Mit Maschinellem Lernen Überlebensfaktoren entschlüsselt
Vor 252 Millionen Jahren löste eine Reihe von Vulkanausbrüchen in Sibirien massive Klimaveränderungen aus, die ein massenhaftes Artenaussterben zur Folge hatten. Weltweit wurden an Land rund 75 Prozent und in den Ozeanen rund 90 Prozent aller Organismen ausgelöscht. Dem Paläontologen Dr. William Foster vom Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit der Universität Hamburg gelang es nun mithilfe von Künstlicher Intelligenz (KI), die Gründe für das Massensterben von Organismen in der Urzeit zu entschlüsseln und gleichzeitig zu ergründen, was einigen von ihnen das Überleben sicherte.
Die urzeitlichen Ereignisse am Ende des Erdzeitalters Perm und dem Beginn der sogenannten Trias-Epoche gelten in der Wissenschaft als das größte Massenaussterben in der Erdgeschichte. Ausgelöst wurde dieses extreme finale Verschwinden von Arten wohl durch mehrere Vulkanausbrüche in Sibirien, vermuten Geologen. In deren Folge wurden massiv Treibhausgase freigesetzt, was zu erheblichen Veränderungen des Klimas führte: Es erwärmte sich im Laufe von Jahrtausenden um insgesamt zehn Grad. Diese „Klimaapokalypse“, wie der urzeitliche Vorgang auch bezeichnet wird, löschte in großem Umfang das Leben auf der Erde aus.
So weit, so bekannt. Unklar war den Wissenschaftlern bislang hingegen weitgehend, warum einige Arten überleben konnten. Um dieses Rätsel zu lösen, bediente sich der Hamburger Forscher Foster des Maschinellen Lernens, einem Teilbereich der Künstlichen Intelligenz. Beim Maschinellen Lernen werden Computer so trainiert, dass diese aus Daten und Erfahrungen lernen und sich dabei kontinuierlich verbessern, ohne explizit darauf programmiert zu werden. Maschinelles Lernen schult Algorithmen dahingehend, dass sie in der Lage sind, Muster und Korrelationen in großen Datensätzen aufzuspüren. Auf Basis dieser Analyse können dann bestmöglich Entscheidungen und Vorhersagen getroffen werden. Die Besonderheit bei der Anwendung Maschinellen Lernens besteht darin, dass mit der Nutzung dieser Form von KI die Analysen immer genauer werden, je mehr Daten zur Verfügung stehen.
Mit KI Artenverlusten auf der Spur
In diesem Fall des urzeitlichen Massensterbens untersuchten Paläontologe Foster und sein Forschungsteam 1.283 Gattungen fossiler Meeresbewohner, deren Versteinerungen datiert werden konnten. Dafür nutzte das Team eine Datenbank, die Auskunft über die Lebensweise der Organismen gibt. Durch die Untersuchung der Lebensweise der ausgestorbenen Meeresorganismen konnte das Team um Dr. Foster die Artenverluste direkt auf drei Veränderungen zurückführen: eine Abnahme des Sauerstoffs im Meerwasser, eine Erhöhung der Wassertemperatur und wahrscheinlich eine Versauerung der Meere.
Die Wissenschaftler untersuchten mithilfe der KI zwölf Aspekte für jede Gattung. Dabei ging es letztlich immer um die Frage, ob eine bestimmte Eigenschaft die Wahrscheinlichkeit, unter den Bedingungen des End-Perms zu überleben, ermöglichte oder eher nicht? Mittels Maschinellen Lernens war es den Forschern möglich, die verschiedenen Faktoren gleichzeitig und verknüpft zu untersuchen. Und als besonders vorteilhaft erwies sich, dass die Wissenschaftler mit einer neuen Methode des Maschinellen Lernens erstmals aufschlüsseln konnten, warum der Algorithmus jeweils so und nicht anders entschied. „Mit bisherigen Anwendungen des Maschinellen Lernens hätten wir das nicht sagen können“, erläuterte Prof. Forster.
Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen demnach, welche Eigenschaften der Organismen jeweils als potenziell todbringend zu werten sind. Dabei erwiesen sich vier Merkmale als besonders wichtig, wie das Forschungsteam berichtet: das Verbreitungsgebiet im Wasser, die Mineralisierung der Schale, der Artenreichtum der Gattung und die Empfindlichkeit für Versauerung. Im Umkehrschluss bedeute dies, so die Wissenschaftler, dass Tiergattungen mit großem Verbreitungsgebiet und vielen Arten, welche sinkende pH-Werte des Meerwassers tolerieren, vor 252 Millionen Jahren die besten Überlebenschancen hatten. Und das gelte möglicherweise auch für die Zukunft, fügt Prof. Foster hinzu.
Im Verlauf der jüngeren Erdgeschichte kam es im Abstand von mehreren zehn Millionen Jahren immer wieder zu mehr oder weniger stark ausgeprägten Artensterben. Diese auch als „Faunenwechsel“ bezeichneten Ereignisse in der Erdgeschichte unterscheiden die Wissenschaftler von normalem sogenanntem Hintergrundaussterben durch außergewöhnlich drastische Verluste von Populationen einer Art innerhalb kurzer Zeit.
Ist das nächste Massensterben bereits im Gang?
Etliche Expertengremien meinen inzwischen, das sechste Massenaussterben in der Geschichte des Lebens habe bereits begonnen. So erwartet etwa ein Bericht des Weltbiodiversitätsrats der Vereinten Nationen aus dem Jahr 2019, dass rund eine Million Tier- und Pflanzenarten innerhalb der nächsten Jahrzehnte vom Aussterben bedroht sein werden. Einen direkten Vergleich dieses Massenaussterbens mit früheren erdgeschichtlichen Krisenzeiten halten Wissenschaftler jedoch deshalb für problematisch, weil gegenwärtig anthropogene Faktoren die Entwicklung maßgeblich beeinflussen. So nennt der IPBES-Bericht als Ursachen für das aktuelle Aussterben in der Reihenfolge ihrer Bedeutung den Verlust von Lebensraum, Veränderungen in der Landnutzung, Jagd und Wilderei, Klimawandel, Umweltgifte sowie das Auftreten von Neobiota. Bei Letztgenannten handelt es sich um Tier- oder Pflanzenarten, die von Natur aus nicht in bestimmten Regionen der Welt vorkommen, sondern erst durch den Einfluss des Menschen „importiert“ wurden.
Experten schätzen, dass das Artensterben bereits im Schnitt mindestens zehn- bis hundertfach schneller fortschreitet, als es in der Evolution üblich ist. Ihre Folgerung daraus: Es ist höchste Zeit, zu handeln. Denn der Verlust der Vielfalt der Tier- und Pflanzenwelt sei für die Existenz der Menschheit ebenso bedrohlich wie der Klimawandel, warnen die Experten. Sie setzen beim Schutz der Artenvielfalt übrigens ebenfalls auf Künstliche Intelligenz: Denn KI gilt auch als eine Schlüsseltechnologie, um die Herausforderungen von Artenschutz und Landnutzung zur Versorgung einer wachsenden Weltbevölkerung mit Lebensmitteln besser in Einklang zu bringen.
Weitere Informationen:
- https://www.uni-hamburg.de/newsroom/presse/2022/pm11.html
- https://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/ki-auswertung-zum-groessten-massenaussterben-der-erdgeschichte-artenreiche-gattungen-hatten-bessere-chancen-a-3f21ed65-8f31-46ec-9fd0-82948d34d8d7
- https://www.swr.de/swr2/wissen/kuenstliche-intelligenz-entschluesselt-massenaussterben-in-der-urzeit-100.html
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Foto: CHAINFOTO24 / shutterstock.com
