Edaphobase eine Datenbank (nicht nur) für Bodentiere

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1 Edaphobase eine Datenbank (nicht nur) für Bodentiere Von der Karteikarte zum Data-Warehouse die Görlitzer Museumsdatenbank kann weit mehr, als nur Sammlungsobjekte zu verwalten von Ulrich Burkhardt p Abb. 1 Woher kommen sie? Wohin gehen sie? Welche Massen an Gliederfüßern im Boden leben, wird uns oft erst klar, wenn sie einmal an die Oberfläche kommen. Massenansammlung von Springschwänzen (Hypogastrura viatica) auf Rügen Foto: Holger H. Dathe Eine wesentliche Aufgabe von Naturkundemuseen besteht darin, Sammlungen wissenschaftlicher Objekte und ihrer Begleitdaten zu erstellen, zu bewahren und über die eigene Nutzung hinaus öffentlich zugänglich zu machen. Doch eine moderne Museumsdatenbank kann weit mehr leisten. Die Görlitzer Bodenzoologen machen vor, wie aus einer Sammlung eine weltweit zugängliche Datengrundlage für international vernetzte Ökosystemforschung wird. Als Wolfram Dunger, der ehemalige Direktor des Museums und Begründer der Bodenzoologie in Görlitz, vor etwa 60 Jahren damit begann, im Boden lebende Kleinst lebewesen systematisch zu sammeln, zu bestimmen, zu präparieren und in einer Sammlung aufzubewahren, konnte er kaum ahnen, wie vielfältig die wertvollen Begleitinformationen vom Fundort dieser Tiere einmal genutzt werden könnten. Wohl hat man zu den naturkundlichen Sammlungsobjekten 100 Forschung SENCKENBERG natur forschung museum 145 (3/4) 2015

2 t Abb. 2 Die Verwaltung und Mobilisierung unserer Forschungssammlungen ist nur eine wichtige Funktion von Edaphobase. Eine Standardisierte Datenextraktion ermöglicht auch hier, zusammen mit Literatur- und unveröffentlichen Beobachtungsdaten, umfassende Abfragen und Auswertungen zu Verbreitung und ökologischen Ansprüchen einzelner Arten und Gemeinschaften der Bodenfauna. Foto: Ulrich Burkhardt auch damals schon außer genauen Angaben zu Fundort und Funddatum Informationen wie Humusform, Säuregrad, Wassergehalt oder Biotoptyp festgehalten. Hier stand man aber noch von dem Problem, dass diese Informationen auf Karteikarten niedergeschrieben waren, die nur schwer nach mehreren Parametern zugleich ausgewertet werden konnten. Der Datenschatz, der in unserer Sammlung schlummerte, konnte daher noch nicht gehoben werden. Im Lauf der Jahre vertieften die Bodenzoologen in Görlitz die von Professor Dunger begonnene Ökosystemforschung. Schon lange war klar, dass gerade die zusätzlichen Informationen zu Fundumständen, Vegetation, Klima und weitere Umweltdaten am Fundort ebenso wie Details zur Sammeltechnik oder zu den Zielen der Beprobung für neuartige Fragestellungen sehr aufschlussreich sein konnten. An verschiedenen Standorten kommen unterschiedliche Bodentierarten in unterschiedlichen Häufigkeiten vor: Welche Parameter beeinflussen diese Unterschiede Vegetation, Bodenchemie, Bodenstruktur, Nährstoffausstattung, menschliche Nutzung? Wie beeinflussen sich die Parameter wechselseitig? Und kann man umgekehrt aus Arteninventar und Häufigkeiten der Arten einen Normalzustand eines Standorts ermitteln nachverfolgen, wie er sich verändert, über Jahrzehnte, durch Sukzession oder durch menschliche Nutzung; vielleicht sogar frühzeitig Störungen erkennen, die die Bodenfunktionalität beeinträchtigen könnten? Ein erster enormer Fortschritt war die Digitalisierung, weg von Karteikarten hin zur Speicherung großer Datenmengen, und die Einführung relationaler Datenbanksysteme ab den 1970er Jahren. Mit ihnen sind auch komplexe, filternde Abfragen der Datenbestände möglich. Der digitale Austausch zwischen einzelnen Datenbanken war der nächste notwendige Schritt. Noch hatten viele dieser Datenbanken ihre eigene innere Struktur, sowohl im Inhalt als auch in der Art der Datenverwaltung. Vor allem aber fehlte noch der Anschluss an den Verkehrsträger, auf dem diese Daten auch überregional ausgetauscht werden können: das Internet. Genau an diesen beiden Knackpunkten setzt das bodenzoologische Informationssystem Edaphobase am Senckenberg Museum für Naturkunde Görlitz an. Seit 2009 werden vorhandene Datensammlungen gleichartig konfektioniert und Schritt für Schritt über Onlineserver weltweit öffentlich zugänglich; die Listen zur Sammlungsverwaltung früherer Zeiten sind zum serviceorientierten Datenrepositorium herangereift (Raub et al. 2012). Edaphobase als Datenrepositorium und Bewertungswerkzeug In Kooperation mit rund zwanzig Projektpartnern fasst Edaphobase Daten zur Bodenbiodiversität mit einer Vielzahl von Biotoptypen und -parametern zusammen und macht sie für verschiedene Auswertungsverfahren allen SENCKENBERG natur forschung museum 145 (3/4) 2015 Forschung 101

