La bióloga Emma Kelsey escala Green Rock, al norte de California, para recuperar un sensor de monitoreo acústico. Estuvo grabando durante seis meses como parte de un proyecto con Paíños Cenicientos. Foto: Jim McAuley

Tecnología

Enigmáticas aves marinas pueden esconderse de esta científica, pero no de su red de espías

Gracias al monitoreo acústico y un aprendizaje automático, los investigadores han logrado un mayor discernimiento de los Paíños Cenicientos. Es uno de los modos en que la inteligencia artificial puede abordar desafíos de conservación apremiantes.

Una vez en la costa, el aterrizaje se escucha fuerte y claro. Al llegar a Green Rock, en esta mañana tempestuosa a fines de septiembre, Jonathan Felis apunta el Zodiac hacia la isla, lo hace chocar ligeramente y la persona preparada en la proa saltará a tierra firme. “Es una cuestión de sincronización”, nos cuenta. Golpe. Y salto.

Después de atravesar cuatro millas al norte a través de olas que golpean salvajes la costa del norte de California, vemos los increíbles acantilados de la isla. De repente, la noción de golpe-y-salto parece realmente desalentadora. El bote inflable se eleva y cae seis pies por debajo del punto de desembarco: una superficie resbalosa cubierta de percebe que supuestamente es ideal para lanzarse desde este bote diminuto y tambaleante. A Emma Kelsey no parece desconcertada; en una de las subidas, salta con la gracia de una gimnasia y logra caer parada. A continuación salto yo, sosteniéndome de donde puedo, y arrastrándome hacia la tierra firme. El fotógrafo, Jim McAuley, con el equipo en su espalda, salta último. Golpea la parte inferior de la roca y se desliza ligeramente, incapaz de lograrlo. Cae hacia el agua.

Mientras yo intento no reírme, Felis y Kelsey, científicos del Departamento de Estudios Geológicos de Estados Unidos, responden de manera profesional. Es, después de todo, una operación gubernamental, todos llevamos chalecos salvavidas y ambos nos habían preparado para esta situación y otras peores (“si todos caen por la borda...”). Mientras McAuley se inclina a buscarlo, Kelsey grita las instrucciones. Segundos después, Felis lo saca del Océano Pacífico, empapado pero sano y salvo. “Creo que sacaré fotos de la isla desde el bote”, dice McAuley.

Uno menos. La sigo a Kelsey hasta un hueco que se encuentra sobre nuestro punto de desembarco, pasando por nidos vacíos de cormoranes y pisando los restos disecados de polluelos de Arao Común. Después de husmear un poco, Kelsey grita “¡lo tengo!”. Está agachada frente a una caja pequeña cubierta de guano que contiene un sensor acústico, un dispositivo que ha registrado desde que se colocó aquí, en el mes de marzo miles de horas de llamados de aves, lobos marinos y olas rompiendo contra las orillas.

Durante seis meses, cada noche que estuvo ausente en Green Rock, el aparato registró un minuto de sonido de cada cinco. Entre la cacofonía registrada, los biólogos se interesaron en un único sonido en particular: el llamado de los Paíños Cenicientos, aves nocturnas, del tamaño de un vaso de 50 cl, que se encuentran únicamente en aguas del centro de California al norte de México.

Los Paíños Cenicientos son algunas de las aves más difíciles de estudiar. Foto: Jim McAuley

Los paíños son aves resistentes pero vulnerables frente a diferentes amenazas, incluida la depredación de ratas y gaviotas en sus sitios de reproducción de la isla y los derrames de petróleo de los pozos de altamar de la costa sur. Y en los próximos años, el cambio climático podría afectarlas mucho; el aumento de la temperatura y la acidificación de los océanos podrían disminuir la cantidad de crustáceos (sus presas), y el incremento en el nivel del mar amenaza con inundar sus nidos. Un control más de cerca de la salud de las aves no solo ayudaría a su conservación sino que, como sus vidas están tan ligadas al mar, también ayudaría a que los científicos hagan un seguimiento sobre cómo cambia esta franja del Océano Pacífico. ¿El único problema? Los Paíños Cenicientos son algunas de las aves más difíciles de estudiar.

