Mit datenbasierten Fakten gegen die Zwillingskrise

Sie gelten als die derzeit weitreichendsten globalen Umweltkrisen – und als Zwillingskrise: Der Klimawandel und der Rückgang der Biodiversität. Zum einen ringt die Menschheit derzeit darum, die Zunahme der globalen Temperatur zu begrenzen, um so die schlimmsten Auswirkungen des Klimawandels für den Planeten Erde zu verhindern. Zum anderen ist sie damit konfrontiert, dass laut Weltbiodiversitätsrat in den nächsten Jahrzehnten weltweit eine Million Arten aussterben könnten. Rund um den Globus ist die Wissenschaftsgemeinschaft deswegen dabei, die Auswirkungen dieser Transformationen zu quantifizieren. Dies bedeutet, dass Datengrundlagen geschaffen werden, um die damit verbundenen Herausforderungen zu bewältigen und um Wege aufzuzeigen, wie die Menschheit dagegen ansteuern kann. Einer dieser Wissenschaftler ist Miguel Mahecha, Professor an der Universität Leipzig und Leiter der AG Umweltdatenwissenschaften am Fernerkundungszentrum für Erdsystemforschung. "Globale Erwärmung und Veränderungen der Biodiversität verlaufen parallel. Und auch wenn beiden Trends unterschiedliche Mechanismen zugrunde liegen, beeinflussen sie sich gegenseitig. Wollen wir diesen Kontext besser verstehen, braucht es ein gemeinschaftliches Vorgehen, um diese miteinander verknüpften Themenfelder zu untersuchen", sagt er.

Der Fernerkundler empfängt im Institut für Erdsystemwissenscahft und Fenerkundung (ehemals Geophysik und Geologie) in der Talstraße 35, dessen Leitung er im Oktober 2022, zweieinhalb Jahre nach dem Antritt seiner Professur, übernahm. Sein Büro am Ende des Gangs ist frisch saniert, der Dielenboden glänzt, die Wände sind noch recht kahl, ein Schreibtisch und zwei Stühle müssen fürs erste reichen. Viel Zeit, sich mit Einrichtung seines Büros zu beschäftigen, hatte er bislang offensichtlich nicht. Doch das passt ins Bild: Erderwärmung und Artensterben schreiten mit hohem Tempo voran, die Menschheit muss rasch reagieren, die Wissenschaft will liefern. Mahechas Beitrag dafür ist der analytische Umgang mit großen Datenmengen, um daraus quantitative Aussagen treffen zu können. "Dank Fernerkundung, Citizen Science und Monitoringprogrammen sind mittlerweile viele globale Daten verfügbar. Das ermöglicht es auch, globale Krisen zu verstehen", sagt er.

Seinen persönlichen Aha-Moment hatte der heute 44-Jährige während seines Geoökologiestudiums Anfang der 2000er Jahre an der Universität Bayreuth, wie er rückblickend mit einer Tasse Kaffee in der Hand erzählt: "Ich habe damals in einem Biodiversitätsprojekt in Ecuador mitgearbeitet, und mein Job war es, die Daten mit Excel zu visualisieren. Das hat aber nicht funktioniert", sagt er. Eines Nachmittags las Mahecha dann in der Bibliothek einen Artikel über die Dimensionsreduktion – ein Ansatz, mit dem man große Datenmengen komprimiert, um leichter Trends oder Aussagen in sehr großen Datensätzen erkennen zu können. "Das fand ich spannend, und mein damaliger Professor hat mich machen lassen, so dass wir dann munter experimentiert und komprimiert haben", sagt er. Auf diese Weise erkannte er in dem Datensatz aus Ecuador einen Gradienten zur Vegetationssukzession, der zuvor in den Daten unentdeckt geblieben war. "Da hatte ich verstanden: Man kann aus Daten Neues lernen, ohne wie bisher hypothesengetriebene klassische Forschung zu machen", sagt er. "Dieser Überraschungsmoment hat mich geflasht. Seitdem ist mir klar, datengetriebene Forschung wird die Welt verändern."

