КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 23-24-00112

НазваниеКоличественная оценка факторов, лимитирующих распространение дождевых червей в Европейской части России: модельный подход

РуководительИванова Наталья Владимировна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-107 - Экология биосистем

Ключевые словаэкологическая ниша, экологическое моделирование ареалов, наука о данных, информатика биоразнообразия, FAIR данные, GBIF, ансамблевый подход, машинное обучение, метеорологические данные

Код ГРНТИ34.03.23


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Предлагаемый проект направлен на решение задачи количественной оценки экологических ниш ключевых видов экосистем методами науки о данных (Data science). Объектами исследования являются наиболее распространенные в Европейской России виды дождевых червей (Aporrectodea caliginosa (Savigny, 1826), Dendrobaena octaedra (Savigny, 1826), Lumbricus terrestris Linnaeus, 1758, Lumbricus rubellus Hoffmeister, 1843, Octolasion lacteum (Örley, 1881)) - группы почвенных беспозвоночных, которая во многих экосистемах вносит основной вклад в в трансформацию органического вещества, потоки углерода и формирование почвенного профиля. На основе данных международных репозиториев о биоразнообразии и глобальных геоданных о характеристиках среды при помощи методов экологического моделирования для каждого исследуемого вида будут построены карты прогнозных ареалов, выявлены значимые предикторы и оценены пределы варьирования соответствующих экологических факторов, лимитирующих распространение целевых видов люмбрицид в Европейской части России. В качестве предикторов будут использованы не только широко используемые в подобных задачах данные WorldClim, но и данные, которые необходимо учитывать при моделировании распространения почвенных животных, в первую очередь, характеристики почвы. Существенной задачей проекта является дополнение уже доступной в международных репозиториях информации данными, обобщенными из публикаций отечественных исследователей, которые до настоящего времени недоступны для анализа. Для построения прогнозных ареалов будут использованы обобщенные линейные модели (GLM), а также методы, основанные на алгоритмах машинного обучения (MaxEnt (включая ансамблевый подход), Random Forest и Boosted Regression Trees). Полученные на основе моделирования пороговые оценки факторов, лимитирующих распространение целевых видов, будут сравниваться с имеющимися литературными данными. По результатам проекта будут сделаны выводы о возможностях и ограничениях использования методов экологического моделирования применительно к почвенным беспозвоночным при имеющемся объеме входных данных.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта впервые будут обобщены в виде нового общедоступного массива отечественные литературные данные о распространении и характеристиках мест обитания наиболее распространенных видов дождевых червей. Все собранные данные будут доступны через международные репозитории, что будет способствовать интеграции отечественных исследований в мировое научное пространство. Будут разработаны новые слои предикторов, которые могут быть использованы для моделирования других групп почвенных организмов. Впервые будут построены модели прогнозных ареалов широко распространенных видов люмбрицид в Европейской России. Весь программный код, реализующий процесс подготовки входных данных и ход модельных экспериментов, будет доступен через тематический репозиторий, что обеспечит воспроизводимость результатов проекта и будет способствовать развитию этого научного направления в нашей стране. Количественные оценки экологических факторов, полученные в результате проекта, необходимы для улучшения качества прогнозов экосистемных моделей, что имеет особую значимость в условиях глобальных климатических изменений.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В текущем отчетном году выполнено обобщение доступных литературных данных о точках находок дождевых червей, оценках их обилия и характеристиках местообитаний. В результате оцифровки и стандартизации данных из 159 литературных источников о находках дождевых червей получен и опубликован через глобальный портал о биоразнообразии GBIF набор данных, включающий 5304 записи. Методом точка-радиус геолоцировано 3897 записей (310 с авторскими координатами и 3587 ручных геопривязок по текстовым описаниям). Средняя погрешность координат (радиус) в массиве данных составила 6632.2 м, для 74.5% записей погрешность координат была менее 10 000 м, а для 49.9% – менее 5000 м. Собранные данные относятся к территории 27 стран и охватывают период с 1868 по 2022 г. Набор данных включает сведения о находках 117 видов люмбрицид. Каждая запись имеет ссылку на источник, из которого она получена с указанием автора публикации, а также информации об особенностях местообитаний, обилии и онтогенетических состояниях люмбрицид (если эта информация была доступна). Стандартизированные библиографические сведения об обработанных источниках опубликованы через репозиторий Zenodo. Глобальный таксономический справочник GBIF Backbone расширен списком видов из работ ведущего отечественного систематика люмбрицид Т.С. Перель, что позволило полностью сопоставить авторскую таксономию из обработанной литературы с современными названиями. Таким образом, обобщенные в ходе проекта литературные данные представляют собой уникальную сводку, отражающую основные результаты отечественных исследователей по изучению биоразнообразия и экологии люмбрицид Северной Евразии. Публикация в открытых репозиториях объединенных данных о распространении дождевых червей и библиографических описаний источников способствует адекватному отражению вклада отечественных ученых и отечественных научных изданий в мировую науку. Для проведения модельных экспериментов подготовлены входные данные точек находок целевых видов люмбрицид (Aporrectodea caliginosa, Dendrobaena octaedra, Lumbricus rubellus, L. terrestris, Octolasion lacteum) в районе исследования. Обобщенные из литературы сведения дополнены другими данными GBIF (включая наблюдения iNaturalist). Для данных iNaturalist разработаны и апробированы дополнительные к общепринятым критерии для оценки качества данных. Показано, что разработанный подход позволяет эффективно отбраковывать некачественные наблюдения даже для сложной в определении по фотографиям группы. Подготовленные входные данные для моделирования включают 222 записи о точках встреч Aporrectodea caliginosa, 277 - о Dendrobaena octaedra, 202 - о Lumbricus rubellus, 104 - о L. terrestris и 98 - об Octolasion lacteum. Разработана новая методика и алгоритм на языке R для построения растровых слоев предикторов из метеорологических данных, доступных через через информационную систему "Всероссийского научно-исследовательского института гидрометеорологической информации - Мировой центр данных" – ВНИИГМИ-МЦД. Первичные данные метеонаблюдений и географические координаты метеостанций импортированы в специально разработанную базу данных в СУБД SQLite. Рассчитаны среднемесячные многолетние и среднегодовые температуры почвы на разных глубинах с учетом полноты и качества исходных данных, а также среднемесячные значения мощности снежного покрова. Интерполяция полученных значений по всей территории интереса выполнена при помощи алгоритма Thin plate splines (TPS). В результате построено 39 слоев средемесячных и среднегодовых значений температуры почвы на трех глубинах и 7 слоев со среднемесячными значениями мощности снежного покрова c октября по апрель. Слои имеют пространственное разрешение 0.01 углового градуса (примерно 1 км на местности), что сопоставимо со слоями WorldClim. Набор скриптов, написанных для обработки данных, опубликован в виде проекта GitHub (https://github.com/MaxCarabus/soilClimCover). Для района исследования загружены слои WorldClim, SoilGrid250, классификация территорий 1-km Consensus Land Cover, Агроэкологического атласа России и сопредельных стран. Все входные данные для моделирования и программный код размещены в репозитории GitHub (https://github.com/MaxCarabus/EarthwormSDM). Проведены предварительные модельные эксперименты методами логистической регрессии (GLM) и максимальной энтропии (MaxEnt). Выявлены наиболее значимые предикторы среди общепринятого набора пространственных переменных WorldClim. Среди предикторов почвенного климата, разработанных в ходе выполнения проекта, выбраны пространственные слои проявляющие наимельншую коллинеарность. Наиболее производительная модель была получена для вида Lumbricus terrestris обоими методами.

