In einer wärmeren Welt ist die Hälfte aller Arten unterwegs. Wohin gehen Sie?

Von den tiefsten Ozeanen bis zu den höchsten Bergen hat der vom Menschen verursachte Klimawandel tiefgreifende Auswirkungen auf Tiere und Pflanzen auf der ganzen Welt, wobei viele Arten durch steigende Temperaturen an den Rand des Aussterbens gedrängt werden.

Von Bären über Elche bis hin zu Luchsen und sogar Eichhörnchen und Fröschen verlassen Tiere ihre Heimat auf der Suche nach kühleren Klimazonen, während sich der Planet erwärmt. Tatsächlich sind etwa die Hälfte der weltweit 4.000 Arten unterwegs, wobei viele nach Norden in höhere Breiten wandern.

Für Ökologen und Naturschützer ist es von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie sich die lebensfähigen Lebensräume dieser Arten im Kontext eines sich schnell verändernden Klimas ausdehnen und zusammenziehen. Daher wird die Modellierung der Artenverteilung häufig verwendet, um Migrationsgewohnheiten und geeignete Lebensräume für Arten unter verschiedenen Umweltbedingungen vorherzusagen.

Aktuelle Modelle können jedoch zu ungenauen und zu optimistischen Ergebnissen führen, weil sie eine Schlüsselfrage nicht berücksichtigen: Kann eine Art realistischerweise ein geeignetes Klima erreichen, bevor es zu spät ist?

Nicht alle Umgebungen sind für jede Art geeignet, und Tiere bewegen und wandern je nach einer Reihe von Faktoren wie Mobilität, Fortpflanzungsfähigkeit oder Landschaftsmerkmalen unterschiedlich schnell. In der Ökologie ist dies als Ausbreitungsgrenze oder -beschränkung bekannt.

„Wenn wir über die Auswirkungen des Klimawandels auf den Lebensraum von Arten nachdenken, müssen wir uns fragen: Wo können die Arten in Zukunft unter dem Klimawandel leben, aber noch wichtiger, können sie dorthin gelangen?“ sagte Bistra Dilkina, außerordentliche Professorin für Informatik an der USC und Co-Direktorin des Zentrums für künstliche Intelligenz in der Gesellschaft der USC.

„Wir müssen Erhaltungsprioritäten dynamisch und genau bewerten, und es ist sehr wichtig, die richtigen Werkzeuge zu bekommen, um zukünftige Bedenken zu verstehen.“

Aus diesem Grund hat sich Dilkina mit den Biogeographen Jenny McGuire, einer Assistenzprofessorin, und Ben Shipley, einem Ph.D. Kandidat, um MegaSDM zu entwickeln, das erste Modellierungstool, das Ausbreitungsgrenzen für viele Arten, Klimamodelle und Zeiträume gleichzeitig berücksichtigt.

Wenn eine Liste von Arten und Umweltdaten bereitgestellt wird, erstellt das Modell eine Reihe von Karten, die veranschaulichen, wie sich Arten im Laufe der Zeit in verschiedenen Szenarien unter dem Klimawandel bewegen.

Eine Verschiebung nach Norden

In einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung modellierte das Team die Verbreitung von 165 nordamerikanischen Säugetieren im Jahr 2010 und projizierte sie auf 2050 und 2070 unter zwei Szenarien: mit Ausbreitungsgrenzen und ohne. Sie fanden einen vorhersehbaren Rückgang des gesamten Artenreichtums von 2010 bis 2070 in ganz Nordamerika und eine kleine, aber sichtbare Verschiebung nach Norden.

Aber die Karte mit Ausbreitungsbeschränkungen warnte eindringlich: Viele Arten werden nicht in der Lage sein, alle verfügbaren geeigneten Lebensräume im Jahr 2070 zu besiedeln.

„Wenn man die Verbreitungsrate berücksichtigt, sieht die Zukunft düsterer aus, als wir erwartet hätten“, sagte McGuire.

„Wenn wir uns die Veränderungen der Lebensraumeignung im Laufe der Zeit ansehen, sehen wir eine Schrumpfung des Lebensraums im Süden und eine Erweiterung der Lebensraumeignung im Norden, was zu erwarten ist. Aber was wichtig ist, wenn wir Ausbreitungsbeschränkungen in die Analyse integrieren, sehen wir auch viel davon die Habitateignungsgewinne gehen aufgrund von Ausbreitungsgrenzen verloren.“

Infolgedessen könnte das Modell den Forschern ermöglichen, neues Licht darauf zu werfen, welche Arten aufgrund des Klimawandels wirklich vom Aussterben bedroht sind. Frühere Studien deuten darauf hin dass Arten mit langsamen Ausbreitungsraten – darunter Primaten, Spitzmäuse, Maulwürfe und Arten aus der Opossum-Ordnung – zumindest in der westlichen Hemisphäre am stärksten gefährdet sind.

