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Enregistrement W4402839113 · doi:10.1101/2024.09.23.612957

Deep learning of fossil pollen morphology reveals 25,000 years of ecological change in East African grasslands

2024· preprint· en· W4402839113 sur OpenAlexaff
Marc‐Élie Adaïmé, Shu Kong, Michael A. Urban, F. Alayne Street‐Perrott, Dirk Verschuren, Surangi W. Punyasena

Notice bibliographique

RevuebioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory) · 2024
Typepreprint
Langueen
DomaineEnvironmental Science
ThématiqueRangeland and Wildlife Management
Établissements canadiensUniversity of New Brunswick
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésPollenPoaceaeSuperresolutionDiversity (politics)Fossil RecordGeographyPaleontologyBotanyGeologyBiologyImage (mathematics)Artificial intelligenceComputer science

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract Grass pollen is largely overlooked in investigating grassland evolution because the pollen of most species cannot be differentiated using traditional optical microscopy. However, deep learning can quantify small variations in pollen morphology visible under superresolution microscopy. We use the abstract features output by deep learning to estimate the taxonomic diversity and physiology of fossil grass pollen assemblages. Using a semi-supervised learning strategy, we trained convolutional neural networks (CNNs) on superresolution pollen images of modern grasses and unlabeled fossil Poaceae. Our models captured features that reflected both the taxonomic diversity of grass communities along an elevational gradient and morphological differences between C 3 and C 4 species. We applied our trained models to fossil grass pollen assemblages from a 25,000-year lake-sediment record from eastern equatorial Africa (Mt. Kenya) and correlated past shifts in grass diversity with atmospheric CO 2 concentration and proxy records of local temperature, precipitation, and fire occurrence. We quantified changes in grass diversity using morphological variability of fossil pollen assemblages, approximated by the Shannon entropy of CNN features. Our data show that grassland species diversity was strongly reduced between 21,500 and 16,000 years ago, coincident with most severe regional cooling during the last ice age. C 3 :C 4 ratios reconstructed using a gradient-boosted decision tree classifier infer a gradual decrease in C 4 grasses since the late-glacial to Holocene transition, associated with decreasing fire activity and elevated temperatures. Our results demonstrate that CNN features of pollen morphology can advance palynological analysis, enabling robust estimation of grass diversity and C 3 :C 4 ratio in ancient grassland ecosystems. Significance Although the pollen of most grass species are morphologically indistinguishable using traditional optical microscopy, we show that they can be differentiated through deep learning analyses of superresolution images. Abstracted morphological features derived from convolutional neural networks can be used to quantify the biological and physiological diversity of grass pollen assemblages, without a priori knowledge of the species present, and used to reconstruct past changes in the taxonomic diversity and relative abundance of C 4 grasses in ancient grasslands. This approach unlocks ecological information previously unattainable from the fossil pollen record and demonstrates that deep learning can solve some of the most intractable identification problems in the reconstruction of past vegetation dynamics.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,000
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,001
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Observationnel · Signal consensuel: Observationnel
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,013
Score d'incertitude au seuil0,025

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0000,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0000,000
Science ouverte0,0000,000
Intégrité de la recherche0,0000,000
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,016
Tête enseignante GPT0,218
Écart entre enseignants0,202 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeObservationnel
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations5
Publié2024
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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