 

Публикации

1. Иванова Н.В. Рекомендации по оценке качества данных iNaturalist Вестник Карагандинского университета. Серия «Биология. Медицина. География», № 3(111).С. 73-83. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31489/2023BMG3/73-83

2. Иванова Н.В., Шашков М.П., Ермолов С.А. Information on literature sources from the GBIF dataset 'Earthworm occurrences from Russian-language literature' Zenodo, Version 2 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.5281/zenodo.8227183

3. Иванова Н.В., Шашков М.П., Ермолов С.А. Вклад наблюдений iNaturalist в открытые данные о распространении дождевых червей Живые системы – 2023: сборник научных статей / под ред. А.С. Пархоменко, О.И. Юдаковой. Саратов : СГУ имени Н. Г. Чернышевского, C. 50-52 (год публикации - 2023)

4. Шашков М.П. Range and Regularities in the Distribution of Earthworms of the Earthworms of the USSR Fauna. Perel, 1979 Global Biodiversity Information Facility, Version 1.7 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.15468/qp8aqx

5. Шашков М.П. Synonyms for the Earthworms of the USSR Fauna. Perel, 1979. Global Biodiversity Information Facility, Version 1.4 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.15468/wwanyr

6. Шашков М.П. The Earthworms of the Fauna of Russia. Perel, 1997 Global Biodiversity Information Facility, Version 1.2 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.15468/d3jg8d

7. Шашков М.П., Иванова Н.В., Ермолов С.А. Filling Gaps in Earthworm Digital Diversity in Northern Eurasia from Russian-language Literature Biodiversity Information Science and Standards, Vol. 7. Article ID: e112957 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3897/biss.7.112957

8. Шашков М.П., Иванова Н.В., Ермолов С.А. Earthworm occurrences from Russian-language literature Global Biodiversity Information Facility, Version 1.12 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.15468/cvwpyu