3 q Abb. 3 Im Ausgabeportal von Edaphobase können Nutzer ihre Abfragen filtern, gruppieren, speichern und ausdrucken. Die hier gezeigte Verteilung der Fundpunkte zweier Schwesterarten der Tausendfüßer in Deutschland verdeutlicht unterschiedliche Verbreitungsschwerpunkte der Arten. 100 km 100 mi 102 Forschung SENCKENBERG natur forschung museum 145 (3/4) 2015

4 interessierten Nutzern online verfügbar. Als Datenplattform (Repositorium) sammelt und bewahrt Edaphobase Informationen aus diversen Forschungsbereichen in der Bodenzoologie, darunter Forschungsdaten zu Taxonomie, Nahrungsanalysen, DNA- und Proteindaten, Biodiversität, Ausbreitungsprozessen, Habitatpräferenzen und Abhängigkeiten von Umwelt parametern. Diese Zusammenstellung taxonomischer Informationen, faunistischer Daten und ökologischer Daten aus Belegsammlungen, Literatur, Forschungsprojekten und Gutachten ermöglicht umfassende Abfragen und Auswertungen zur Verbreitung und zu den ökologischen Ansprüchen einzelner Arten der Bodenfauna sowie zum Auftreten von Artengruppen und Gemeinschaften an spezifischen Standorten (Burkhardt et al. 2014). Die aufgenommenen Daten umfassen durchaus reale Sammlungsobjekte und ihre Begleitdaten, die Mehrheit jedoch bilden Beobachtungsdaten, deren zugrunde liegende Objekte nach der Artidentifikation verworfen wurden. Sind diese Beobachtungen oder Messungen detailliert genug beschrieben, so stellen sie gleichwohl wertvolle Forschungsprimärdaten dar. Nach Abschluss der Forschungen gut dokumentiert und öffentlich zugänglich gemacht, können sie im Rahmen neuer Fragestellungen auch über das ursprüngliche Forschungsthema hinaus weiter genutzt werden. Die Daten werden im Originaltext gespeichert. So werden Informationsverluste z. B. durch eine fehlerhafte Übertragung vermieden. Gleichwohl wird für den Datensatz auch eine ergänzende Übersetzung erarbeitet, in der die Informationen in standardisierte Begriffe übertragen werden. Anhand kontrollierter und international gebräuchlicher Vokabularlisten können dadurch Daten verschiedener Untersuchungen miteinander verglichen werden. Auf diese Weise sind die Informationen von Edaphobase auch über internationale Netzwerke recherchierbar. Eine flexible Datenbankstruktur für unterschiedliche Nutzer Der deutlich komfortablere internationale Austausch unter den Wissenschaftlern ist nur eine der vielen neuen Möglichkeiten, die Edaphobase schafft. Es gibt noch viele andere: Manche Forscherkollegen möchten vielleicht den tatsächlichen Sammlungsbestand einsehen, um nach Ausleihobjekten zu suchen; andere suchen, ebenso wie Behörden aus Land- und Forstwirtschaft oder Naturschutz, Naturschutzorganisationen und Gutachterbüros, nach Begleitinformationen zu bestimmten Arten oder der Artenzusammensetzung in einem bestimmten Gebiet, einschließlich Angaben zu den Häufigkeiten oder Veränderungen über die Zeit. Bodenzoologisch arbeitende Institutionen schließlich forschen an unterschiedlichen Bodentiergruppen: Asseln, Regenwürmer, Fadenwürmer, Milben, Springschwänze, Tausendfüßer u. v. m. Für sie sind besonders Untersuchungen von Interesse, von denen an einem Standort Daten zu mehreren Tiergruppen erhoben wurden, um an diesen Artengemeinschaften Abhängigkeiten von Standortbedingungen zu studieren. In solchen Fällen bietet Edaphobase auch Gruppierungswerkzeuge wie etwa Kreuztabellen, um Zusammenhänge zwischen Verteilungsmustern von Arten und bestimmten Begleitparametern herauszufinden. Die sehr verschiedenen Nutzergruppen haben also durchaus unterschiedliche Ansprüche an das Datenbanksystem. Solche völlig frei bestimmbaren Abfragen sind möglich, weil das Datenbankkonzept, das Edaphobase zugrunde liegt, ein relationales Daten- und ein Entity-Attribute-Value -Modell kombiniert und durch diese Modularisierung die nötige hohe Flexibilität und Erweiterbarkeit der Abfragemöglichkeiten garantiert. p Abb. 4 Das flexible Datenbanksystem ermöglicht die problemlose Aufnahme neuer Parameter und weiterer Tiergruppen. Seit 2014 werden z. B. auch Daten zu Landasseln erfasst. SENCKENBERG natur forschung museum 145 (3/4) 2015 Forschung 103

