08.10.2024. - Разрабатывают цифровые копии биоразнообразия

Разрабатывают цифровые копии биоразнообразия

Биоразнообразие имеет важное значение для процессов, которые поддерживают все живое на Земле. Оно обеспечивает важнейшие ресурсы, такие как продовольствие и энергия, и поддерживает здоровье экосистем. Однако изменение климата, вырубка лесов и загрязнение окружающей среды разрушают среду обитания, изменяют экосистемы и уничтожают — или интродуцируют — виды, которые имеют фундаментальное значение для биосферы планеты.

Для решения проблем, связанных с изменением окружающей среды и деятельностью человека в области биоразнообразия, консорциум из 22 партнеров, возглавляемый Научным центром CSC—IT, на базе суперкомпьютера EuroHPC LUMI, разрабатывает цифровые двойники биоразнообразия (BioDT) по инициативе Европейской комиссии.

Проект BioDT призван революционизировать наше понимание динамики биоразнообразия путем интеграции передовых возможностей моделирования и прогнозирования. Объединяя и совершенствуя доступные в цифровом виде данные и модели, BioDT предлагает подходы к устойчивому управлению биоразнообразием и сохранению экосистем. Компания BioDT объединяет опыт в области биоразнообразия, экологического моделирования, достоверных данных, высокопроизводительных вычислений и искусственного интеллекта.

BioDT нацелен на повышение точности и эффективности прогнозирования моделей биоразнообразия за счет итеративной разработки и проверки на основе независимых данных. Этот подход может иметь решающее значение для разработки инструментов поддержки принятия решений и разработки политики.

Постоянно обновляя данные, BioDT будет предоставлять прогнозы о моделях и процессах биоразнообразия в режиме реального времени с помощью интерактивных карт и сводок. Для достижения этой цели консорциум использует существующие технологии и данные из основных исследовательских инфраструктур (GBIF, eLTER, DiSSCo и LifeWatch ERIC).

Воздействие проекта распространяется на решение важнейших вопросов, включая влияние изменений окружающей среды на виды и экосистемы, продовольственную безопасность и реализацию политики ЕС и международной политики. Проект способствует достижению Целей устойчивого развития ООН 2 (Борьба с голодом), 3 (Хорошее здоровье и благополучие), 13 (Борьба с изменением климата) и 15 (Жизнь на суше).

BioDT разрабатывает прототипы цифровых двойников для сохранения биоразнообразия

Чтобы протестировать свою систему моделирования, BioDT разрабатывает 10 прототипов цифровых двойников (PDT), ориентированных на виды и экосистемы, представляющие особый интерес для сохранения и политики, такие как инвазивные виды, опылители и пастбища.

PDT разделены на четыре основные группы:

- Реакция видов на изменения окружающей среды: сосредоточьтесь на взаимодействии между видами и экосистемами. Используя временную динамику, а не просто замену пространства на время, BioDT улучшает временные прогнозы и повышает их точность. Различные источники неопределенности оцениваются количественно с использованием обширных географических данных в сочетании с данными временных рядов высокого разрешения в рамках единой системы моделирования.

- Генетически детектируемое биоразнообразие: решение проблем продовольственной безопасности и сложных условий окружающей среды путем интеграции геномных методов, основанных на данных ДНК, с традиционными данными о биоразнообразии. Эти два направления посвящены дикорастущим родственникам сельскохозяйственных культур и другим генетическим ресурсам для сельского хозяйства и продовольственной безопасности, а также биоразнообразию, определяемому с помощью ДНК, в малоизученных местах обитания.

- Динамика видов, вызывающих озабоченность в области политики: применение моделирования и высокопроизводительных вычислений к инвазивным и чужеродным видам, признанным на уровне ЕС и на национальном уровне. Этот подход предполагает использование текущих данных о встречаемости видов и изучение критических условий окружающей среды и инвазивного воздействия на местные таксоны и экосистемы.

- Влияние взаимодействия видов: прогнозирование вспышек заболеваний с использованием видов-переносчиков и изучение закономерностей и процессов, происходящих с насекомыми-опылителями. Работа над interaction twins предполагает дальнейшую разработку моделей обмена данными и установление временных исторических ориентиров посредством оцифровки коллекционных образцов.

PDT направлены на то, чтобы сделать необходимые наборы данных, передовую практику, экспертные знания и извлеченные уроки доступными и готовыми для использования исследователями и исследовательскими инфраструктурами при реализации вариантов использования, обеспечивая при этом.

