Seit Jahrhunderten sammeln Botaniker Pflanzen, pressen und trocknen sie und bewahren sie in Herbarien auf.

Ursprünglich dienten diese Belege vor allem als physische Dokumentation von Arten. Durch die Digitalisierung erhalten sie nun eine völlig neue wissenschaftliche Bedeutung.

Inzwischen wurden mehr als 145 Millionen Pflanzen- und Pilzbelege aus über 170 Einrichtungen in 40 Ländern digitalisiert. Sobald die Belege fotografiert und in durchsuchbaren Datenbanken erfasst sind, lassen sich historische Sammlungen in einem Umfang analysieren, der für einzelne Forschende früher unmöglich gewesen wäre.

Künstliche Intelligenz hilft nun dabei, diese Archive in Belege dafür zu verwandeln, wie sich die Natur im Laufe der Zeit verändert hat.

Acht Millionen Belege analysiert

Forschende trainierten ein maschinelles Lernsystem darauf, anhand digitalisierter Herbarbilder zu erkennen, ob Pflanzen gerade blühten. Anschließend wurde das Modell auf rund acht Millionen konservierte Belege angewendet, die etwa 200.000 Arten aus verschiedenen Regionen der Welt repräsentieren. Die Größenordnung des Experiments ist beeindruckend.

Laut dem Machine-Learning-Forscher David Williamson dauerte die automatisierte Analyse etwa eine Woche. Dieselbe Arbeit von Hand hätte schätzungsweise 40.000 Arbeitsstunden erfordert – also etwa 20 Jahre Vollzeitarbeit. Das bedeutet jedoch nicht, dass künstliche Intelligenz Botaniker ersetzt.

Stattdessen ermöglicht sie es Forschenden, riesige Sammlungen in kurzer Zeit auszuwerten. So bleibt Expertinnen und Experten mehr Zeit, Muster zu untersuchen, ungewöhnliche Ergebnisse zu überprüfen und Fragen zu stellen, die bisher zu umfangreich für eine systematische Analyse waren.

Der entscheidende Vorteil von KI ist ihre Geschwindigkeit: sie kann Muster in Millionen von Belegen sichtbar machen, während Fachleute für deren Interpretation verantwortlich bleiben.

Blütezeiten verschieben sich

Eine der deutlichsten Erkenntnisse betraf die Blütezeit. Im vergangenen Jahrhundert haben sich die globalen Blütezeiten im Durchschnitt um etwa 2,5 Tage pro Jahrzehnt verschoben.

Die Richtung der Veränderung war allerdings nicht überall gleich. Einige Arten blühten früher, während sich die Blüte bei anderen nach hinten verschob. Besonders überraschend war für die Forschenden, wo die stärksten Veränderungen auftraten.

Da einige der schnellsten klimabedingten Temperaturanstiege in hohen nördlichen Breitengraden stattfinden, hätten Wissenschaftler dort die deutlichsten Veränderungen erwartet.

Stattdessen wurden einige der größten Verschiebungen in tropischen Regionen festgestellt. Der Pflanzenökologe James Speed erklärte, dass die Blüte in den Tropen häufig stärker von Niederschlägen als allein von der Temperatur abhängt. Wenn sich durch den Klimawandel der Beginn oder die Zuverlässigkeit der Regenzeiten verändert, könnten Pflanzen darauf reagieren, indem sie zu anderen Zeitpunkten blühen.

Warum der Zeitpunkt zählt

Ein paar Tage mögen zunächst nicht nach einer dramatischen Veränderung klingen. Doch die Blüte ist Teil eines viel größeren ökologischen Kalenders. Pflanzen, Insekten, Vögel und andere Tiere sind häufig darauf angewiesen, dass bestimmte Ereignisse zum richtigen Zeitpunkt stattfinden.

Blüht eine Pflanze früher, während ihr wichtigstes bestäubendes Insekt seinen Lebenszyklus nicht entsprechend angepasst hat, können die beiden Arten aus dem Takt geraten.

Diese zeitliche Verschiebung kann den Erfolg der Bestäubung verringern. Die Folgen können sich anschließend weiter durch ganze Ökosysteme ziehen.

Weniger bestäubende Insekten können sich auf insektenfressende Vögel auswirken, während Veränderungen bei der Bestäubung auch die landwirtschaftliche Produktion und die Fortpflanzung wild lebender Pflanzen beeinflussen können.

Der Klimawandel muss eine Art nicht sofort zum Aussterben bringen, um ein Ökosystem zu stören. Schon eine veränderte zeitliche Abstimmung biologischer Ereignisse kann Folgen für ein ganzes Nahrungsnetz haben.

