Zur Struktur des Netzwerkes der wildlebenden Organismen des Botanischen Gartens

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Das Netzwerk kombiniert die systematisch-verwandtschaftlichen und Nahrungsbeziehungen (Nahrungsketten) der meist wildlebenden Arten des Botanischen Gartens der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und bietet die Möglichkeit sich mit den Lebewesen aktiv auseinanderzusetzen. Welche Empfindungen bzw. inneren Bilder, Vorstellungen haben Sie, wenn Sie den Begriff "Biodiversität" hören? Das Netzwerk kann Ihnen vielleicht eine bessere Vorstellung davon liefern, wie viele Arten auf kleinstem Raum zusammenleben können und was somit "biologische Vielfalt" bedeutet. Dabei werden noch nicht einmal alle Facetten der Biodiversität hier abgedeckt.

Das Netzwerk wird hoffentlich über die nächsten vielen Jahre und Jahrzehnte wachsen und ist eine Ergänzung zu den Artenlisten auf der Homepage des Botanischen Gartens, die vielleicht die wenigsten Menschen anschauen.

Warum bewegt sich das Netzwerk beim Starten? Im Hintergrund läuft der Barnes-Hut-Algorithmus, der für kosmische Objekte entwickelt wurde und die optimalen Kräfteverhältnisse zwischen den Objekten berechnet. Dementsprechend werden die Objekte auf dem Bildschirm anordnet. Im Zentrum des Netzwerkes sind so die „wichtigen“ Knoten im physikalischen Sinne, die die größte Anziehungskraft haben, also die meisten Beziehungen besitzen.

Idee des kombinierten Netzwerkes: Matthias H. Hoffmann. Umsetzung des Prototypen anhand von Beispielen der Javascript Bibliothek Vis-Network (Mitte 2024). Neu programmiert, verbessert und mit verbesserten Suchfunktionen ausgestattet von Claude (September 2025), mit der freundlichen Unterstützung des Freundeskreises des Botanischen Gartens Halle e.V.

Bestandteile des Netzwerkes

Das Netzwerk besteht aus Kanten (Pfeilen) bzw. Beziehungen (edges, ties) und Knoten (nodes).
Beobachtete Arten (terminale Knoten, Endknoten) erhalten als Knotensymbol ein Bild.
Hierarchisch höhere Gruppen erhalten ein Symbol als Knoten, die Farben dieser internen Knoten beziehen sich auf systematische Gruppen, z.B. hellgrün = Pflanzen.
Grau gestrichelte Linien bzw. Pfeile bedeutet „gehört zu“ – es sind die systematisch-verwandtschaftliche Beziehungen.
Farbige durchgezogene Linien (Pfeile) beziehen sich auf trophische Interaktionen, Nahrungsketten. Mit Beschriftung.

Mit dem Mausrad können Sie tiefer ins Netzwerk eindringen, mit den Maustasten können Sie sich entlanghangeln, Kanten und Knoten verschieben und auswählen. Beim Klick auf einen Knoten erhalten Sie rechts ggf. weitere Bilder, kurze Erläuterungen und können direkt im Internet nach den Arten, Familien usw. suchen. Die Suche öffnet sich in einem neuen Tab, damit Sie den Fokus im Netzwerk nicht verlieren (für die Suchergebnisse ist der Autor natürlich nicht verantwortlich).

Kleines Käferchen (Bug)! Beim mehrfachen Klicken auf Kanten/Pfeile vergrößern sich diese immer mehr. Um dieses zu löschen, drücken Sie den "clear" Knopf.

Knoten

Knoten sind immer Taxa, d.h. bestimmte biologische Einheiten: Arten, Gattungen, Familien und weitere Gruppierungen auf höherer taxonomischer Ebene. Arten, die im Botanischen Garten Halle beobachtet wurden, werden im Netzwerk mit einem Bild dargestellt. Die höheren taxonomischen Einheiten sind als Symbol dargestellt. Auch bei diesen Knoten gibt es nach dem Klick (meistens) auch ein Bild, dass die Gruppe charakterisieren soll. Es ist hier nicht Zweck, die „exakte“ Systematik der Pflanzen, Tiere, Pilze usw. abzubilden, sondern eine Orientierung der Zugehörigkeit und verwandtschaftlichen Beziehungen zu geben. Die Tiefe, also die Anzahl der taxonomischen Ebenen sind unterschiedlich zwischen den einzelnen Organismengruppen. Zwangsläufig, besonders für Spezialisten, ist das häufig unbefriedigend, dient aber der Orientierung.