PDT тестируют прогностическую эффективность моделей и сценарии доступности данных и применяют их для решения проблем биоразнообразия с помощью сценарного моделирования, прогнозов и методов биомониторинга. Этот итеративный подход направлен на интеграцию и сравнение прогностических характеристик различных подходов к моделированию, стимулируя разработку прототипов следующего поколения.

Создание цифровых двойников биоразнообразия: сборник научных статей BioDT

Для дальнейшего продвижения разработки и повышения надежности цифровых двойников в области биоразнообразия команда BioDT подготовила 10 научных статей, которые были опубликованы в выпуске "Создание цифровых двойников в области биоразнообразия" открытого научного журнала Research Ideas and Outcomes (РИО).

"Коллекция дает глубокое представление о концептуальных и технических достижениях, достигнутых в разработке цифровых двойников для широкого круга тем, связанных с биоразнообразием. С помощью проекта BioDT мы даем возможность широкой аудитории интерактивно понимать и прогнозировать изменения биоразнообразия в пространстве и времени". говорит Габриэла Цуким, научный координатор проекта BioDT в CSC

Коллекция служит централизованной точкой доступа к результатам проекта в рамках инициативы BioDT. Публикация довольно нетрадиционных и традиционно не публикуемых результатов исследований является одной из уникальных особенностей открытого научного журнала RIO journal. Еще одной особенностью является возможность привязки отдельных публикаций к ЦУР, достижению которых они способствуют, тем самым еще больше подчеркивая их значимость.

В случае с BioDT, RIO позволил проектной команде проиллюстрировать процесс создания прототипов цифровых двойников в области биоразнообразия в формате рецензируемой научной статьи, тем самым обеспечив возможность ее обнаружения, достоверности, цитируемости, повторного использования и долгосрочной доступности для общественности.

Благодаря такому прозрачному подходу к обмену своими научными работами, которые выдержали строгую официальную научную экспертизу, проект BioDT гарантирует, что будущие ученые смогут лучше и эффективнее использовать модели, разработанные исследователями консорциума, данные и передовые технологии.

Например, в одной из публикаций описывается прототип цифрового двойника пчелы HONEYBEE. После постоянной калибровки прототипа с учетом данных о землепользовании и весе улья можно будет прогнозировать динамику популяции пчел, зараженность клещами и производство меда. Модель была разработана на основе ранее разработанной модели, предназначенной для моделирования поиска пищи одной пчелиной семьей.

Используя прототип цифрового двойника, пользователи могут интерактивно применять модель в различных временных и географических масштабах - от локальных объектов до целых регионов или даже стран. Таким образом, он может стать важным инструментом для оценки жизнеспособности и продуктивности пчелиных семей по всей Германии, независимо от специфики ландшафтов и стратегий управления.

Мы считаем, что оценка может проводиться даже с учетом различных сценариев изменения климата. В публикации также содержатся рекомендации для потенциальных пользователей прототипа.

Авторы статьи, возглавляемые доктором Юргеном Груневельдом (Центр экологических исследований имени Гельмгольца—UFZ, Германия), напоминают, что, несмотря на то, что медоносные пчелы "являются регулируемым видом, они серьезно страдают от изменения климата, появления паразитов и болезней, современного сельскохозяйственного землепользования и, возможно, неправильных методов пчеловодства". приведу тревожные данные о тенденциях как в Европе, так и в США..

Аналогичным образом, в других публикациях, уже имеющихся в коллекции, рассматриваются не менее важные и неотложные вопросы, имеющие глобальное значение, включая вспышки болезней, управление растениеводством, инвазивные виды, динамику птиц и растительности.

"Коллекция проектных работ Building Biodiversity Digital Twins идеально соответствовала нашим потребностям", - сказал Дмитрий Шигель, научный сотрудник GBIF и редактор-координатор коллекции. "Проектная команда согласилась запечатлеть все итерации проекта и представить наши прототипы на двух третях стадии разработки через два года после начала проекта, а впереди еще одна.

Инновационная платформа, которую предоставляет журнал Pensoft RIO journal, позволяет нам описывать наши успехи в менее формальной, но все же рецензируемой обстановке. Благодаря эффективной работе команд авторов, рецензентов и соредакторов этот специальный выпуск был подготовлен быстро и теперь позволяет нашим командам-прототипам цифровых двойников привлекать и обрабатывать отзывы более широкой аудитории".

Источник