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

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 проекта 23-24-00112

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

Руководитель Иванова 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

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 слова экологическая 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
10.31489/2023BMG3/73-83

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

3. 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)
10.3897/biss.7.112957

4. 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)

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

6. 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)
10.15468/qp8aqx

7. 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)
10.15468/cvwpyu

8. 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)
10.5281/zenodo.8227183

9. Шашков М.П., Иванова Н.В., Ермолов С.А. Earthworm occurrence dataset extracted from Russian-language literature Biodiversity Data Journal , 12: e130897 (год публикации - 2024)
10.3897/BDJ.12.e130897

10. Ермолов С.А., Шашков М.П., Иванова Н.В. Обзор современной таксономии дождевых червей (Lumbricidae) Европейской части России и экологических факторов, влияющих на их расселение Биологические науки в школе и ВУЗе, №25, с. 60-72 (год публикации - 2024)
10.5281/zenodo.14293999

11. Шашков М.П., Иванова Н.В., Ермолов С.А. Применимость наборов данных растровых слоев с факторами среды в качестве предикторов для моделирования ареалов дождевых червей Доклады Международной конференции "Математическая биология и биоинформатика", Том 10, статья № e49 (год публикации - 2024)
10.17537/icmbb24.55

12. Иванова Н.В., Шашков М.П., Ермолов С.А. Разнообразие сообществ дождевых червей в Европейской России: полевые данные и модельные оценки Трансформация экосистем, №4, 2025 (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В текущем отчетном году уточнены и дополнены входные данные для моделирования, построены модели потенциальных ареалов целевых видов дождевых червей, оценена применимость предикторов, на основе результатов моделирования выявлены факторы, лимитирующие их распространение в Европейской России. На этапе дополнения массива данных о точках находок целевых видов обобщены собственные неопубликованные результаты и верифицированы наблюдения дождевых червей из системы научного волонтерства iNaturalist (один из основных источников данных глобальной системы о биоразнообразии GBIF). Просмотрено более 2000 наблюдений, для большинства сделаны переопределения. Результаты этих работ повысили качество данных iNaturalist, доступных через GBIF, а также улучшили работу нейронной сети iNaturalist по идентификации таксонов. Сформировано сообщество специалистов-люмбрикологов, которые просматривают все наблюдения дождевых червей в iNaturalist и контролируют их качество. Построены модели потенциальных ареалов пяти видов дождевых червей: Dendrobaena octaedra, Lumbricus rubellus, Lumbricus terrestris, Aporrectodea caliginosa, Octolasion lacteum. Модели потенциальных ареалов строили с учетом коллинеарности предикторов и пространственной автокорреляции точек находок целевых видов. Для предварительных рассчетов использовали обобщенные линейные модели (GLM), а также методы основанные на алгоритмах машинного обучения - MaxEnt, Random Forest и Boosted Regression Trees (BRT). По результатам для построения моделей выбран алгоритм MaxEnt. Показано, что использование только предикторов набора WorldClim не позволяют воспроизвести адекватное распространение рассматриваемых видов дождевых червей. Также выяснено, что в наборе слоёв классификации земной поверхности Global 1 km Consensus Land Cover присутствуют артефакты и несоответствия актуальному распределению биотопов для рассматриваемой территории. Показано, что наибольшая производительность моделей достигается при совместном использовании объединенных наборов предикторов. На примере моделирования ареала Lumbricus terrestris показано, что данные системы iNaturalist могут оказывать значимое влияние на результаты моделирования из-за приуроченности наблюдений в основном к урбанизированным территориям. Показана необходимость оценки адекватности предикторов периоду сбора точек находок видов. Результаты построения моделей ареала Aporrectodea caliginosa на основе разновременных данных показали, что оптимальным является использование точек входных данных, полученных с 1970 г. по настоящее время. На примере модели ареала Octolasion lacteum показано, что ансамбли малых моделей MaxEnt позволяют адекватно выявить значимые предикторы даже при небольшом числе точек входных данных. Результаты моделирования показали, что наибольшее влияние на распространение целевых видов дождевых червей оказывают 8 предикторов из рассматриваемых 63 (WorldClim, Consensus Land Cover и SoilGrid250). На распространение подстилочного Dendrobaena octaedra значимое влияние оказывали содержание азота в слое почвы 0-5 см, наличие лиственных или хвойных биотопов. На распространение Lumbricus rubellus значимое влияние оказывала годовая сумма осадков. Собственно-почвенный Octolasion lacteum лимитирован наличием лиственных лесов, другой вид этой морфо-экологической группы, Aporrectodea caliginosa – годовым диапазоном температур. На распространение норного Lumbricus terrestris значимо влияли среднегодовые температуры и годовой диапазно температур. Эти результаты, полученные с помощью модельного подхода, хорошо соответствуют представлениям о факторах, лимитирующих распространение этих видов, которые ранее были описаны на качественном уровне. Дополнительно выполено сравнение обобщенных нами литературных данных о распространении дождевых червей с глобальной моделью их разнообразия, разработанной коллективом под руководством Helen R. P. Phillips. Показано значительное занижение модельных оценок числа видов и численности по сравнению с литературными данными. Расхождения вызваны недостаточным объемом исходных данных для моделирования, что, в свою очередь, обусловлено строгими критериями их отбора. Результаты исследований представлены на конференциях Всероссийского и Международного уровня, в т.ч. на XIX International Colloquium on Soil Zoology (26-30 August 2024 in Cape Town, South Africa). Опубликованы статьи в научных журналах, индексированных в Scopus и WoS.

Публикации

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

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