A digitised specimen-level database of the Arthur Bott Lepidoptera collection

Stellen Sie sich die natürliche Welt als eine riesige, lebendige Bibliothek vor. Seit Jahrhunderten sind Wissenschaftler damit beschäftigt, Bücher über die Kreaturen zu schreiben, die sie finden, aber die meisten dieser „Bücher“ sind eigentlich physische Objekte: getrocknete Insekten, die auf Pappen geheftet in staubigen Holzkisten in Museen und Dachböden aufbewahrt werden. Diese Sammlungen sind wie Zeitkapseln. Sie sagen uns nicht nur, wie ein Schmetterling aussah; sie sagen uns auch, wo er war, wann er dort war und wie das Wetter in diesem Moment war. Dies ist entscheidend, da sich die Welt schnell verändert. Um zu verstehen, wie Tiere auf einen wärmer werdenden Planeten reagieren, müssen wir in die lange Geschichte blicken, die in diesen alten Kisten geschrieben steht, und nicht nur das betrachten, was wir heute sehen. Die große Herausforderung besteht jedoch darin, diese physischen Schätze in digitale Daten zu verwandeln, die für jeden durchsuchbar, vergleichbar und nutzbar sind.

In dieser Arbeit geht es darum, eine dieser verschlossenen Kisten zu knacken und sie in ein superstarkes digitales Werkzeug zu verwandeln. Die Autoren haben eine massive Privatsammlung von Schmetterlingen digitalisiert, die der enthusiastische Amateur Arthur Bott über 60 Jahre lang aufgebaut hat, und jedes einzelne der 5.974 Exemplare digital erfasst. Man kann es sich wie das Scannen einer Bibliothek von 6.000 einzigartigen Insekten vorstellen und deren Organisation in eine intelligente Datenbank, die sie mit globalen Karten, Naturschutzlisten und sogar den DNA-Codes ihrer Verwandten verknüpft. Aber sie hörten nicht nur bei Namen und Daten auf. Sie machten auch hochtechnisierte Fotos der Schmetterlingsflügel, um die Helligkeit der Farbe zu messen. Warum? Weil es eine coole Theorie gibt, die „thermische Melanismus“ genannt wird und besagt, dass Tiere, die in kälteren, höheren Bergregionen leben, dunklere Farben entwickeln, um mehr Sonnenwärme aufzusaugen – so als würde man an einem Wintertag ein schwarzes Hemd tragen. Durch die Messung der Flügel eines spezifischen Schmetterlings namens Euphydryas aurinia in verschiedenen Höhenlagen der Berge fanden die Forscher starke Belege, die diese Idee unterstützen: Je höher man am Berg kam, desto dunkler (und weniger hell) tendenzierten die Flügel der Schmetterlinge.

Die digitale Zeitmaschine

Die Geschichte beginnt mit Arthur Bott, einem systematischen Insektsammler aus Deutschland, der Jahrzehnte damit verbrachte, Schmetterlinge und Motten zu fangen, aufzupinnen und zu etikettieren. Seine Sammlung ist ein Schatzhaus, das fast 6.000 Exemplare enthält, die zwischen 1900 und 2002 gesammelt wurden. Es ist wie eine Momentaufnahme der mitteleuropäischen Natur über ein ganzes Jahrhundert hinweg. Lange Zeit waren diese Daten jedoch in 47 physischen Insektenkästen gefangen. Um ihr Potenzial auszuschöpfen, beschloss ein Forscherteam unter der Leitung von Felix Weber und Johannes Balkenhol, die gesamte Sammlung zu digitalisieren.

Sie haben die Namen nicht einfach nur in eine Tabelle eingetippt; sie haben eine hochentwickelte digitale Datenbank erstellt. Stellen Sie sich ein riesiges, vernetztes Web vor, in dem jeder einzelne Schmetterlingsstift ein Knotenpunkt ist. Dieser Knotenpunkt verbindet sich mit seinem Artnamen, seinem Stammbaum, den exakten GPS-Koordinaten des Fundorts, dem Datum und sogar der Information, ob es sich um einen Wildfang oder ein gezüchtetes Exemplar handelt. Die Datenbank ist „normalisiert“, was eine schicke Art zu sagen ist, dass sie die Daten so organisiert haben, dass es keine unordentliche Redundanz gibt. Wenn man nach einer Art sucht, sieht man sofort alle möglichen Erhaltungszustände, wie zum Beispiel, ob sie in Bayern als „gefährdet“ gelistet oder durch die Europäische Union geschützt ist.