Fokus auf Interdisziplinarität

War der Einsatz der Datenwissenschaften vor mehr als 20 Jahren noch eher Avantgarde, gelten sie heutzutage als Standardrepertoire in der Forschung. "Data Science ist mittlerweile im Mainstream angekommen, und wir sind hier an der Universität Leipzig insbesondere dank der Gründung von Scads.AI sehr gut positioniert", bilanziert Miguel Mahecha, der nach seiner Promotion an der ETH Zürich im Jahr 2009 für mehr als elf Jahre am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena forschte und dort die Forschungsgruppe "Empirische Inferenz im Erdsystem" leitete. Seit drei Jahren ist er nun in Leipzig. "Was wir hier machen, ist eine neue Art von Forschung und Lehre: datenorientiert, interdisziplinär, methodisch neu", skizziert der Institutsleiter seine Ansprüche. Das macht sich in vielen Punkten bemerkbar, zum Beispiel am wissenschaftlichen Personal: "Mein Team ist maximal interdisziplinär: Meine Kolleginnen und Kollegen kommen beispielsweise aus der Geographie, der Angewandten Mathematik, der Theoretischen Physik, der Bioinformatik und auch eine Datenjournalistin arbeitet im Team. Was für mich zählt, sind die Kompetenzen, die meine Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter mitbringen. Nur wenn sich diese ergänzen, kann das Team funktionieren", sagt er.

Diese Interdisziplinarität kommt auch beim Fernerkundungszentrum für Erdsystemforschung zum Ausdruck, das die Fakultät für Physik und Erdsystemwissenschaften und das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ im Jahr 2020 gründeten. Mahecha ist dort einer der vier Principal Investigators (PIs), die anderen drei sind Experten in der Fernerkundung des Wasserkreislaufes (Prof. Jian Peng), der Biodiversität (Prof. Hannes Feilhauer) und der Böden (Prof. Michael Vohland). Damit bündelt das Zentrum die Leipziger Forschungsaktivitäten etwa bei der Frage, welche Auswirkungen die Dynamiken von Ökosystemen und Wasserressourcen im globalen Wandel über räumliche und zeitliche Skalen hinweg haben. "Jeder der PIs hat eine andere Forschungsdomäne, aber methodisch sprechen wir eine ähnliche Sprache, da wir auf Modellierung und den Einsatz von künstlicher Intelligenz setzen", sagt Mahecha. Einem Puzzle gleich bringt jeder seine Expertise ein, die dann zusammengefügt das große Ganze bilden.

Wichtiger Fokus auf die Lehre

Konsequent ist es, dass diese interdisziplinäre und datengetriebene Forschung seine Fortsetzung in der Lehre findet. So hat die Fakultät zum Wintersemester 2022/23 unter Federführung von Hannes Feilhauer den englischsprachigen Master-Studiengang Earth System Data Science and Remote Sensing aufs Gleis gesetzt, der den Studierenden Technologien und Methoden der umweltbezogenen Datenwissenschaften und Fernerkundung vermitteln soll. "Bereits im ersten Jahrgang schrieben sich Studierende aus den Ingenieurwissenschaften, der Ozeanographie, der Biologie, der Informatik und der Geografie aus der ganzen Welt ein, ohne dass wir dafür Werbung gemacht hätten. Der Studiengang war sofort ausgebucht", sagt Mahecha. Ihm ist die Lehre wichtig ist und eine der Gründe, warum es ihn von einem Max-Planck-Institut in die Hochschulwelt zog. "Mir liegt die kommende Generation von Forscherinnen und Forscher am Herzen. Das sind exzellente Leute, denen wir hier eine breite Ausbildung anbieten. Deswegen sehe ich mich auch in der Pflicht, denen etwas weiterzugeben", erklärt er. Das Schöne ist dabei, dass davon nicht nur die Studierenden profitieren, sondern auch die Lehrenden – so wie Miguel Mahecha selbst.

Eines Tages, so erzählt er, sei ein Informatikstudent in sein Büro gekommen, um über Umweltdaten zu sprechen. Gemeinsam entwarfen die beiden dann die Idee für eine interaktive Anwendung, wie man durch eine Visualisierung mit zwei Raumdimensionen und einer Zeitdimension Klimadaten in Form eines Würfels darstellen kann. Gemeinsam mit Kollegen des Instituts für Informatik entwickelte der Doktorand Maximilian Söchting daraus die 3D-Visualisierung lexcube.org, in der Terrabyte große Satellitenbeobachtungen verarbeitet und in einem dreidimensionalen Würfel dargestellt werden. So lässt sich bequem über das Handy und optisch sehr anschaulich zum Beispiel der Zustand des Waldes im Nationalpark Hainich über die vergangenen Jahre zurückzuverfolgen. "Wir erkennen viel schneller, ob Daten in Ordnung sind oder wo Fehler und Unregelmäßigkeiten auftauchen, sodass diese Visualisierung für die Qualitätssicherung von Datensätzen sehr hilfreich ist", sagt Mahecha und lässt auf seinem Bildschirm mit ein paar schnellen Mausklicks die globalen Temperaturverläufe der vergangenen 40 Jahre auf dem Lexcube Revue passieren. "Solche unverhofften Kollaborationen ergeben sich an unserer Universität andauernd. Das ist eine große Bereicherung für mich", sagt er.