Kanten bzw. Beziehungen, die Pfeile

Kanten bzw. Beziehungen verbinden immer Knoten und stellen die Beziehungen der Organismen dar. Systematische Zuordnungen, also Art xyz gehört in Gattung A, Gattung A gehört in Familie B usw. sind als gestrichelte graue Pfeile ohne Text dargestellt. Der Pfeil folgt der systematischen Hierarchie.
Treten Organismen in eine trophische Beziehung (Nahrungskette), z. B. A parasitiert B, C frisst D usw. sind die Beziehungen verbal auf den Kanten beschrieben. Der Pfeil gibt die Richtung der Beziehung an. Es finden sich ggf. Erläuterungen zur Beziehung im Knoten, von dem die Beziehung ausgeht/beginnt.

Die Nahrungsketten, trophischen Interaktionen
Bekannt sind die typischen Begriffe wie „parasitiert“, „frisst“, „bestäubt“ usw. Meines Erachtens sind die Begriffe aber leider nicht universell anwendbar. Die für diese Anwendung sehr nützliche und interessante Internetseite „Pflanzenparasiten von Europa“ (https://bladmineerders.nl) listet alle Pflanzenparasiten auf, deren Larven in Pflanzen leben. Zum Beispiel die Artischocke, in deren Blütenköpfen die Larven von Bohrfliegen (Tephritidae) leben („parasitieren“). Das Ergebnis ist ein Blütenkopf, der keine oder nur wenige reife Früchte bildet. Die Einzelpflanze kann, da sie mehr als einen Blütenkopf bildet, dennoch reife Früchte ausbilden. Wo ist der Unterschied für das Pflanzenindividuum, wenn wir Menschen Artischockenköpfe essen? Parasitieren wir dann auch?

Bestäubernetzwerke sind nur bei sehr spezifischen Abhängigkeiten im Netzwerk berücksichtigt, weil beispielsweise viele Bienen Blüten zahlreicher Pflanzenarten besuchen. Dieses Hinzuzufügen würde das Netzwerk wahrscheinlich unlesbar machen.

Konventionen, Annahmen, Hintergründe zu den Nahrungsketten

Ein großes, vielleicht das größte Problem bei der Abbildung der Nahrungsbeziehungen der Organismen zueinander ist, dass viele Beziehungen nicht sinnvoll und zweifelsfrei abgebildet werden können. Der einfachste und sicher auch seltenste Fall ist eine 1:1 Beziehung, z.B. Art A frisst, parasitiert oder lebt nur von Art B (monophage Arten).
Oligotrophe bzw. -phage Arten, die nur wenige andere Arten nutzen sind problematischer. Es lässt sich keine scharfe Grenze definieren. Als Konvention: Bei mehr als etwa 3 bis 5 Arten und entsprechend der Praktikabilität wird abstrahiert und zu einem höheren systematischen Knoten eine Beziehung eingefügt.

Häufig finden sich Beziehungen wie Tierart A frisst an Pflanzenarten der Gattungen B, C, D, oder an Arten der Familie X (polyphage Arten). Damit ergeben sich hier zwei Möglichkeiten der graphischen Abbildung:

1. Da wir z.B. den Gesamtbestand an Pflanzenarten kennen, könnte von Tierart A zu jeder der Pflanzenarten eine Kante gezeichnet werden. Aber: Frisst Art A wirklich an jeder dieser Pflanzenarten? Der Zweifel ist sicher berechtigt (bei Gattungen mag das noch stimmig sein, bei Familien aber sehr zweifelhaft). Mit diesem Vorgehen würde eine Scheingenauigkeit erzielt. Dieser Möglichkeit ist nicht implementiert.
2. Es wird eine Kante von Tierart A zu den Knoten der Gattungen, Familie usw. gezeichnet, an denen sie häufig fressen, parasitieren soll. Implizit ist dabei, dass viele Arten der Gattungen bzw. Familie gefressen werden können, aber nicht müssen. Das spiegelt die Kenntnis der Beziehungen vielleicht am Besten wider. Allerdings wird dadurch die unmittelbare Beobachtung oder Literaturangabe (z.B. Tierart A frisst das Gänseblümchen) verworfen. Dieser Weg wird hier genutzt.

Fazit: Ich denke, wir wissen viel zu wenig. Um überhaupt beginnen zu können, bedarf es dieser Annäherungen. Kritik ist herzlich willkommen, sollte aber mit umsetzbaren Forderungen für das ganze Netzwerk untermauert sein oder eine brauchbare Lösung für einen Teil des Netzwerkes mitbringen, und auch die Daten mitliefern, die dann implementiert werden können.
Eine üblicher Verbesserungsvorschlag wäre, die Arten mit ihrem Fundort auf einer Karte des Botanischen Gartens zu fixieren. Was ist mit Vögeln, flugfähigen Insekten, "Unkräuern"?
Eine von Dr. Andreas Stark vorgeschlagene Erweiterung ist, zwei Ebenen im Netzwerk einzufügen: eine Ebene mit Arten, die ihren gesamten Lebenszyklus im Garten vollenden und eine Ebene mit Besuchern.