Por eso se necesitan sensores. Kelsey y Felis se encuentran en un viaje de varias semanas para recolectar los dispositivos que instalaron en 22 de 20,000 afloramientos del Monumento Nacional Costero de California, aguas protegidas a lo largo de las 1,100 millas de costa del estado.

Dentro de los archivos de sonido hay información con respecto a la ubicación de los Paíños Cenicientos y, a veces, a la cantidad que hay en ciertos sitios. Si los científicos pueden filtrar el ruido e identificar a los Paíños, con el paso del tiempo podrán detectar mejor los cambios, como aquellos en los sitios de reproducción o incluso si una colonia colapsa. El desafío es identificar los llamados de las aves entre miles de horas de clamor, y luego traducir esa información en cifras que estimen la cantidad de ejemplares. Es el tipo de tarea hercúlea con la que un estudiante de posgrado podría mantenerse ocupado durante años. Esperan que una computadora pueda hacerlo en una fracción de ese tiempo.

Los Paíños Cenicientos pasan la mayor parte de sus vidas en las aguas frescas y abiertas de California, consumiendo pequeños organismos que emergen a la superficie. Sus nidos terrestres, en grietas de las isletas y en algunas cuevas en acantilados, son difíciles de acceder, como ya comprobamos. Y solo salen por la noche. Los conteos visuales por aire y agua de colonias reproductivas, el “estándar de oro” para los estudios de aves marinas, no sirven para nada. Para contabilizar las colonias de Paíños, los biólogos tienen que acercarse a las rocas para buscarlos. Nadie sabe si las aves se reproducen en Green Rock, por ejemplo. No es muy probable porque el área se encuentra al norte de su zona de distribución conocida, pero los sensores podrían revelar si se han desplazado hacia la costa. Antes de nuestra llegada, la isla no había sido investigada en más de cinco años.

En su intento de monitorear a las aves, Kelsey y Felis siguen los pasos firmes de Harry Carter, un biólogo que registró isleta tras isleta durante tres décadas en busca de colonias de reproducción. Carter murió en 2017 pero dejó registros detallados de cada sitio donde confirmó o sospechaba que había nidos de hidrobátidos. (Y, por suerte, notas sobre como desembarcar).

Este abordaje minucioso ayudó a develar la zona de distribución de las aves y, junto con estudios de aves capturadas y luego liberadas en dos de las colonias de reproducción más grandes, proporcionó un diagrama general del movimiento y la población de la especie. Sin embargo, y a pesar de todos los esfuerzos, los científicos aún no cuentan con una forma más efectiva para descifrar si la población de Paíños (estimada alrededor de 10,000 especímenes) está cambiando ni cuál es la cifra real.

Matthew McKown, CEO de Conservation Metrics, Inc., una empresa que logró evolucionar el uso de inteligencia artificial para utilizarla en proyectos de monitoreo acústico como el proyecto de los Paíños Cenicientos. Foto: Jim McAuley

“Se podría decir ‘bueno, sigamos financiando el abordaje de Harry. Tipos que saltan sobre rocas resbalosas desde pequeños botes de goma’”, dice Matthew McKown, ecologista y cofundador de Conservation Metrics, una empresa que brinda tecnologías automatizadas para el control de vida silvestre. “Diría que, si piensas estar ahí, deja este dispositivo para poder entender qué sucede el resto de la temporada, no solo cuando tú estás allí”.

Hace tiempo que el monitoreo acústico se utiliza para determinar si una especie específica de murciélagos o aves se encuentran en el lugar. Cada especie tiene vocalizaciones únicas, y tradicionalmente los científicos diferenciaban los llamados ‘de oído’ a partir de los registros, o utilizaban software para transformar los sonidos en espectrogramas (imágenes de frecuencias de sonido) que analizaban en forma manual para establecer el llamado distintivo de las especies que seguían.