Intelligenter Umgang mit Big Data

Der Umgang mit großen Daten ist einer von Mahechas Kernkompetenzen – und doch sieht er in deren verfügbarer Fülle manchmal ein zweischneidiges Schwert. Denn einerseits sind beispielsweise die Satellitendaten, mit denen sie am Fernerkundungszentrum arbeiten, unerlässlich als Basis für die Forschung. Durch Methoden der künstlichen Intelligenz sind der Datenauswertung scheinbar keine Grenzen mehr gesetzt, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können so neue Erkenntnisse zu Tage bringen. Andererseits, sagt er, bedeuteten Daten nicht immer automatisch mehr Informationen, da diese auch redundante oder manchmal auch fehlerbehaftete Informationen beinhalten. Hinzu kommt, dass in Ergänzung zu globalen Daten lokale Analysen notwendig sind. "Wenn ich globale Trends verstehen will, muss ich auch über lokale Prozesse Bescheid wissen", sagt er. So forscht zum Beispiel sein Mitarbeiter Dr. Sebastian Wieneke im Arboretum Großpösna, wie sich Photosyntheseraten und Fluoreszenz unterschiedlicher Baumarten in Abhängigkeit von Stress und Strahlung verhalten. "Nur wenn wir verstehen, wie sich die Fluoreszenz in Einzelbäumen verhält, können wir die entsprechenden globalen Satellitendaten verstehen und daraus später schließen, wie sich ganze Ökosysteme unter Stress verhalten."

Auf den intelligenten Umgang mit Big Data kommt es also an, gerade wenn man so breit und interdisziplinär aufgestellt ist wie die AG von Miguel Mahecha, wie ein Blick auf das Forschungsportfolio der Gruppe verrät. Xaida (eXtreme events: Artificial Intelligence for Detection and Attribution) heißt zum Beispiel ein EU-Projekt, bei dem die AG Mahecha mit Beteiligten aus 15 internationalen Forschungseinrichtungen Extremereignisse analysiert. Ziel der Arbeiten an der Universität Leipzig ist, zu verstehen, welche Klimabedingungen und Verluste von Ökosystemleistungen zu humanitären Desastern wie Ernteausfällen und Hungersnöten führen. Der Doktorand Khalil Teber versucht mit Methoden des maschinellen Lernens herauszufinden, wie verknüpfte Extremereignisse, wie beispielsweise extreme Trockenheit gefolgt von Hochwassern, besonders katastrophale Wirkungen entfalten können. "Solche internationalen Projekte sind nicht nur wichtig, weil wir Kontakte pflegen können, sondern auch, weil wir hier auf die Expertise anderer Arbeitsgruppen zurückgreifen können", sagt er. Besonders gefreut hat es ihn, dass zwei exzellente Nachwuchswissenschaftler auch über die gemeinsame Arbeit im Xaida-Projekt über die Forschung am Standort Leipzig genau Bescheid wussten und sich dann auch zum Wechsel aus dem Ausland entschieden: Seit diesem Sommersemester forschen die Juniorprofessorin Marlene Kretschmer und der Juniorprofessor Sebastian Sippel am Institut der Meteorologie der Universität Leipzig – unter anderem zu Klimaextremen und der Attribution, also wie sich Extremwetterereignisse dem Klimawandel zuordnen lassen. "Sie erweitern damit den Themenkomplex "Klimaextreme" an der Universität Leipzig ganz erheblich", so Miguel Mahecha.

Hoffnung auf den Exzellenzcluster

Einfließen soll deren Expertise auch in die Initiative "Breathing Nature" – ein gewaltiges Vorhaben unter Leitung von Prof. Johannes Quaas aus der Meteorologie, mit dem sich die Universität Leipzig als Hauptantragstellerin in der nächsten Runde der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder für ein Exzellenzcluster bewirbt und derzeit an einem Vorantrag arbeitet. 25 Principal Investigators (PI) sind daran beteiligt, zudem weitere 31 Professorinnen und Professoren quer durch die Biodiversitäts-, die Klima- und die Gesellschaftsforschung unter Beteiligung vieler anderer Forschungseinrichtungen. Anspruch ist, ein besseres Verständnis der Auswirkungen des Klimawandels auf Umwelt und Gesellschaft zu bekommen. "Wir bringen als Fernerkundungszentrum unsere Expertise im Bereich Monitoring und Datenanalytik ein", sagt Mahecha, einer der 25 PIs. Besonders spannend sei das, weil dabei nicht nur klassisch beispielsweise globale Veränderungen im Wald und deren Auswirkungen auf die Atmosphäre untersucht werden, sondern auch sozioökonomische Daten. "Sollte die Universität Leipzig den Zuschlag für den Cluster bekommen sollte, würde das neue Professuren, neue Arbeitsgruppen und neue Studiengänge bedeuten. Das wäre ein gewaltiger Sprung und von der Dimension in etwa vergleichbar wie die Gründung des iDiv, des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung", sagt Mahecha.