5 p Abb. 5 Wildschweine saufen glykolhaltige Fangflüssigkeiten aus den Bodenfallen mit großem Vergnügen. Um für die Standardisierung unserer Beprobungen vergleichbare Bedingungen zu gewährleisten und unerwünschte Störungen auf unseren Probeflächen möglichst gering zu halten, sind in einigen Gebieten Sachsens Umzäunungen angebracht. Foto: Hubert Höfer Natürlich dient Edaphobase auch der Verwaltung der eigenen Forschungssammlungen. Naturkundlich interessierte Nutzer von außerhalb suchen vielleicht Informationen zu Verbreitung oder Aussehen einzelner Arten(gruppen). Sie können sich hierzu die in Edaphobase eingespeisten Fundpunkte auf Karten darstellen lassen, die Verteilung verschiedener Arten miteinander vergleichen und auf die im Aufbau befindliche Bilddatenbank zugreifen. Mithilfe der Daten in Edaphobase ist es so auch möglich, nationale Checklisten für Bodentiergruppen zu erstellen (Lehmitz et al. 2014). Datenbasis für völlig neuartige Fragestellungen Durch die Möglichkeit, Daten verschiedener Untersuchungen zu standardisieren und vergleichbar zu machen, steigt die Größe des auswertbaren Datenbestands und die Aussagekraft für das Verständnis ökologischer Anforderungen von Bodenorganismen. So können wir erforschen, wie sich Klimaveränderungen auf die Aktivität der Tiere auswirken, wie dadurch Abbauprozesse im Boden verändert werden oder wie Bodenorganismen auf das Auftreten neuer Tier- und Pflanzenarten reagieren. Durch die Zusammenfassung mehrerer Untersuchungen können Istzustände des Arteninventars in einem gegebenen Biotoptyp genauer bestimmt und daraus Referenzwerte für den Normalzustand dieses Biotops definiert werden; so lässt sich beispielsweise im Rahmen von Langzeitbeobachtungen (Monitoring) der Erhaltungszustand eines Biotops beurteilen (Ruf et al. 2013). Die Nutzer können nicht nur detaillierte Datenpakete darstellen, nach eigenen Forschungsinteressen neu zusammenstellen und zur Weiternutzung speichern, sondern auch eigene lokale Versionen des Datenbanksystems erstellen, eigene Datenpakete hochladen und analysieren und die eigenen Daten nach Wunsch in die Hauptdatenbank einspeisen. Edaphobase garantiert damit als Datenrepositorium die nachhaltige Verfügbarkeit wertvoller Forschungsdaten. Alle selbst erstellten Auswertungsmatrizen können für eine spätere Weiterverwendung gespeichert oder für externe Anwendungen als Tabelle exportiert werden. Weiterentwicklung zu Vielfalt und Nutzerfreundlichkeit Nachdem in der ersten Projektphase vorrangig Daten zusammenführt wurden, arbeiten wir aktuell an der Optimierung der Abfragealgorithmen. Weiter werden derzeit eigene statistische Auswertungstools direkt in Edaphobase sowie Modelle zur Vorhersage der Verteilung von Bodenorganismen entwickelt und sukzessive implementiert. Damit wird es möglich sein, Erwartungswerte zur Biodiversität aufzustellen sowie Veränderungen zu prognostizieren, die sich aufgrund veränderter Habitatbedingungen ergeben könnten. Solche Prognosen können helfen, langfristig die Biodiversität des Bodens zu bewahren und eine weitere Degradation dieses Umweltkompartiments zu verhindern (Philippi & Köhler 2006). 104 Forschung SENCKENBERG natur forschung museum 145 (3/4) 2015

