Les mystères de la musique de l'océan : Déchiffrer les sons des baleines à l'aide de l'IA pour mieux comprendre les écosystèmes sous-marins

En tant qu'êtres humains, nous avons tendance à concentrer notre attention sur ce que nous pouvons voir. Mais à travers la vaste noirceur de l'océan, ce que nous pouvons entendre peut être beaucoup plus important. On sait que les rorquals bleus peuvent communiquer sur des distances de plus de 200 km sous l'eau, pour ne donner qu'un exemple. Et avec le plus long littoral du monde, les scientifiques canadiens ont du pain sur la planche pour élucider les mystères de l'océan.

Il n'est peut-être pas surprenant que la plupart des recherches et des sujets d'intérêt portent sur les zones côtières marines, où les activités humaines comme la pêche, le tourisme et la navigation de plaisance sont plus probables, pendant que les grands navires commerciaux parcourent des distances impressionnantes d'un océan à l'autre. Les zones côtières nous semblent être celles où les activités humaines sont les plus susceptibles d'avoir des effets sur la vie marine. Cependant, les collisions de navires avec des mammifères marins comme les baleines peuvent se produire partout et demeurent un problème constant pour les navigateurs.

Mais que se passe-t-il lorsque ces baleines s'éloignent au-delà de ce que nous pouvons voir? La réalité, c'est que nous ne disposons pas de suffisamment d'information pour bien comprendre ce qui se passe sous la surface de la majeure partie de l'océan, et que nous savons relativement peu de choses sur les interactions entre les baleines et les navires dans les zones côtières extérieures.

M. Harald Yurk est un écologiste évolutionnaire de Pêches et Océans Canada, dont les travaux sont axés sur la bioacoustique animale – plus précisément, l'utilisation des sons produits par les animaux marins pour détecter et suivre leurs mouvements et en apprendre davantage sur leurs comportements. Son équipe utilise ce qu'on appelle la surveillance acoustique passive, ou SAP, pour détecter les cris des baleines et comprendre leur mouvements. Cette approche lui permet de surveiller bien au-delà des quelque 12 milles marins où la plupart des activités humaines ont généralement lieu.

En pratique, les sons d'animaux et les autres sons océaniques sont enregistrés par des dispositifs montés sur des amarrages – essentiellement des appareils d'enregistrement audionumériques posés sur le fond de l'océan – qui sont déployés pour créer un réseau d'enregistrement qui peut aider à dresser un tableau d'un paysage sonore sous-marin donné. Les sons enregistrés sont ensuite utilisés pour créer des spectrogrammes, ou images du son, en fonction des changements de fréquence et d'amplitude dans le temps.

Naturellement, nos océans peuvent être des endroits très fréquentés, remplis de toute une gamme de sons que les chercheurs doivent filtrer pour trouver et identifier les appels et les chants des baleines. Avec l'aide de l'apprentissage automatique fondé sur l'intelligence artificielle, il est possible d'isoler du mélange les sons des baleines et de les catégoriser en conséquence.

Mais il ne suffit pas de savoir où se trouvent les baleines. Nous devons également comprendre comment et pourquoi elles se comportent comme elles le font, afin de mieux comprendre où elles pourraient aller à l'avenir.

« Nous oublions parfois que la majeure partie du monde sous-marin de nos océans est un territoire relativement inconnu pour ce qui est de notre compréhension des fonctions et des interactions des divers écosystèmes océaniques », souligne Harald Yurk. « En ce qui concerne les baleines et l'atténuation des impacts négatifs potentiels des interactions humaines, nous devons pour commencer être en mesure de comprendre comment elles utilisent les espaces qu'elles occupent. Par exemple, combien de temps une baleine ou un groupe de baleines restera-t-il dans une zone donnée, pendant une saison donnée? Et comment, pourquoi et quand se déplacent-elles d'une région à l'autre? »

Tout comme la musique se distingue généralement des autres sons par la présence de structures harmoniques discrètes, l'identification des sons des baleines nous aide à apporter connaissance et compréhension à une cacophonie de bruits sous-marins. Et comprendre comment les baleines se comportent dans des endroits où nous ne pouvons pas les voir peut nous en apprendre beaucoup sur leurs comportements, ce qui peut alors nous aider à mieux comprendre leurs besoins et ainsi à coexister de façon respectueuse.

