Wissenschaftler haben den ersten Proof of Concept ihrer DNA-„Zeitmaschine“ durchgeführt, um Licht auf ein Jahrhundert voller Umweltveränderungen in einem Süßwassersee zu werfen – einschließlich steigender Temperaturen und Umweltverschmutzung, die zum potenziell irreversiblen Verlust der Artenvielfalt führten.
Ihr Ansatz, der KI auf DNA-basierte Biodiversität, Klimavariablen und Umweltverschmutzung anwendet, könnte den Regulierungsbehörden dabei helfen, die bestehende Biodiversität des Planeten zu schützen oder sie sogar zu verbessern.
Forscher der University of Birmingham nutzten in Zusammenarbeit mit der Goethe-Universität Frankfurt Sedimente vom Grund eines Sees in Dänemark, um eine 100 Jahre alte Bibliothek über Artenvielfalt, chemische Verschmutzung und Ausmaße des Klimawandels zu rekonstruieren. Dieser See weist eine Geschichte gut dokumentierter Veränderungen in der Wasserqualität auf, was ihn zu einem perfekten natürlichen Experiment zum Testen der Zeitmaschine der Artenvielfalt macht.
Veröffentlichung ihrer Ergebnisse in eLife, Die Experten enthüllen, dass das Sediment eine kontinuierliche Aufzeichnung biologischer und umweltbezogener Signale enthält, die sich im Laufe der Zeit verändert haben – von (halb)ursprünglichen Umgebungen zu Beginn der industriellen Revolution bis zur Gegenwart.
Das Team nutzte Umwelt-DNA – genetisches Material, das von Pflanzen, Tieren und Bakterien zurückgelassen wurde –, um ein Bild der gesamten Süßwassergemeinschaft zu erstellen. Mithilfe von KI analysierten sie die Informationen in Verbindung mit Klima- und Verschmutzungsdaten, um herauszufinden, was den historischen Verlust der im See lebenden Arten erklären könnte.
Die Hauptforscherin Luisa Orsini, Professorin für Evolutionäre Systembiologie und Umweltomik an der Universität Birmingham und Fellow des Alan Turing Institute, sagte: „Wir haben einen Sedimentkern vom Grund des Sees genommen und biologische Daten innerhalb dieses Sediments wie eine Zeit verwendet.“ Maschine – ein Blick zurück in die Zeit, um ein detailliertes Bild der Biodiversität im letzten Jahrhundert mit jährlicher Auflösung zu erstellen. Durch die Analyse biologischer Daten mit Daten zum Klimawandel und dem Verschmutzungsgrad können wir die Faktoren identifizieren, die den größten Einfluss auf die Biodiversität haben.
„Der Schutz aller Arten, ohne die menschliche Produktion zu beeinträchtigen, ist unrealistisch, aber mithilfe von KI können wir der Erhaltung von Arten, die Ökosystemleistungen erbringen, Priorität einräumen. Gleichzeitig können wir die Hauptschadstoffe identifizieren und so die Regulierung chemischer Verbindungen mit den schädlichsten Auswirkungen steuern. Diese.“ Maßnahmen können uns nicht nur dabei helfen, die biologische Vielfalt, die wir heute haben, zu erhalten, sondern möglicherweise auch die Wiederherstellung der biologischen Vielfalt zu verbessern. Die biologische Vielfalt erhält viele Ökosystemleistungen aufrecht, von denen wir alle profitieren. Der Schutz der biologischen Vielfalt bedeutet, diese Leistungen zu schützen.“
Die Forscher fanden heraus, dass Schadstoffe wie Insektizide und Fungizide neben einem Anstieg der Tiefsttemperatur (ein Anstieg um 1,2 bis 1,5 Grad) den größten Schaden für die Artenvielfalt verursachten.
Die im Sediment vorhandene DNA zeigte jedoch auch, dass sich der See in den letzten 20 Jahren zu erholen begann. Die Wasserqualität verbesserte sich, da die landwirtschaftliche Flächennutzung in der Umgebung des Sees zurückging. Doch obwohl die Gesamtbiodiversität zunahm, waren die Gemeinschaften nicht mehr dieselben wie in der (halb)ursprünglichen Phase. Dies ist besorgniserregend, da verschiedene Arten unterschiedliche Ökosystemleistungen erbringen können und ihre Unfähigkeit, an einen bestimmten Standort zurückzukehren, daher die Wiederherstellung bestimmter Leistungen verhindern kann.
Niamh Eastwood, Hauptautorin und Ph.D. Ein Student der Universität Birmingham sagte: „Der Verlust der Artenvielfalt, der durch diese Verschmutzung und die steigende Wassertemperatur verursacht wird, ist möglicherweise irreversibel. Die Arten, die vor 100 Jahren im See gefunden und verloren gegangen sind, werden nicht alle zurückkehren können. Das ist nicht möglich.“ den See wieder in seinen ursprünglichen, ursprünglichen Zustand zu versetzen, auch wenn er sich erholt. Diese Forschung zeigt, dass ein Großteil davon für immer verloren gehen könnte, wenn wir es nicht schaffen, die Artenvielfalt zu schützen.“
Dr. Jiarui Zhou, Co-Hauptautor und Assistenzprofessor für Umweltbioinformatik an der Universität Birmingham, sagte: „Unsere ganzheitlichen Modelle können uns dabei helfen, aus der Vergangenheit zu lernen und den wahrscheinlichen Verlust der biologischen Vielfalt bei einem „Business as Usual“ vorherzusagen andere Verschmutzungsszenarien. Wir haben den Wert KI-basierter Ansätze zum Verständnis historischer Treiber des Verlusts der biologischen Vielfalt demonstriert. Sobald neue Daten verfügbar werden, können ausgefeiltere KI-Modelle verwendet werden, um unsere Vorhersagen über die Ursachen des Verlusts der biologischen Vielfalt weiter zu verbessern.“
Als nächstes weiten die Forscher ihre erste Studie an einem einzelnen See auf Seen in England und Wales aus. Diese neue Studie wird ihnen helfen zu verstehen, wie reproduzierbar die beobachteten Muster sind und wie sie daher ihre Erkenntnisse über Verschmutzung und Klimawandel auf die Artenvielfalt von Seen verallgemeinern können.
Mehr Informationen:
Niamh Eastwood et al.: 100 Jahre anthropogener Einfluss führen zu Veränderungen in der funktionellen Biodiversität von Süßwasser. eLife (2023). DOI: 10.7554/eLife.86576