Con el proyecto de los hidrobátidos, los científicos buscan llevar el análisis acústico a otro nivel utilizando una herramienta cada vez más poderosa: la inteligencia artificial (IA). Impulsadas por los avances en potencia de procesamiento y aprendizaje automático, hoy en día las computadoras analizan una enorme cantidad de datos para automatizar tareas que los científicos siempre han hecho en forma manual, o que no habían podido hacer antes. Con las mismas herramientas de IA de Alexa, la asistente de Amazon, la tecnología de reconocimiento facial de Facebook, y los coches autónomos de Google, los científicos han logrado acelerar y escalar los estudios sobre población animal y mejorar las técnicas de protección de vida silvestre. Las computadoras, por ejemplo, ahora pueden reconocer y contar especímenes individuales en fotografías y resguardar especies en peligro de extinción al predecir dónde pueden atacarlas los cazadores furtivos. 

En el caso de los Paíños, combinar el monitoreo acústico con inteligencia artificial implica que las intrépidas excursiones que los científicos realizan hace tanto tiempo no solo servirán para brindar un mínimo de información de ese momento específico. Se podrá recabar información inusitada durante todas las temporadas de reproducción sobre cómo las aves (y, por ende, el ecosistema marino) se distribuyen.

Sin embargo, para lograrlo, McKown debe primero probarle a la Oficina de Administración de Tierras, que supervisa el monumento, al Departamento de Estudios Geológicos y a otras agencias que gestionan las poblaciones de Paíños Cenicientos y sus hábitats, que la tecnología que utiliza puede identificar en forma confiable los llamados de aves, sin confundir el sonido de un Paíño Ceniciento con el de, por ejemplo, las otras cinco especies de hidrobátidos que se encuentran habitualmente en las aguas de California. Y esa es toda una hazaña. Aún hoy, la más avanzada IA tiene sus límites; tanto Alexa, de Amazon, como Siri, de Apple, no siempre nos entienden perfectamente.

F

elis y Kelsey entregaron los sensores acústicos cubiertos de guano de la primera temporada a Conservation Metrics a fines de 2017. “No los lavan”, me dice McKown al verano siguiente, cuando visito las oficinas de la empresa: unos remolques en el campus de Ciencias Costeras de la Universidad de California, en Santa Cruz. Allí, McKown y su pequeño grupo de analistas con camisetas y franelas me guían a través del proceso por el cual transforman grabaciones en mapas en donde marcan dónde hay Paíños Cenicientos.

Primero se comprimen los archivos de audio y se los convierte en medio millón de ventanas de espectrogramas, imágenes que representan un fragmento de unos dos segundos de sonido. Luego su algoritmo (pasos utilizados para ‘capacitar’ a una computadora para identificar los llamados de aves) comienza a actuar. Podrían haber diseñado un algoritmo simple para identificar solo los llamados de Paíños Cenicientos, pero para mejorar la precisión, desarrollaron uno más complejo que busca diferenciar los llamados de 14 especies comunes en la región, incluidos los chirridos del Paíño Ceniciento, el canto melodioso del Paíño Boreal y los alaridos de las Gaviotas Occidentales. A medida que el modelo criba a través de los espectrogramas, aprende los llamados distintivos únicos de cada especie y realiza deducciones más precisas. “En vez de decirnos si es o no un Paíño Ceniciento, puede decidir que en realidad es un Paíño Boreal”, explica McKown.

“Analizar la información acústica de 2017 (8,796 horas, más de un año de trabajo) le llevó a su ‘elegante centro de datos’ un par de días”, dice McKown. (Se refiere al armario de un baño. Al principio, cuando vi un letrero de advertencia que indicaba mantener las puertas del armario cerradas en todo momento, me pregunté por qué serían tan cuidadosos con sus artículos de limpieza). La analista Kerry Dunleavy luego pasó tres semanas validando de forma meticulosa los resultados, y observando los espectrogramas de los supuestos paíños para comprobar que el modelo estuviera bien.

Cuando terminó, su equipo se alegró de saber que el modelo había detectado en forma precisa Paíños Cenicientos y otros hidrobátidos en los mismos puntos que Carter mencionaba. En el puñado de sitios al norte de la zona de distribución conocida de los Paíños Cenicientos, incluido Green Rock, detectó Paíños Boreales pero ningún Ceniciento. Además, en algunos lugares en donde Carter y sus colegas habían encontrado evidencia de algún tipo de hidrobátido, como cáscaras de huevos o plumas, pero ningún ave, el modelo logró nombrar especies específicas.

