Biodiversität ist für die Prozesse, die alles Leben auf der Erde unterstützen, von entscheidender Bedeutung. Es stellt wichtige Ressourcen wie Nahrung und Energie bereit und unterstützt die Gesundheit des Ökosystems. Allerdings zerstören Klimawandel, Abholzung und Umweltverschmutzung Lebensräume, verändern Ökosysteme und eliminieren – oder führen – Arten ein, die für die Biosphäre des Planeten von grundlegender Bedeutung sind.
Um die Herausforderungen zu bewältigen, die durch Umweltveränderungen und menschliche Aktivitäten im Zusammenhang mit der Biodiversität entstehen, entwickelt ein Konsortium aus 22 Partnern unter der Leitung des CSC – IT Center for Science, der Heimat des Supercomputers EuroHPC LUMI – im Auftrag der Europäischen Kommission Biodiversity Digital Twins (BioDT). 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 nachhaltiges Biodiversitätsmanagement und Ökosystemschutz. 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 Entwicklung von Richtlinien 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 vorhandene Technologien und Daten großer Forschungsinfrastrukturen (GBIF, eLTER, DiSSCo und LifeWatch ERIC).
Die Wirkung des Projekts erstreckt sich auf die Behandlung kritischer Probleme, einschließlich der Auswirkungen von Umweltveränderungen auf Arten und Ökosysteme, Ernährungssicherheit und die Umsetzung der EU- und internationalen Politik. Das Projekt leistet einen Beitrag zu den UN-Nachhaltigkeitszielen 2 (Kein Hunger), 3 (Gesundheit und Wohlbefinden), 13 (Maßnahmen zum Klimaschutz) und 15 (Leben an Land).
BioDT entwickelt Prototypen 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.
Die pDTs sind in vier Hauptgruppen unterteilt:
Die pDTs zielen darauf ab, wesentliche Datensätze, Best Practices, Fachwissen und gewonnene Erkenntnisse für Forscher und Forschungsinfrastrukturen bei der Umsetzung der Anwendungsfälle verfügbar und einsatzbereit zu machen und gleichzeitig bereitzustellen.
Die pDTs testen die Vorhersageleistung und Datenverfügbarkeitsszenarien der Modelle 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 der Biodiversität: Eine BioDT-Sammlung wissenschaftlicher Arbeiten
Um die Entwicklung und Zuverlässigkeit von Biodiversity Digital Twins weiter voranzutreiben, hat das BioDT-Team 10 wissenschaftliche Arbeiten erstellt, zusammengestellt in der Ausgabe „Building Biodiversity Digital Twins“ der Open-Science-Fachzeitschrift 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 über Raum und Zeit hinweg interaktiv zu verstehen und vorherzusagen.“ .“ sagt Gabriela Zuquim, wissenschaftliche Koordinatorin am CSC für das BioDT-Projekt
Die Sammlung dient als zentraler Zugangspunkt zu den Projektergebnissen der BioDT-Initiative. Die Veröffentlichung eher unkonventioneller und nicht traditionell veröffentlichter Forschungsergebnisse gehört tatsächlich zu den Alleinstellungsmerkmalen der Open-Science-Zeitschrift RIO. Ein weiteres Merkmal ist die Möglichkeit, einzelne Publikationen den SDGs zuzuordnen, zu denen sie beitragen, und so ihre Bedeutung zusätzlich zu unterstreichen.
Im Fall von BioDT hat RIO es dem Projektteam ermöglicht, den Prozess des Prototypings von Biodiversity Digital Twins im Format eines peer-reviewten wissenschaftlichen Artikels zu veranschaulichen und so dessen Auffindbarkeit, Glaubwürdigkeit, Zitierbarkeit, Wiederverwendbarkeit und langfristige Öffentlichkeit 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 den Forschern des Konsortiums entwickelten Modelle, Daten und Spitzenleistungen besser und effizienter nutzen können Technologie.
In einer Veröffentlichung wird beispielsweise der HONEYBEE Prototype Digital Twin beschrieben. Der Prototyp wird nach der laufenden Kalibrierung mit Landnutzungs- und Bienenstockgewichtsdaten Vorhersagen über die Dynamik der Honigbienenpopulation, den Milbenbefall und die Honigproduktion ermöglichen. Das Modell wurde auf der Grundlage eines zuvor entwickelten Modells entwickelt, um die Nahrungssuche eines einzelnen Bienenvolkes zu simulieren.
Mithilfe des Prototyps des digitalen Zwillings können Benutzer das Modell interaktiv auf verschiedenen zeitlichen und geografischen Maßstäben anwenden, von lokalen Standorten bis hin zu ganzen Regionen oder sogar auf Länderebene. Somit kann es zu einem wesentlichen Instrument für die Bewertung der Lebensfähigkeit und Produktivität von Honigbienenvölkern in ganz Deutschland werden, unabhängig von den Besonderheiten der Landschaften und Managementstrategien.
Unsere Vision ist, dass die Bewertung sogar unter Berücksichtigung verschiedener Klimawandelszenarien durchgeführt werden kann. Die Veröffentlichung bietet auch Richtlinien für potenzielle Benutzer des Prototyps.
Die Autoren des Papiers unter der Leitung von Dr. Jürgen Groeneveld (Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ, Deutschland) erinnern daran, dass Honigbienen, obwohl sie „eine verwaltete Art sind, stark vom Klimawandel, neu auftretenden Parasiten und Krankheiten sowie modernen landwirtschaftlichen Flächen betroffen sind.“ Verwendung und möglicherweise unangemessene Imkereipraktiken“, während er weiterhin besorgniserregende Daten über die Trends in Europa und den USA anführt.
In ähnlicher Weise befassen sich andere bereits in der Sammlung verfügbare Veröffentlichungen mit ebenso entscheidenden und drängenden Themen mit Auswirkungen auf globaler Ebene, darunter Krankheitsausbrüche, Pflanzenmanagement, invasive Arten, Vogel- und Vegetationsdynamik.
„Die Projektpapiersammlung „Building Biodiversity Digital Twins“ passte perfekt zu unseren Anforderungen“, sagte Dmitry Schigel, GBIF-Wissenschaftsbeauftragter und koordinierender Herausgeber der Sammlung. „Das Projektteam einigte sich darauf, die Iterationen des Projekts zu erfassen und zwei Jahre nach Projektbeginn unsere zwei Drittel der Prototypen zu enthüllen, wobei noch einer übrig ist.
Die innovative Plattform von Pensoft RIO Das Journal bietet die Möglichkeit, unsere Fortschritte in einem weniger formellen, aber dennoch von Experten begutachteten Rahmen zu beschreiben. Dank der effizienten Arbeit der Autorenteams, Gutachter und Mitherausgeber konnte diese Sonderausgabe schnell zustande kommen und ermöglicht es unseren Teams für Prototypen digitaler Zwillinge nun, Feedback von einem breiteren Publikum zu gewinnen und zu verarbeiten.“
Weitere Informationen:
Dmitry Schigel et al, Building Biodiversity Digital Twins, Forschungsideen und -ergebnisse (2024). DOI: 10.3897/rio.coll.240