобы получить более достоверные результаты, экспериментальным путем были установлены пороговые дистанции между точками произрастания борщевика, а точки, которые находились ближе этого порога, исключались. Были взяты четыре сценария с разными значениями порога. Полный набор точек (full data) приводил к переобучению, тогда как дистанция 7 км дала наилучшее обучение модели по сравнению с другими дистанциями.
Прогноз вероятного распространения борщевика Сосновского в текущих климатических условиях (период 2000–2018 годов) в отсутствие полных данных.
Сведения о встречаемости борщевика собраны в доступных локациях, и выходит, что борщевик распространен преимущественно в больших городах, хотя это не совсем так. Чтобы получить более достоверные результаты, экспериментальным путем были установлены пороговые дистанции между точками произрастания борщевика, а точки, которые находились ближе этого порога, исключались. Были взяты четыре сценария с разными значениями порога. Полный набор точек (full data) приводил к переобучению, тогда как дистанция 7 км дала наилучшее обучение модели по сравнению с другими дистанциями.
Почему ученые выбрали для мониторинга дроны, а не автомобили или сельхозтехнику? «Колесная техника или люди, которые фотографируют или занимаются опрыскиванием, могут на колесах или обуви разносить семена борщевика»,— объясняет Андрей Сомов.
В 2020 году проектом заинтересовалось Министерство сельского хозяйства Московской области. «Помимо дрона его представители планировали заказать у нас такую же систему, но чтобы она крепилась на лобовом стекле автомобиля,— рассказывает господин Сомов.— Специалисты хотели получить видеорегистратор со встроенным компьютерным зрением, который можно установить на служебных автомобилях, чтобы во время поездок по Подмосковью он автоматически детектировал борщевик и передавал диспетчеру координаты, а тот высылал бригады для его уничтожения. Мы готовы совместно со всеми областями, где есть борщевик,— а это ближайшие к нам Калужская, Тульская и Орловская области,— провести тесты»,— говорит ученый.
Не бороться, а уничтожать
«Я за пять лет в одиночку спасла от зарастания борщевиком 85 га земли в районе Балашихи и с тех пор не даю ему расти,— утверждает Мария Попова, основательница общественного движения "Антиборщевик".— Все началось с того, что лес, который рос возле моего дома, в 2011 году был уничтожен короедом. Сухие деревья сломались и повалились. В 2013-м бурелом убрали, посадили деревца. Лес не успел вырасти, а первые борщевики уже вылезли, 20 или 30 штук. Я их выкопала, но на следующий год появились новые — почти пятьдесят. И снова в ход пошли нож и лопата. К 2019 году мне удалось очистить всю территорию, а в 2020-м я снова заметила три ростка. Отдельные семена всходят спустя годы, до сих пор в год по одной-две штуки приходится выкапывать на этой территории. Но это не проблема, особенно по сравнению с тем, что здесь могло бы вырасти за десять лет, если не начать борьбу вовремя».
Примеры успешной борьбы с борщевиком есть в различных регионах — везде, где есть люди, искренне заинтересованные в сохранении территорий. Но куда больше примеров безразличного отношения к борщевику, который захватывает все новые плацдармы.
Беда в том, что борщевик очень быстро расселяется, жалуется Мария Попова. Его семена разносятся на колесах машин, сплавляются по рекам, поземками переносятся по гладкому льду или насту. Его разносят люди на подошвах обуви, животные на копытах (например, кабаны). «За 10–15 лет небольшой очаг превращается в настоящую плантацию борщевика»,— говорит она.
Для борьбы с борщевиком применяются разные методы, и каждый эффективен по-своему. В борьбе с одиночными растениями действенный способ — выкапывание. Помогает также обрезка цветов, ведь борщевик цветет лишь раз в жизни, но тут важно успеть в сжатые сроки, когда цветы уже полностью раскрылись, но семена еще не образовались. На обочинах хороши химия или частый покос (раз в две недели и чаще), потому что щебенка не дает глубоко копать. Однако химия не панацея: ее нельзя применять в водоохранных зонах и на особо охраняемых природных территориях. «Можно накрывать борщевик черной пленкой: он хоть и монстр, но без света и воды гибнет,— объясняет Мария.— Ну а если заражены большие площади — тут уже нужна техника для вспашки. Где есть возможность, желательно привлекать административный ресурс. При этом общая стратегия заключается в том, чтобы в первую очередь спасать еще не заросшие территории — постоянным мониторингом и уничтожением одиночных растений».
«На государственном уровне борщевик считается простым сорняком, поэтому повсеместной борьбы с ним не ведется. Никто же не борется с одуванчиками за пределами своего огорода,— иронизирует госпожа Попова.— Программы по борьбе сейчас есть лишь в некоторых регионах, где активисты вроде меня долго добивались этого своими обращениями в госструктуры. Например, подмосковные власти стали выделять на борьбу с борщевиком бюджетные средства, обрабатывать заросшие участки. Частники во избежание штрафов тоже начали что-то делать. Штрафы эти не очень большие, и некоторым идейно ленивым проще заплатить, чем бороться. Так что какие-то законодательные фокусы еще придется придумывать».
Василий Мельниченко, фермер из Свердловской области, возглавляющий общественное движение «Федеральный сельсовет», против принуждения. Он предлагает свой способ борьбы с борщевиком: «Заставлять людей выкашивать борщевик силой, угрозой штрафов несправедливо, ведь люди его не сажали. Но если наладить его переработку в сахар, чтобы из сахара получать биоэтанол, можно обучить население его заготавливать. Принимать можно, допустим, по 700 руб. за тонну. По моим подсчетам, один человек может заготавливать от 10 до 20 тонн в день. Так мы снизим использование продовольственных культур и ограничим распространение борщевика».