6 Der Autor Eine öffentlich zugängliche Datenbank lebt davon, dass sie genutzt wird. Deshalb muss sie sich an die Anforderungen ihrer Anwender anpassen, starre Systeme werden von Nutzern nicht angenommen (Boyle 2013). Hierzu befragen wir unsere Kunden gezielt, bieten Anwenderschulungen und Kooperationsprojekte mit Gutachtern und Behörden an, die bei der Erhebung von Daten für eigene Forschungsaufgaben Edaphobase nutzen und unser System für die eigene Forschung evaluieren. Die Ergebnisse fließen wiederum in die Weiterentwicklung der Datenbank ein, um sie noch stärker an die Bedürfnisse und Anforderungen ihrer Nutzer anzupassen. Derzeit werden beispielsweise neue Parameter aus den Bereichen der funktionellen Merkmale (traits), der Fettsäureanalysen und der Häufigkeitsanalysen stabiler Kohlenstoff- und Stickstoffisotope zur Erforschung von Nahrungsnetzen implementiert (s. Beitrag von Lang in diesem Heft). Nutzerfreundlichkeit hat eine hohe Priorität Der erste Eindruck ist prägend für eine Beziehung. Das gilt nicht nur für solche zwischen Menschen, sondern auch für die Performance einer Datenbank. Die Beziehung zur Datenbank beginnt mit der Eingabe eigener Daten. Da wohl fast jeder Forscher seine Daten in selbstgestalteten Dr. Ulrich Burkhardt arbeitet seit 2013 am Senckenberg Museum für Naturkunde Görlitz als Projektkoordinator in der zweiten Projektphase der taxonomisch-ökologischen Datenbank Edaphobase. Hier entwickelt er Methoden zur Nutzeroptimierung und Erweiterung von Recherchefunktionen und Prognosetools und forscht an Möglichkeiten zur verstärkten Vernetzung bestehender Ökologie- und Taxonomiedaten mit neuen Parametern aus Biochemie und Molekularbiologie. Kontakt: Dr. Ulrich Burkhardt, Senckenberg Museum für Naturkunde Görlitz, Am Museum 1, D Görlitz; Datenbankstrukturen pflegt, nimmt Edaphobase die Daten in der Form auf, wie die Nutzer sie zusammengestellt haben. Ein Importmenü ermöglicht den Nutzern, ihre Datentabellen in eine von Edaphobase lesbare Form zu bringen. Anschließend identifiziert, überträgt und transformiert das Programm die Daten, prüft zum Beispiel ihre Vollständigkeit oder Schreibfehler und liest sie in die Datenbank ein. Falls manche Parameter in Edaphobase noch nicht vorhanden sind, können sie beim Import hinzugefügt werden, sodass keine Information verlorengeht. Der durch Nutzerbefragungen ermittelte Bedarf wird von unseren Software-Entwicklern am Senckenberg Museum Görlitz konsequent in die Recherche- und Auswertungstools eingebaut. Auf diese Weise gewährleisten wir, dass die Datenbank langfristig und international als Serviceleistung für die Wissenschaft genutzt wird. Schriften Beylich, A., Broll, G., Graefe, U., Höper, H., Römbke, J., Ruf, A. & Wilke, B. M. (2005): Biologische Charakterisierung von Böden. Ansatz zur Bewertung des Bodens als Lebensraum für Bodenorganismen im Rahmen von Planungsprozessen. BVB-Materialien 13, & Boyle, J. (2013): Biology must develop its own big-data systems. Nature 499, 7. & Burkhardt, U., Russell, D. J., Decker, P., Döhler, M., Höfer, H., Lesch, S., Rick, S., Römbke, J., Trog, C., Vorwald, J., Wurst, E. & Xylander, W. E. R. (2014): The Edaphobase Project of GBIF-Germany A new online soil-zoological data warehouse. Applied Soil Biology 83: & Lehmitz, R., Römbke, J., Jänsch, S., Krück, S., Beylich, A. & Graefe, U. (2014): Checklist of earthworms (Oligochaeta: Lumbricidae) from Germany. Zootaxa 3866, 2: & Philippi, S. & Köhler, J. (2006): Addressing the problems with life-science databases for traditional uses and systems biology. Nat. Rev. Genet. 7, & Raub, F., Stierhof, T. & Höfer, H. (2012): Vom Karteikasten zu modernen Informationssystemen die Entwicklung der zoologischen Datenbanken am Staatlichen Museum für Naturkunde Karlsruhe. Carolinea 70: & Ruf, A., Beylich, A., Blick, T., Buechs, W., Glante, F., Hoess, S., Roß-Nickoll, M., Ruess, L., Russell, D. J., Römbke, J., Seitz, H., Theißen, B., Toschki, A., Weinmann, C. & Züghart, W. (2013): Soil organisms as an essential element of a monitoring plan to identify the effects of GMO cultivation. Requirements Methodology Standardisation. BioRisk 8, & Turbé, A., de Toni, A., Benito, P., Lavelle, P., Ruiz, N., van der Putten, W., Labouze, E. & Mudgal, S. (2010): Soil biodiversity: functions, threats, and tools for policy makers Biointelligence Service. IRD and NIOO. 250 S.; Report for European Commission (DG Environment), Brüssel. SENCKENBERG natur forschung museum 145 (3/4) 2015 Forschung 105