Noch ist das aber genauso Zukunftsmusik wie der Vollantrag für einen Sonderforschungsbereich, den Mahecha mit Kolleginnen und Kollegen der Universität Leipzig bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft vorbereitet. Im Fokus steht die Frage, welche Prozesse das Auftreten von klimatischen Extremen wie etwa Dürren und Hitzewellen verstärken können, also beispielsweise, wie Biodiversität den Einfluss von Klimaextremen puffert – oder wie eine Veränderung der Biodiversität die Atmosphäre beeinflussen kann, sodass Klimaextreme wahrscheinlicher werden. Das klingt erst mal verwegen, ist jedoch für Mahecha logisch: "Biodiversität bezieht sich nicht nur allein auf die Anzahl von Arten. Eine Veränderung der Biodiversität bedeutet auch oft, dass eine bestimmte Funktion ausfällt", erläutert er. Und diese Funktion könnte für das gesamte Ökosystem wichtig sein. Konkret: Verschwindet zum Beispiel eine bestimmte Pflanzenart, kann sich die Nährstoffmobilisierung, die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid oder die Temperaturregulation verändern. Deswegen macht eine hohe Artenvielfalt Sinn, denn nur so kann ein Ökosystem mit einer großen funktionellen Vielfalt effektiver auf äußere Einflüsse reagieren. 

Entscheidungsgrundlage für Gesellschaft und Politik

Es ist also ziemlich viel in Bewegung im Bereich Klima- und Biodiversitätsforschung, Fernerkundung und Datenwissenschaften an der Universität Leipzig. Läuft alles optimal, könnte dieser Forschungskomplex am Standort Leipzig einen enormen Schub bekommen. Doch die Wissenschaft ist das eine; das andere ist die Frage, was von dem neu generierten Wissen in Gesellschaft und Politik ankommt. "Erst einmal ist es sehr befriedigend, dass man bestimmte Prozesse wie etwa die Folgen des Klimawandels für Ökosysteme gut quantifizieren kann, denn damit schaffen wir eine Entscheidungsgrundlage für gesellschaftliches und politisches Handeln", sagt Mahecha. Das Verständnis für diese Probleme sei in der Politik durchaus vorhanden, noch werde aber das vorhandene Wissen zu wenig genutzt. "Es wird im gesellschaftlichen Diskurs so suggeriert, als sei das Thema Klimawandel verhandelbar, das ist es natürlich nicht", sagt er. Was es gebe, seien Unsicherheiten in der Prognose und der Diagnostik. "Doch der Klimawandel ist schon längst da, da gibt keinen Dissens in der Wissenschaft."

Über das Exzellenzclustervorhaben "Breathing Nature"

Die Natur atmet. Die biologische Vielfalt und das sich stark wandelnde Klima sind auf das Engste verbunden, etwa durch den Austausch von Wasser, Energie, Kohlendioxid (CO2) und Aerosolpartikeln. Neben diesen Wechselwirkungen sind Biodiversität und Klimawandel direkt mit gesellschaftlichen Faktoren – wie Landnutzung oder Energieproduktion – verknüpft, aber auch mit indirekten Faktoren – wie der Wertschätzung von Natur und unserer marktorientierten Wirtschaftsweise.

Biodiversitätsverlust und Klimawandel sind zwei der derzeit drängendsten Herausforderungen für die Menschheit. Beide haben massive Auswirkungen auf die Lebensgrundlagen, die Wirtschaft und das menschliche Wohlergehen. Die Exzellenzcluster-Initiative "Breathing Nature" beabsichtigt, Verbindungen zwischen Biodiversität, Klima und sozioökonomischen Prozessen zu erforschen. Mit innovativen Methoden analysieren sie Muster und Dynamiken von Ökosystemen und Atmosphäre.

Beteiligt sind fünf außeruniversitäre Forschungseinrichtungen (Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung, Leibniz-Institut für Wirtschaftsforschung Halle, Leibniz-Institut für Troposphärenforschung, Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie, Max-Planck-Institut für Biogeochemie) und die Friedrich-Schiller-Universität Jena.