Alte Sammlungen gewinnen neuen Wert

Herbarbelege sind besonders wertvoll, weil viele von ihnen vor Jahrzehnten oder sogar Jahrhunderten gesammelt wurden. Jeder Beleg kann Informationen darüber bewahren, wo eine Pflanze wuchs, wann sie gesammelt wurde und in welchem Entwicklungsstadium sie sich befand. Werden Millionen solcher Datensätze zusammengeführt, können Forschende historische Muster mit heutigen Entwicklungen vergleichen.

Dadurch werden Museumssammlungen zu einer Art globaler Umwelt-Zeitmaschine. Belege, die einst hauptsächlich als taxonomische Referenzen dienten, können heute dabei helfen, Fragen zum Klimawandel, zur Verbreitung von Arten, zu Blühmuster, zum Verlust der biologischen Vielfalt und sogar zum Aussterberisiko zu beantworten.

KI könnte unbekannte Arten aufspüren

Dieselbe Technologie könnte Wissenschaftlern auch bei einer weiteren gewaltigen Herausforderung helfen: ein großer Teil der biologischen Vielfalt unseres Planeten ist noch immer nicht wissenschaftlich erfasst. Schätzungen zufolge sind beispielsweise mehr als 90 % der Pilzarten noch nicht kartiert.

Gleichzeitig verschwinden Arten so schnell, dass einige aussterben könnten, bevor sie überhaupt vollständig beschrieben wurden.

Werkzeuge für maschinelles Lernen können helfen, indem sie digitalisierte Sammlungen nach ungewöhnlichen Belegen durchsuchen und diese zur Überprüfung durch Fachleute markieren.

Statistische Modelle können zudem einschätzen, ob eine Art, die seit langer Zeit nicht mehr beobachtet wurde, möglicherweise ausgestorben oder lediglich übersehen worden ist. Diese Informationen könnten Wissenschaftlern helfen zu entscheiden, wo Feldstudien am dringendsten erforderlich sind.

Warum Menschen weiterhin wichtig sind

KI kann Muster schnell erkennen, aber sie kann nicht eigenständig entscheiden, ob diese Muster biologisch relevant sind.

Der Taxonom Martin Cheek argumentiert, dass eine automatisierte Bestimmung Fachleuten viel Zeit sparen könnte, insbesondere bei häufig vorkommenden Arten. Spezialisten könnten sich dadurch stärker auf wenig erforschte Organismen und bedrohte Arten konzentrieren. Eine Überprüfung durch Experten bliebe jedoch unerlässlich.

Williamson weist auf einen ähnlichen Punkt hin: maschinelle Lernsysteme sind nur so gut wie die Informationen, mit denen sie trainiert wurden.

Forschende werden weiterhin benötigt, um die richtigen Fragen zu formulieren, geeignete Daten auszuwählen, Modelle zu testen, Fehler zu überprüfen und die Ergebnisse zu interpretieren.

KI kann wissenschaftliche Arbeit beschleunigen, aber sie kann das ökologische und taxonomische Wissen nicht ersetzen, das nötig ist, um die tatsächliche Bedeutung der Ergebnisse zu verstehen.

Die Lücke bei der Digitalisierung

Es gibt noch eine weitere große Einschränkung. Trotz des rasanten Wachstums digitaler Sammlungen sind derzeit weniger als 16 % der weltweiten Herbarbelege in digitaler Form zugänglich. Einige der größten Lücken finden sich in Ländern mit einer besonders hohen biologischen Vielfalt.

Dort fehlt es den Sammlungen möglicherweise an Personal, einer ausreichenden Dokumentation oder der Anbindung an internationale Datenbanken.

Das führt zu einem erheblichen Ungleichgewicht. Künstliche Intelligenz kann nur das Material analysieren, das digitalisiert wurde. Dadurch können wichtige Regionen und Arten weiterhin unsichtbar bleiben.

Ein neues wissenschaftliches Archiv

Die Verbindung historischer Belege mit modernem maschinellem Lernen verändert die Möglichkeiten von Museumssammlungen grundlegend.

Eine getrocknete Pflanze, die vor Generationen gesammelt wurde, kann heute dabei helfen, Veränderungen bei Regenzeiten und Blühterminen oder das Verschwinden von Arten nachzuverfolgen.

Die Technologie ist nicht deshalb so leistungsfähig, weil sie jahrhundertelange botanische Arbeit ersetzt, sondern weil sie diese Arbeit zugänglich macht. Bereits acht Millionen Belege haben gezeigt, dass naturkundliche Sammlungen weit mehr Informationen enthalten, als Forschende früher daraus gewinnen konnten.

Und je weiter die Digitalisierung voranschreitet, desto mehr könnten diese Archive zu einem der wertvollsten Werkzeuge werden, um zu verstehen, wie der Klimawandel das Leben auf der Erde verändert.