A nadie le sorprendió que el modelo no mostrara una colonia de reproducción de Paíños Cenicientos desaparecida hace tiempo. “Su zona de distribución está muy bien descrita”, dice Josh Adams, un biólogo del Departamento de Estudios Geológicos que estudia estas especies desde hace más de 20 años. “No hay ninguna misteriosa isla llena de Paíños perdida por ahí”. De todas formas, el objetivo no era ubicar una nueva colonia; la idea fue siempre determinar si los sensores acústicos con IA podrían identificar las especies. Y sí pueden.

Pero para que este abordaje de resultado, debe permitirles a los científicos analizar tendencias, dice Adams. El equipo de McKown ha demostrado que las grabadoras pueden revelar si hay Paíños presentes, y cuándo. El próximo desafío es utilizar los datos para identificar cuántos individuos hay en cada sitio. Eso podría revelar no solo tendencias poblacionales generales sino también si ciertas colonias están disminuyendo, lo cual sería un posible indicador de escasez de comida, aumento de la depredación y otras amenazas incipientes. La IA no puede dar ese paso sola; necesita información del tradicional trabajo de campo.

El

mejor momento para captar paíños es durante la fase oscura de la luna, cuando la fina capa de redes de niebla en la que los biólogos los atrapan resulta menos visible. Los mejores lugares para ir son las dos colonias de reproducción principales: los Farallones, en la costa de San Francisco, y las Islas del Canal, a unas 30 millas de Santa Bárbara. Estas búsquedas nocturnas fundamentan las estimaciones poblacionales de las especies existentes.

En junio, McAuley y yo acompañamos a Kelsey al campo una vez más. Estamos 600 millas al sur de Green Rock, acompañados por Adams, su jefe, durante tres noche en Prince, una isleta entre las Islas del Canal donde los investigadores han estado recuperando Paíños de redes de niebla desde los años 70.

La parte de golpear y saltar sobre una roca plana es la parte fácil de la excursión a este paisaje de 35 acres. El único punto nivelado sirve como cocina durante el día y es la cama de Kelsey por la noche. Adams, que pasó cinco veranos colocando redes de niebla para los Paíños en Prince por el año 2000, se enrolla alrededor de una roca favorita para dormir. McAuley y yo colgamos hamacas de otras rocas.

La isla es más afable con las aves que con los humanos. Están en todos lados, y el olor punzante a amoníaco del guano inunda el aire. Los cormoranes dominan uno de los extremos; y los Mérgulos Sombríos tienen un complejo de madrigueras al otro lado. Los Ostreros Negros Norteamericanos adultos chillan desenfrenados mientras lavamos platos en el punto de desembarco, y sus polluelos intrépidos se pasean entre las rocas. Las Gaviotas Occidentales representan una amenaza más seria. Varios nidifican cerca de nuestra área sanitaria designada, obligándonos a agacharnos y cubrirnos mientras hacemos nuestras cosas para alejarnos de los adultos que caen volando en picada.

El trabajo comienza cuando cae el sol. Con café recién hecho, a las 9 de la noche Adams y Kelsey desenrollan la red, colocan el dispositivo acústico y comienzan a reproducir una grabación de llamados de vuelo de Paíños Cenicientos. Al cabo de 20 minutos, las aves atraídas por los llamados comienzan a enredarse en la malla. Adams y Kelsey las toman con destreza y les colocan bandas, les miden el pico y las alas, y las liberan. A las 2 de la mañana, detienen la grabación. En tres noches como esta, logran atrapar 78 Paíños Cenicientos.

“Para determinar la abundancia relativa de aves en estos sitios, los biólogos utilizan una métrica llamada ‘capturas por unidad de esfuerzo’ (CPUE, por sus siglas en inglés): en este caso, la cantidad de Paíños Cenicientos atrapados en las cinco horas posteriores al atardecer”, explica Adams. Las CPUE han sido durante mucho tiempo la única técnica para rastrear cambios con respecto a su abundancia en islas.

