Forscher entwickeln digitale Zwillinge der Biodiversität, um das Leben auf unserem Planeten zu modellieren

Biodiversität ist für die Prozesse, die alles Leben auf der Erde unterstützen, von entscheidender Bedeutung. Es stellt lebenswichtige Ressourcen wie Nahrung und Energie bereit und unterstützt die Gesundheit von Ökosystemen. Allerdings zerstören Klimawandel, Abholzung und Umweltverschmutzung Lebensräume, verändern Ökosysteme und eliminieren – oder bringen – Arten ein, die für die Biosphäre des Planeten von grundlegender Bedeutung sind.

Um den Herausforderungen zu begegnen, die durch Umweltveränderungen und menschliche Aktivitäten im Hinblick auf die Biodiversität entstehen, entwickelt ein Konsortium aus 22 Partnern unter der Leitung des CSC – IT Center for Science, das den Supercomputer EuroHPC LUMI beherbergt, im Rahmen der folgenden Vereinbarung Digital Twins for Biodiversity (BioDT). der Europäischen Kommission. Initiative.

Das BioDT-Projekt zielt darauf ab, unser Verständnis der Biodiversitätsdynamik durch die Integration fortschrittlicher Modellierungs-, Simulations- und Vorhersagefunktionen zu revolutionieren. Durch die Kombination und Verbesserung digital verfügbarer Daten und Modelle bietet BioDT Ansätze für das nachhaltige Management der Biodiversität und den Schutz von Ökosystemen. BioDT vereint Fachwissen in den Bereichen Biodiversität, ökologische Modellierung, FAIR-Daten, Hochleistungsrechnen und künstliche Intelligenz.

BioDT zielt darauf ab, die Genauigkeit und Vorhersageleistung von Biodiversitätsmodellen durch iterative Entwicklung und Validierung anhand unabhängiger Daten zu verbessern. Dieser Ansatz kann für die Entwicklung von Entscheidungsunterstützungsinstrumenten und die Politikentwicklung von entscheidender Bedeutung sein.

Durch die kontinuierliche Aktualisierung der Daten wird BioDT mithilfe interaktiver Karten und Zusammenfassungen Echtzeitvorhersagen zu Biodiversitätsmustern und -prozessen liefern. Um dieses Ziel zu erreichen, nutzt das Konsortium bestehende Technologien und Daten führender Forschungsinfrastrukturen (GBIF, eLTER, DiSSCo und LifeWatch ERIC).

Die Wirkung des Projekts erstreckt sich auf die Lösung kritischer Probleme, einschließlich der Auswirkungen von Umweltveränderungen auf Arten und Ökosysteme, Ernährungssicherheit und die Umsetzung europäischer und internationaler Richtlinien. Das Projekt trägt zu den nachhaltigen Entwicklungszielen 2 (Kein Hunger), 3 (Gesundheit und Wohlbefinden), 13 (Maßnahmen zum Klimaschutz) und 15 (Leben an Land) der Vereinten Nationen bei.

BioDT entwickelt einen Prototyp digitaler Zwillinge zum Schutz der biologischen Vielfalt

Um sein Modellierungssystem zu testen, entwickelt BioDT 10 Prototypen digitaler Zwillinge (pDTs), die sich auf Arten und Ökosysteme konzentrieren, die für den Schutz und die Politik von großer Bedeutung sind, wie invasive Arten, Bestäuber und Grasland.

pDTs werden in vier Hauptgruppen unterteilt:

• Reaktion von Arten auf Umweltveränderungen: Schwerpunkt auf Wechselwirkungen zwischen Arten und Ökosystemen. Durch die Einbeziehung zeitlicher Dynamik anstelle reiner Raum-Zeit-Substitutionen verbessert BioDT zeitliche Vorhersagen und Genauigkeit. Verschiedene Unsicherheitsquellen werden mithilfe umfangreicher geografischer Daten in Kombination mit hochauflösenden Zeitreihendaten in einem einzigen Modellierungsrahmen quantifiziert.
• Genetisch erfasste Biodiversität: Bewältigung der Ernährungssicherheit und rauer Umweltbedingungen durch Integration genomischer Methoden auf der Grundlage von DNA-Daten mit traditionellen Biodiversitätsdaten. Diese Zwillinge konzentrieren sich auf wildlebende Verwandte von Nutzpflanzen und andere genetische Ressourcen für die Landwirtschaft und Ernährungssicherheit sowie auf DNA-erfasste Artenvielfalt in wenig bekannten Lebensräumen.
• Dynamik bedenklicher Arten: Anwendung von Modellierung und Hochleistungsrechnen auf invasive und exotische Arten, die auf europäischer und nationaler Ebene anerkannt sind. Bei diesem Doppelprojekt geht es darum, aktuelle Daten zum Artenvorkommen zu nutzen und sich mit kritischen Umweltbedingungen und invasiven Auswirkungen auf einheimische Taxa und Ökosysteme auseinanderzusetzen.
• Einfluss von Arteninteraktionen: Vorhersage von Krankheitsausbrüchen mithilfe von Vektorarten und Untersuchung von Mustern und Prozessen bei Insektenbestäubern. Die Arbeit an Interaktionszwillingen beinhaltet die Weiterentwicklung von Datenaustauschmodellen und die Etablierung zeitlich historischer Bezugspunkte durch die Digitalisierung von Sammlungsexemplaren.

pDTs zielen darauf ab, wesentliche Datensätze, Best Practices, Fachwissen und gewonnene Erkenntnisse für Forscher und Forschungsinfrastrukturen bei der Umsetzung von Anwendungsfällen verfügbar und einsatzbereit zu machen und gleichzeitig nützliche Informationen bereitzustellen.

pDTs testen die Vorhersageleistung von Modellen und Datenverfügbarkeitsszenarien und wenden sie an, um Herausforderungen der biologischen Vielfalt durch Szenariosimulationen, Vorhersagen und Biomonitoring-Methoden zu bewältigen. Dieser iterative Ansatz zielt darauf ab, die Vorhersageleistung verschiedener Modellierungsansätze zu integrieren und zu vergleichen und so die Entwicklung von Prototypen der nächsten Generation anzuregen.

Aufbau digitaler Zwillinge für die Biodiversität: eine Sammlung wissenschaftlicher Artikel BioDT

Um die Entwicklung und Zuverlässigkeit digitaler Zwillinge der Biodiversität weiter voranzutreiben, hat das BioDT-Team zehn wissenschaftliche Artikel erstellt, die in der Ausgabe „Building Biodiversity Digital Twins“ des Open-Science-Journals zusammengestellt wurden. Forschungsideen und -ergebnisse (RIO).

„Die Sammlung bietet ein tiefgreifendes Verständnis der konzeptionellen und technischen Fortschritte, die bei der Entwicklung digitaler Zwillinge für ein breites Spektrum von Biodiversitätsthemen erzielt wurden. Durch das BioDT-Projekt ermöglichen wir einem breiten Publikum, Veränderungen der Biodiversität in Raum und Zeit interaktiv zu verstehen und vorherzusagen. “. erklärt Gabriela Zuquim, wissenschaftliche Koordinatorin am CSC für das BioDT-Projekt

Die Sammlung dient als zentraler Zugangspunkt zu den Ergebnissen der Projekte der BioDT-Initiative. Die Veröffentlichung eher unkonventioneller und nicht traditionell veröffentlichter Forschungsergebnisse ist tatsächlich eines der Alleinstellungsmerkmale der Open-Science-Zeitschrift RIO. Ein weiteres Merkmal ist die Möglichkeit, einzelne Publikationen den SDGs zuzuordnen, zu denen sie beitragen, was ihre Bedeutung zusätzlich hervorhebt.