Die Detektivarbeit der Farben

Hier wird das Projekt wirklich kreativ. Die Forscher wollten eine bestimmte Idee testen: Werden Schmetterlinge dunkler, wenn sie höher oben in den Bergen leben? Um dies zu testen, konzentrierten sie sich auf 77 Exemplare eines Schmetterlings namens Euphydryas aurinia (der im Deutschen als Gebänderter Dickköpfig oder auch im Kontext der Beschreibung als Teichheidchen/Marmorierte Dickkopffalter bekannt ist). Diese wurden in Höhenlagen von 600 Metern bis hinauf zu kühlen 2.300 Metern gesammelt.

Das Team richtete ein spezielles Fotostudio mit perfekter, konsistenter Beleuchtung ein. Sie machten hochauflösende Makroaufnahmen der Schmetterlingsflügel. Anschließend nutzten sie die Computersoftware (Fiji), um eine digitale „Maske“ über den Schmetterling zu legen, um das Insekt vom Hintergrund zu trennen. Die Software berechnete die durchschnittliche Helligkeit der Flügelpixel auf einer Skala von 0 (tiefschwarz) bis 255 (strahlend weiß).

Die Ergebnisse waren eindeutig und statistisch signifikant. Mit zunehmender Höhe sank die durchschnittliche Helligkeit der Flügel. In einfachen Worten: Die Schmetterlinge, die höher oben am Berg lebten, waren dunkler. Die Daten zeigten eine starke negative Korrelation, was bedeutet, dass die Flügel mit jedem Schritt den Berg hinauf messbar dunkler wurden. Dies stützt die Hypothese des „thermischen Melanismus“ und legt nahe, dass sich diese Schmetterlinge durch dunklere Flügel natürlich an die kältere Bergluft anpassen, um mehr Sonnenwärme zu absorbieren.

Was die Daten uns sagen (und was sie nicht tun)

Die Arbeit ist sehr vorsichtig in dem, was sie behauptet. Sie sagt nicht, dass dies der einzige Grund ist, warum Schmetterlinge dunkler werden, noch behauptet sie, das gesamte Rätsel der Klimaanpassung gelöst zu haben. Stattdessen deutet sie darauf hin, dass innerhalb dieser spezifischen Gruppe von Schmetterlingen in den Alpen ein klares Muster existiert: Höhere Lage bedeutet dunklere Flügel.

Die Forscher gingen auch Detektivarbeit, um sicherzustellen, dass ihre Ergebnisse solide sind. Sie stellten fest, dass einige Schmetterlinge aus unterschiedlichen geografischen Gebieten stammten, die genetisch verschieden sein könnten, was die Daten verfälschen könnte. Als sie eine spezifische Gruppe aus der Region „Basses Alpes“ (die weit entfernt von der Hauptalpenregion liegt) entfernten, wurde der Trend tatsächlich noch stärker. Dies bestätigte, dass das Muster real ist und nicht nur ein Zufallsprodukt der Vermischung verschiedener Populationen.

Sie testeten auch, wie empfindlich ihre Messungen auf die Einstellungen der Computersoftware reagierten. Sie fanden heraus, dass sich die exakten Zahlen zwar leicht änderten, je nachdem, wie sie den „Schwellenwert“ für das, was als „dunkel“ gilt, einstellten, der Gesamttrend jedoch gleich blieb: höhere Lage, dunklere Flügel. Dies gibt ihnen Vertrauen in die Robustheit des Befundes.

Ein Entwurf für die Zukunft

Diese Arbeit ist nicht nur über eine einzige Sammlung; sie ist ein Entwurf dafür, wie man mit Millionen anderer Insektenkästen umgeht, die in Dachböden und kleinen Museen auf der ganzen Welt stehen. Die Autoren haben ihr System mit Open-Source-Werkzeugen aufgebaut und alles kostenlos zur Verfügung gestellt. Sie haben eine Website erstellt, auf der jeder die Datenbank durchsuchen, die Schmetterlinge sehen, die Karten betrachten und sogar seine eigene Analyse der Farbdaten durchführen kann.

Sie haben die Sammlung auch mit anderen massiven globalen Datenbanken wie GBIF und BOLD Systems verknüpft, sodass diese lokale Sammlung deutscher Schmetterlinge nun mit dem weltweiten Wissen über Insekten verbunden ist. Es ist ein perfektes Beispiel für die „FAIR“-Prinzipien: Daten findbar, zugänglich, interoperabel und wiederverwendbar zu machen.

Letztendlich verwandelt diese Arbeit ein staubiges, privates Hobby in eine öffentliche wissenschaftliche Ressource. Sie beweist, dass selbst mit begrenzten Mitteln ein kleines Team eine massive Sammlung digitalisieren und diese nutzen kann, um große Fragen darüber zu beantworten, wie die Natur auf die Umwelt reagiert. Die Daten sind nun offen, die Werkzeuge sind bereit, und die Geschichte von Arthur Botts Schmetterlingen ist nun Teil des globalen Gesprächs über Biodiversität und Klimawandel.