Kamerafallen und andere kostengünstige Datenquellen informieren über Ökologiestudien und Naturschutzbemühungen

Ein neues Modell, das von MSU-Forschern entwickelt wurde, extrahiert mehr Informationen als je zuvor aus Kamerafallen und anderen kostengünstigen Datenquellen, um Ökologiestudien und Naturschutzbemühungen zu unterstützen

Ökologen der Michigan State University haben einen mathematischen Rahmen entwickelt, der helfen könnte, die Biodiversität zu überwachen und zu erhalten, ohne die Bank zu sprengen.

Dieser Rahmen oder dieses Modell nimmt kostengünstige Daten über relativ häufig vorkommende Arten in einer Gemeinschaft und verwendet sie, um wertvolle Erkenntnisse über ihre schwerer zu findenden Nachbarn zu gewinnen. Das Tagebuch Naturschutzbiologie veröffentlichte die Forschung am 25. August als Early View-Artikel.

„Eine der größten Herausforderungen bei der Überwachung der Biodiversität besteht darin, dass die Arten, um die Sie sich am meisten sorgen, tendenziell am geringsten vorkommen oder bei der Datenerfassung am schwierigsten zu beobachten sind“, sagte Matthew Farr, der Hauptautor des neuen Berichts . „Dieses Modell kann für diese seltenen und schwer fassbaren Arten wirklich hilfreich sein.“

Farr, jetzt Postdoktorand an der University of Washington, half bei der Entwicklung des Modells als Doktorand im Labor für quantitative Ökologie von Elise Zipkin am College of Natural Science der MSU.

„Es gibt viele Arten auf der Welt und vielen von ihnen fehlt es an Daten“, sagte Zipkin, außerordentlicher Professor für integrative Biologie und Direktor des Ecology, Evolution and Behavior Program (EEB) der MSU. „Wir entwickeln Ansätze, um schneller abzuschätzen, was mit der Biodiversität los ist, welche Arten in Schwierigkeiten sind und wo wir unsere Schutzbemühungen räumlich konzentrieren müssen.“

Nach der Validierung des Modells mit Hilfe von waldbewohnenden Antilopen in Afrika sagen die Forscher, dass es auf eine Vielzahl anderer Tiere angewendet werden könnte, die bestimmte Kriterien erfüllen.

„Das Modell funktioniert nicht für alle Arten von Arten. Es ist kein Allheilmittel“, sagte Zipkin. „Aber wenn es für eine Gemeinschaft funktioniert, können wir ohne viele Daten viel mehr über die Mitgliedsarten erfahren.“

Die „Magie“ des Modells

Für sein neuestes Modell konzentrierte sich das Team von Zipkin auf sogenannte Detektions-Nicht-Detektionsdaten, die nachverfolgen, ob ein bestimmtes Tier in einem bestimmten Lebensraum entdeckt wird oder nicht, was normalerweise nur eine Schätzung des Vorkommens oder der Verbreitungsmuster von Arten ermöglicht.

„Es sind im Grunde die billigsten Daten und am einfachsten zu sammeln“, sagte Zipkin. „Du gehst zu einem Spot, wartest ab, welche Tiere dort sind und musst nur aufzeichnen, welche Arten gesehen werden.“

Die Forscher sammeln diese Daten visuell persönlich oder mit kostengünstigen, bewegungserkennenden Kamerafallen, die Fotos machen, wenn sie von einem Tier ausgelöst werden. Die Forscher analysieren dann die Fotos, um die Erkennungs-Nichterkennungsdaten im Laufe der Zeit aufzuzeichnen.

Es gibt jedoch Kompromisse. Obwohl relativ billig und einfach zu sammeln, liefern Erkennungs-Nicht-Erkennungs-Daten nicht so viele Informationen, wie Forscher und Naturschützer wünschen. In der Vergangenheit erforderte dies intensive Beobachtungsansätze wie das Markieren und Verfolgen von Tieren.

„Durch intensives Tracking können wir alle möglichen Dinge über Tiere und ihre Gemeinschaften berechnen, aber diese Daten sind teuer und schwer zu bekommen“, sagte Zipkin. „Für bestimmte Arten ist es unmöglich.“

Das MSU-Team erkannte, dass es für die richtigen Tiere ein Verständnis des Tierverhaltens und der Statistiken nutzen konnte, um die Informationslücke zu schließen, indem es mehr Erkenntnisse aus den Erkennungs-Nichterkennungsdaten herausholte.

„Für einige Arten sind dies die besten Daten, die man bekommen kann“, sagte Farr. „Jetzt können wir mehr daraus machen. Unser Modell ermöglicht die Schätzung von Abundanztrends, Reproduktionsraten und Überlebenswahrscheinlichkeiten von Arten – und das alles nur unter Verwendung von Erkennungs-Nicht-Erkennungsdaten.“

Das mag magisch klingen – einige von Zipkins Kollegen haben das sogar gesagt –, aber an dem Modell ist nichts Übernatürliches. Wie vieles in der Wissenschaft ist es das Ergebnis harter Arbeit, Zusammenarbeit und dem Aufbau früherer Bemühungen auf diesem Gebiet.

Die Geschichte des neuen Modells hat ihre Wurzeln im Jahr 2003 bei den Forschern J. Andrew Royle und James D. Nichols. Das Duo entwickelte eine mathematische Verbindung zwischen der Häufigkeit einer Art und der Wahrscheinlichkeit, sie zu entdecken.

Zu dieser Zeit war Royle Forscher beim US Fish and Wildlife Service und Nichols beim US Geological Survey. Beide sind Alumni der MSU: Royle schloss sein Studium 1990 mit dem Bachelor ab und Nichols promovierte 1976.