Im Fall von BioDT ermöglichte RIO dem Projektteam, den Prozess der Prototypenerstellung digitaler Biodiversitätszwillinge in Form eines von Experten begutachteten wissenschaftlichen Artikels zu veranschaulichen und so langfristig deren Auffindbarkeit, Glaubwürdigkeit, Zitierbarkeit, Wiederverwendbarkeit und öffentlichen Charakter sicherzustellen. Verfügbarkeit.

Durch die Entscheidung für diesen transparenten Ansatz zur Weitergabe ihrer wissenschaftlichen Arbeit, die der strengen formellen wissenschaftlichen Überprüfung standgehalten hat, stellt das BioDT-Projekt sicher, dass zukünftige Wissenschaftler die von Forschern entwickelten Modelle, die Daten und die Schnitt- und Analyseergebnisse des Konsortiums besser und effektiver nutzen können. Edge-Technologien. Technologie.

In einer Veröffentlichung wird beispielsweise der digitale Prototyp HONEYBEE beschrieben. Der Prototyp wird nach fortlaufender Kalibrierung mit Landnutzungs- und Bienenstockgewichtsdaten die Dynamik der heimischen Bienenpopulationen, des Milbenbefalls und der Honigproduktion vorhersagen. Das Modell wurde auf der Grundlage eines zuvor entwickelten Modells entwickelt, das die Nahrungssuche eines einzelnen Bienenvolkes simulieren sollte.

Mithilfe des Prototyps des digitalen Zwillings können Benutzer das Modell interaktiv auf verschiedenen zeitlichen und geografischen Skalen anwenden, die von lokalen Standorten über ganze Regionen bis hin zur nationalen Ebene reichen. Somit kann es zu einem wesentlichen Instrument zur Bewertung der Lebensfähigkeit und Produktivität von Honigbienenvölkern in Deutschland werden, unabhängig von Landschaftsspezifität und Managementstrategien.

Unsere Vision ist, dass die Bewertung sogar unter Berücksichtigung unterschiedlicher Klimawandelszenarien durchgeführt werden kann. Die Veröffentlichung bietet auch Richtlinien für potenzielle Benutzer des Prototyps.

Die Autoren des Artikels unter der Leitung von Dr. Jürgen Groeneveld (Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ, Deutschland) erinnern daran, dass Honigbienen zwar „eine verwaltete Art sind, aber stark vom Klimawandel, Parasiten und neu auftretenden Krankheiten sowie modernen Agrarflächen betroffen sind“. möglicherweise unangemessene Imkereipraktiken“, während besorgniserregende Daten zu Trends in Europa und den Vereinigten Staaten zitiert werden.

Ebenso befassen sich andere bereits in der Sammlung verfügbare Veröffentlichungen mit ebenso entscheidenden und drängenden Themen mit globalen Auswirkungen, darunter Krankheitsausbrüche, Pflanzenmanagement, invasive Arten, Vogel- und Vegetationsdynamik.

„Die Dokumentensammlung des Building Biodiversity Digital Twins-Projekts entsprach perfekt unseren Anforderungen“, sagte Dmitry Schigel, wissenschaftlicher Mitarbeiter des GBIF und koordinierender Chefredakteur der Sammlung. „Das Projektteam einigte sich darauf, die Projektiterationen zu erfassen und unsere Prototypen nach zwei Dritteln der Laufzeit des Projekts zu enthüllen, wobei noch ein Jahr vor uns liegt.

Die innovative Plattform von Pensoft RIO Das bereitgestellte Tagebuch ermöglicht es uns, unsere Fortschritte in einem weniger formellen, aber dennoch von Experten begutachteten Rahmen zu beschreiben. Dank der effizienten Arbeit der Teams aus Autoren, Gutachtern und Mitherausgebern konnte diese Sonderausgabe schnell geschrieben werden und ermöglicht es unseren Prototypen-Digital-Twin-Teams nun, Kommentare eines breiteren Publikums zu gewinnen und zu verarbeiten.