Ahora el equipo de McKown está intentando deducir la cantidad de aves que hay en Prince según los índices de llamados registrados por los sensores. Luego compararán los resultados del algoritmo con la cifra generada por la fórmulas de las CPUE para ver si ambas medidas coinciden. “Si hay una correlación, es decir, si las capturas por unidad de esfuerzo se relacionan con los tipos de llamados, potencialmente, podríamos utilizar los índices de llamados como una herramienta de monitoreo”, dice Adams. 

En otras palabras, si tienen éxito, lograrán rastrear cambios en la cantidad de aves que hay en cualquier lugar en el que haya un sensor acústico, y no será solo cuestión de seguir colocando redes de niebla. Si solo tuvieran que colocar y retirar sensores al comienzo y al final de las temporadas de reproducción, podrían expandir el monitoreo y mejorar las advertencias tempranas de cambios en el estado de salud general de las especies. “Comprender mejor el tamaño de la población sería valiosísimo”, dice David Mazurkiewicz, biólogo de vida silvestre del Parque Nacional de las Islas del Canal.

En Prince, todos están agotados cuando cerramos las redes la primera noche. Nos desmayamos en pocos minutos. Todos menos McAuley. Cuando se recuesta en su hamaca, la parte inferior se raspa contra una roca y se rompe, dejándolo en el suelo.

El

servidor de Conservation Metrics recoge información pero no solo para este proyecto. Los analistas también identifican las vocalizaciones, y a partir de estas, su zona de distribución, de Pericos Nocturnos, unas aves australianas que se creían extintas hasta que se redescubrió una en 2006. Con fotos de cámaras trampas, detectan felinos y ratas que se alimentan de aves marinas nidificando. Están trabajando con la Universidad de Cornell para mapear los desplazamientos de elefantes en el Congo considerando la reacción de estos mamíferos en peligro de extinción a las prácticas forestales.

La empresa no está sola en este esfuerzo; hay incontables grupos de académicos, empresas emergentes y organizaciones sin fines de lucro utilizando IA para fines conservacionistas. Investigadores de la Universidad de Rice, por ejemplo, utilizan IA para predecir patrones de clima extremo, algo que podría ayudar a los distintos gobiernos a prepararse mejor en caso de huracanes y olas de calor. También existe Wildbook, el equivalente del mundo animal de Facebook que distingue cebras individuales por sus rayas y a los tiburones ballena por los patrones de su piel. Y Audubon está explorando para ver si la IA podría mejorar la precisión y el alcance de los estudios de aves, e identificar las necesidades de restauración posteriores a los desastres naturales.

Las computadoras pueden diferenciar los llamados de los Paíños Cenicientos (arriba) de los de los Paíños Boreales al comparar espectrogramas que surgen como resultado de miles de horas de grabación. Gráficos: Cortesía de Conservation Metrics

“IA es un término de moda”, dice Fei Fang, un científico informático de la Universidad de Carnegie Mellon que trabaja en el proyecto PAWS, un esfuerzo para predecir las ubicaciones de los cazadores furtivos y optimizar el cumplimiento de las rutas de vigilancia. Es tecnología que no siempre se usa para el bien y no está a la altura del despliegue publicitario que se le hace en todos los casos, destaca. Pero en el ámbito de la conservación, donde los recursos humanos son limitados y las geografías lejanas, cree que la publicidad dice la verdad: “Puede ayudar a abordar los desafíos más importantes a los que nos enfrentamos”.

En toda esta labor, procesar enormes cantidades de datos es uno de los mayores problemas. Conservation Metrics ha estado intentando superar esa limitación. “Cuando comenzamos, en 2012, un proyecto tenía cien giga-bytes o menos”, cuenta McKown. “Ahora tenemos proyectos de 100 terabytes de datos al año. Estamos en un punto límite”.

Tomemos su proyecto del elefante del Congo, que cuenta con grabaciones de 52 sensores que funcionan 24 horas al día. El único servidor de la empresa necesita tres semanas para analizar tres meses de datos. “Es un cuello de botella”, se resigna.