Ebenfalls gefährdet sind Arten bei kaltem Wetter in großer Höhe wie der Pika, ein kleines in den Bergen lebendes Tier, das bei Temperaturen von nur 78 Grad Fahrenheit überhitzen und sterben kann. Trotz rückläufiger Zahlen wurde dem winzigen Säugetier der Status einer gefährdeten Art verweigert, da Studien darauf hindeuten, dass es in kühlere Gebiete bergauf wandern wird.

Aber unter Berücksichtigung der Ausbreitungsbeschränkungen sieht die Zukunft für den Pika weniger optimistisch aus.

„Es ist unwahrscheinlich, dass sich Pfeifhasen das ganze Jahr über viel bewegen, daher sind ihre Ausbreitungsraten ziemlich gering. Daher ist es unwahrscheinlich, dass eine Pika-Population auftritt, selbst wenn sich auf einer Bergkette im Norden ein neuer geeigneter Lebensraum öffnet würden sich dort ansiedeln, und wenn sich das Klima erwärmt, werden ihre Lebensräume schrumpfen“, sagte Shipley.

„Die Karte ohne Ausbreitungsbeschränkungen kann eine Ausdehnung auf kältere und höhere Bergketten zeigen, während eine Karte mit Ausbreitungsbeschränkungen eine Abnahme des Lebensraums ohne eine entsprechende Ausdehnung im Laufe der Zeit zeigen würde.“

Zukünftiges Handeln stärken

Ein weiterer Vorteil von MegaSDM: Es kann viele Arten, Zeiträume und Klimaszenarien auf einmal synthetisieren. Durch die Ausgabe einzigartiger Karten, die die Veränderungen in den Verbreitungsgebieten der Arten beschreiben, ermöglicht es den Forschern, die Verteilung der Arten in der Vergangenheit und in der Zukunft vorherzusagen, um vorherzusagen, wo eine Art möglicherweise in der Zukunft leben könnte.

„Die meisten der aktuellen Techniken, die von Artenverteilungsmodellen verwendet werden, sind statisch, sodass sie nur auf einen einzigen Zeitraum projizieren und keine Aspekte der Bewegung über Landschaften hinweg berücksichtigen“, sagte Shipley. „Aber MegaSDM verwendet einen mehrstufigen Zeitansatz, sodass Sie diese Verteilungsmodelle auf vergangene oder gegenwärtige Zeiträume anwenden und dynamische Bewegungen wie das Erweitern und Schrumpfen von Bereichsgrößen zeigen können.“

Es ermöglicht Forschern auch, die Auswirkungen des Klimawandels von anderen Migrationshindernissen abzugrenzen – beispielsweise Stadtentwicklung oder ungeeignete Lebensräume.

„Wenn wir uns nur den heutigen Tag ansehen, bekommen wir kein vollständiges Bild von all den verschiedenen Klimazonen, in denen eine Art leben kann“, sagte McGuire. „Das Tool ermöglicht es uns zu erkennen, wenn eine Art durch andere Arten von Auswirkungen eingeschränkt wird, und es ermöglicht uns, besser vorherzusehen, wo sie möglicherweise in Zukunft leben könnten, und potenzielle Bereiche für die Wiederherstellung zu identifizieren.“

Entwicklung der Open Source Tool erforderte eine sorgfältige Systementwicklung und Planung, um zu bestimmen, wie ein modulares System mit den geringsten Speicheranforderungen erstellt werden kann, sagte Dilkina, Dr. Allen und Charlotte Ginsburg Early Career Chair in Computer Science.

Zunächst modellierten die Forscher die Lebensraumeignung für Arten unter Verwendung relevanter öffentlich verfügbarer Daten, wie z. B. Schichten von geografischen Informationssystemen (GIS), einschließlich Höhe, Landbedeckung, Verstädterungsgrad und Bewaldung. Als nächstes untersuchten sie, wo diese Arten nachgewiesen wurden, sowie Klimadaten für die Gegenwart und die Zukunft.

In Zukunft plant das Team, das Tool zu verwenden, um Arten mit dem höchsten Risiko zu identifizieren, in der Hoffnung, Schutzstrategien, beispielsweise Trittsteine ​​für Wildtiere oder Korridore, strategisch umzusetzen, um die Konnektivität geschützter Landschaften zu erweitern.

„Der Klimawandel ist schneller da, als wir erwartet haben“, sagte Dilkina. „Der Aufbau von Werkzeugen, die uns dabei helfen, quantitative Vorhersagen darüber zu treffen, was passieren wird, ist äußerst wichtig, und ich glaube, dass dies zukünftige Maßnahmen zum Schutz der biologischen Vielfalt und zur Eindämmung des Klimawandels ermöglichen wird.“

Die Studie wurde veröffentlicht in Ökographie.