Sons, chant et langage

Harald Yurk croit que la musique a peut-être évolué avant le langage, ce qui pourrait aider à expliquer pourquoi les êtres humains ont tendance à se fier autant aux signaux non verbaux. Souvent, on peut comprendre des choses qu'on ne peut pas vraiment expliquer par des mots.

Par exemple, on peut entendre une chanson qui nous « fait chaud au cœur », sans nécessairement pouvoir expliquer pourquoi. De même, lorsque Harald Yurk écoute des enregistrements de baleines, il peut généralement dire lesquels proviennent d'un épaulard (aussi appelé orque) qui mange d'autres mammifères plutôt que d'un autre qui mange des poissons. Ces deux écotypes d'épaulards n'interagissent généralement pas entre eux parce qu'ils appartiennent à des cultures différentes, pour ainsi dire, et les types de sons qu'ils produisent sont différents. Il est intéressant de noter que ces différences de comportement et de préférences alimentaires chez les épaulards, qui leur permettent de vivre dans les mêmes régions sans se faire concurrence pour la nourriture, expliquent en grande partie pourquoi les épaulards sont la deuxième espèce la plus largement répartie sur la planète Terre!

(Au cas où vous ne l'auriez pas déjà deviné, c'est l'humain qui présente la plus grande aire de répartition, pour des raisons semblables. Par exemple, notre capacité à varier nos cultures vocales, nos préférences alimentaires et nos stratégies de quête de nourriture nous permet de vivre dans de nombreux endroits et types d'environnements différents.)

« Les épaulards résidents mangent des poissons et peuvent être très vocaux et bruyants », explique Holly Leblond, informaticienne qui aide à analyser les sons des baleines dans l'équipe de Harald Yurk. « Pour leur part, les épaulards migrateurs se nourrissent d'autres mammifères et ont tendance à être moins vocaux, peut-être pour des raisons évidentes, c'est-à-dire qu'ils ne veulent pas avertir leurs proies trop à l'avance. »

Tout comme une chanson peut nous « faire chaud au cœur » pour des raisons qui demeurent obscures, les sons des baleines peuvent être intégrés aux systèmes d'apprentissage automatique et identifiés avec une exactitude raisonnablement élevée, même en l'absence de marqueurs de délimitation clairement définis. Ce genre de divergence fait partie de ce qui rend la recherche récente sur l'intelligence artificielle si fascinante.

« Nous pouvons entrer certains sons de baleines dans nos systèmes d'IA d'apprentissage profond, et ils peuvent nous indiquer de quel type de baleines il s'agit, sans être en mesure d'expliquer comment ils sont capables de les distinguer. Les mystères que nous essayons de percer demeurent théoriquement insaisissables, même si nous disposons maintenant d'outils qui peuvent nous aider de façon très pratique dans certains contextes. »

C'est là le cœur du travail effectué par Harald Yurk et son équipe. Ce n'est qu'une fois qu'ils comprennent le « pourquoi » qu'ils peuvent découvrir ce qui est vraiment important pour les baleines, notamment les effets que les activités humaines ont sur elles et de quelle façon. En d'autres termes, l'intelligence artificielle peut nous aider à distinguer les différences, mais tant que nous ne comprendrons pas les significations profondes, nous continuerons à ignorer ce qui se passe réellement dans l'esprit d'une baleine.

« Notre point de départ est toujours le suivant : Je ne sais pas pourquoi les animaux font ce qu'ils font. À partir de là, nous élaborons une hypothèse fondée sur ce que nous avons appris d'autres espèces et sur nos observations. Ensuite, nous recueillons des données, nous les analysons et nous essayons de mieux comprendre pourquoi cet animal se comporte comme il le fait au moment et à l'endroit où il est trouvé », résume Harald Yurk.

« Ne pas savoir n'est pas une mauvaise chose, car c'est là que la découverte commence », souligne-t-il. « En apprenant davantage de choses sur ce que nous ne comprenons pas, nous pouvons mieux vivre ensemble. »