„Es ist interessant“, sagte Farr, dessen derzeitige Beraterin Sarah Converse ebenfalls einen Bachelor-Abschluss an der Michigan State machte, bevor sie außerordentliche Professorin an der University of Washington wurde. „Wo auch immer Sie in diesem Bereich hingehen, die Menschen haben eine Verbindung zum Staat Michigan.“

Nach der Veröffentlichung des Royle-Nichols-Modells trat Royle der USGS bei, wo er mit Zipkin zusammenarbeitete, bevor sie 2014 zur MSU kam. 2016 entwickelte Zipkins Team das Royle-Nichols-Modell weiter, um Dinge wie die Überlebens- und Reproduktionsraten für eine Single abzuschätzen Arten mit der Streifenkauz als Fallstudie.

Farr arbeitete in Zipkins Labor mit Unterstützung der National Science Foundation und unternahm den nächsten Schritt, indem er die Populationsdynamik verschiedener Arten innerhalb derselben Gemeinschaften verknüpfte.

„Das Modell lässt Informationen von häufigeren Arten darüber informieren, was mit den seltenen und schwer fassbaren Arten passiert“, sagte Farr. „Das Modell stützt sich auf die Gemeinsamkeiten zwischen den Arten, lässt aber dennoch Variationen zu.“

Um das Modell zu entwickeln, musste das Team einige Annahmen treffen, z. B. dass die Zielarten territorial sind und nicht viel reisen. Die Forscher mussten dann echte Arten finden, die diesen Annahmen entsprachen, um ihr Modell zu validieren.

„Wir wussten, dass es für bestimmte Arten von Gemeinschaften funktionieren würde, aber gab es diese Gemeinschaften im wirklichen Leben?“ Sagte Zipkin.

„Das ist eine der größten Herausforderungen in der Modellentwicklung“, sagte Farr. „Sie entwickeln das Modell im Vakuum, während Simulationen unter perfekten Bedingungen laufen. Sie müssen zeigen, was es in einer realen Situation leisten kann.“

„Da meldete sich Tim O’Brien und sagte: ‚Ich habe deine Tiere'“, sagte Zipkin.

Die Duiker-Daten

Timothy O’Brien ist ein pensionierter Ökologe in Kenia, der mit der Wildlife Conservation Society, einer Nichtregierungsorganisation oder NGO, und einem Experten für Kamerafallen zusammengearbeitet hat. Als Teil des sogenannten Tropical Ecology Assessment and Monitoring Program (TEAM) hat er dazu beigetragen, die Verwendung von Kamerafallen zu standardisieren, um ihre Daten so aussagekräftig wie möglich zu machen.

Er war mit Zipkins Arbeit aus dem Jahr 2016 vertraut und erfuhr, dass sie das Modell auf mehrere Arten über mehrere Jahreszeiten hinweg erweiterte. Er vermutete, dass im Wald lebende Antilopen, insbesondere die als Ducker bekannten, den perfekten Testfall darstellen würden.

Nicht nur das Verhalten der Duiker stimmte mit den Annahmen des Modells überein, O’Brien hatte auch jahrelang dabei geholfen, die Tiere mit Kamerafallen zu überwachen. Duikers präsentierte einen interessanten und wichtigen Konservierungsfall.

„Die Duiker, die in den Regenwäldern leben, sind das begehrteste Buschfleisch in Afrika“, sagte O’Brien. „Wenn die Duckerpopulationen zurückgehen, liegt das normalerweise daran, dass Menschen nach Buschfleisch jagen.“

Buschfleisch ist Fleisch von jedem Wildtier und für viele Gemeinden eine wichtige Nahrungs- und Einkommensquelle. Aber die Jagd ist locker reguliert und wird durch Märkte, die Buschfleisch verkaufen, finanziell gefördert. Die Kombination kann für Duckerpopulationen verheerend sein.

Mit dem MSU-Modell und den Ducker-Daten von TEAM bewertete das Team die Populationsdynamik von insgesamt 12 Antilopenarten – einige häufiger als andere – in sechs Nationalparks in Afrika, wo Ducker geschützt sind. Die Daten deckten Zeiträume von vier bis elf Jahren ab.

„Wir haben nicht das Ausmaß des Bevölkerungsrückgangs beim Ducker gesehen, den man erwarten würde, wenn die Jagd ein Problem ist“, sagte O’Brien. „Ich würde sagen, die Parks erfüllen ihre Funktion für Ducker.“

Insgesamt waren die Duiker-Populationen größtenteils stabil, aber die Forscher stellten Populationsrückgänge in etwa 20 % der von ihnen untersuchten Kombinationen von Arten und Parks fest. Auch hier waren die Rückgänge nicht so erheblich, dass darauf hindeutet wurde, dass der Ducker in den Parks überjagt wurde, aber die Forscher wollen immer noch verstehen, was in diesen Fällen passiert.

„Wir fanden heraus, dass die Ursache für die Veränderungen eher die Unterschiede zwischen den Parks als zwischen den Arten waren“, sagte Zipkin. „Wir haben die genauen Ursachen noch nicht ermittelt, aber unsere Ergebnisse könnten uns dabei helfen.“

„Matt und Elise haben dieses Modell auf eine ganz neue Ebene gebracht“, sagte O’Brien. „Ich habe die Zusammenarbeit sehr genossen.“

Charles Yackulic, ein Forschungsstatistiker bei der USGS, war ebenfalls an dem Projekt beteiligt, das von NSF, WCS, Conservation International, der Smithsonian Institution und der Gordon and Betty Moore Foundation unterstützt wurde.

„Dieses Projekt ist ein großartiges Beispiel für die Zusammenarbeit zwischen Universität, Regierung und NGOs“, sagte Zipkin.