Deep learning of fossil pollen morphology reveals 25,000 years of ecological change in East African grasslands
Notice bibliographique
Résumé
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.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi 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.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
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.
score_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 découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».