Para muchos de los investigadores que trabajan con IA, una colaboración más estrecha con empresas de tecnología podrían mejorar drásticamente la situación. El programa de Microsoft AI for Earth, que comenzó en 2017 y costó $50 millones, recientemente le otorgó a la empresa de McKown una beca, y Google lanzó su propio programa de $25 millones el año pasado. “Intentamos trasladar el armario del baño a la nube”, dice McKown. Su equipo comenzó a realizar pruebas piloto de este abordaje con la plataforma de computación en nube de Microsoft en enero. El esfuerzo redujo el análisis de datos de los elefantes de 22 días a 15 horas.

AI for Earth ha financiado más de 200 proyectos en cuatro áreas: biodiversidad, cambio climático, agricultura y agua. Su objetivo es que resulte más fácil para investigadores que no tienen mucho tiempo o dinero almacenar, gestionar y analizar una enorme cantidad de información ecológica y medioambiental, para tomar mejores decisiones en materia de conservación. La visión es establecer modelos de primera categoría creados por los becarios (y sus conjuntos de datos) en la nube y brindar acceso público para que cualquiera lo utilice. Así que un grupo al otro lado del mundo podría, por ejemplo, utilizar el código básico de base de los modelos de hidrobátidos para identificador llamados de otras especies.

“No todos los laboratorios ni grupos conservacionistas van a crear sus propios modelos de IA”, dice Bonnie Lei, gerente del proyecto AI for Earth y antigua investigadora de pingüinos. “Esto sigue una visión de un acceso verdaderamente democratizado y muy fácil de usar”, dice. “Y si todo sale bien, realmente moverá la aguja conservacionista.

La

inteligencia artificial puede estar transformándose en una herramienta de conservación indispensable, pero no va a reemplazar a los humanos. “Estamos intentando aumentar el peso y el poder de observación de los Harry Carters del mundo”, dice McKown. “Esto no podría reemplazarlos”.

Desembarco en Prince Island. Foto: Jim McAuley

Aún necesitamos guardas en los terrenos de Uganda para detener y atrapar a los cazadores furtivos, y científicos comunitarios que suban fotos que son claves para Wildbook y otros proyectos de monitoreo de origen popular. También necesitamos investigadores intrépidos como Kelsey y Felis que visiten ambientes hostiles, sabiendo sobre qué roca exacta saltar para acceder a los sitios de reproducción y colocar dispositivos acústicos y continuar tendiendo redes de niebla para recolectar datos sobre la edad y el estado de salud del ave, algo que un sensor acústico no puede capturar.

El estudio sobre los Paíños Cenicientos terminó el año pasado, pero Kelsey quizás regrese pronto en el Zodiac, chocando y saltando para dejar aún más sensores en la Costa Oeste. Este invierno, McKown compartió el éxito de su equipo al detectar de manera confiable hidrobátidos con un grupo multi-agencia actualmente desarrollando el primer plan de gestión de Paíños Cenicientos en toda su zona de distribución.

Los protocolos exactos, incluidos cuántos y qué tipo de sensores acústicos se colocarían y dónde, aún no se han delineado. Si se adoptan estas herramientas, podrían crear una red que recolecte información sobre los Paíños Cenicientos y otros hidrobátidos, mérgulos y álcidos que comparten el terreno de reproducción.

Con esa información, los científicos podrían ganar conocimientos valiosos sobre cómo algunas de las aves más enigmáticas del mundo están desapareciendo sin que las aves noten que estuvieron allí. Y si algún día las cambiantes condiciones empujan a los Paíños Cenicientos al norte de Green Rock, lo sabrán.

Este artículo se publicó originalmente en el ejemplar de primavera de 2019 como “Cryptic Seabirds Can Hide From This Scientist—But Not the Spy Network She Leaves Behind" (Enigmáticas aves marinas pueden esconderse de esta científica, pero no de su red de espías). Para recibir la revista impresa, hágase miembro hoy mismo realizando una donación.

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Bald Eagle. Photo: Don Berman/Audubon Photography Awards

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