Wissenschaft

Der Botanische Garten in Halle besteht seit 1698, ist also über 327 Jahre alt. Wir kennen verhältnismäßig gut die auf den 4,5 ha großem Areal vorkommenden Pflanzen. Wir kennen auch die Vögel, die Amphibien und Reptilien, aber schon mit den Säugetieren wird die Kenntnis dünn. Welche Ratten- oder Mausart war es, die damals gefunden wurde? Bei den Insekten und anderen Gruppen, beispielsweise „Würmern“ sieht es ganz trostlos aus. Wenigstens gab es eine recht umfassende Studie zu Bienen in den 1970er Jahren. Für Universitäten (bei weiten ist das Halle nicht allein) ist das aber eigentlich doch ein recht trauriger Zustand. Bestimmt gibt es auch Hunderte Insektenarten, die im Botanischen Garten früher mal gesammelt wurden und in den Museen und Privatsammlungen liegen. Wie kommen diese Tiere, zumindest als Name, „in den Garten zurück“? Und wenn sie denn kämen, gibt es sie heute immer noch? Welche Arten sind inzwischen hinzugekommen?

Warum halte ich die Inventarisierung, den Zensus der Organismen des Botanischen Gartens für wichtig? Für viele Organismengruppen gibt es Listen zu deren Vorkommen, beispielsweise in Deutschland. Aber das Gebiet ist groß, das Vorkommen kann in den Alpen oder an der Küste liegen. Kleinräumige Inventarisierungen (Kartierungen) gibt es häufig nur für Pflanzen, Flechten, Vögel, Schmetterlinge und andere meist gut kenntliche Gruppen. Mit diesen Gruppen werden häufig die „großen“ Arbeiten zur biologischen Vielfalt, zum Artensterben, zur Reaktion auf Umweltbedingungen gemacht. Was ist aber mit den unzählig mehr Arten, die klein, unscheinbar, „wenig attraktiv“ und vielleicht schwer bestimmbar sind? Spielen diese Arten im Ökosystem keine Rolle? Verhalten sich diese Arten wie die bekannten Flaggschiff-Arten (woran gezweifelt werden darf)? Sind beobachtete Interaktionen zwischen Organismen überall gleich, oder gibt es Wechsel in den Beziehungen in Abhängigkeit der Geographie? Viele spannende wissenschaftliche Fragen die hier entwickelt werden können. Aber dazu bedarf es erst einmal langwieriger Vorarbeiten.

Warum aber der Botanische Garten? Zu vermuten ist, dass diese alten Einrichtungen aufgrund ihrer langen Geschichte in einem gewissen biologischen Gleichgewicht mit den umgebenden Gebieten sind, dass sie schonend und nachhaltig bewirtschaftet werden, dass sie durch ihre Struktur eine große Habitatvielfalt besitzen. Vielleicht sind sie repräsentativ und ein Querschnitt für gut bewirtschaftete urbane und ländliche Bereiche der jeweiligen Region. Vielleicht sind sie nicht ganz so unberührt wie Naturschutzgebiete, aber auch diese brauchen bisweilen einen schonenden Eingriff. Es gibt viele Botanische Gärten, in manchen Regionen sehr viele, in anderen wenige, aber es gibt sie auf der ganzen Welt (siehe Abbildungen im Internet mit Suchbegriffen "botanical gardens world map").
Stellen Sie sich vor, wenn wir von diesen relativ kleinen Gebieten nahezu komplette Artenlisten hätten, wir hätten dann ein geographisches Netz an dem wir den gesamten Umsatz der Arten studieren könnten und auch Verbreitung unbekannterer Organismengruppen herausarbeiten können. Ganz zu schweigen von den trophischen Beziehungen der Organismen untereinander und in ihrer geographischen Abhängigkeit.
Übrigens, diese Idee der Nutzung vergleichbarer Gebiete (Staaten oder Provinzen sind keine vergleichbaren Einheiten) für solche Untersuchungen ist nicht neu und wurde in der Botanik als „konkrete Floren“ bezeichnet (Tolmatschew, A. I. (1931): Über die Methode der vergleichend-floristischen Forschungen. Botanicheskij Zhurnal 16(1) 122-124, mit deutscher Zusammenfassung.)

Zur Bestimmung der Arten und das Sammeln

Bei Zehntausenden im Botanischen Garten vorkommenden (Tier-)arten kann nicht davon ausgegangen werden, dass eine Person alle Arten kennt und vom Sehen bestimmen kann. Woher sollte diese Person, wenn es sie denn gäbe, diese Kenntnis auch erlangt haben? Wohl nur durch das intensive Studium von toten, aufgespießten oder aufgeklebten Individuen in Museen und Sammlungen, die vorangehende Forscher gesammelt und präpariert haben. Alle anderen theoretischen Überlegungen sind dazu reines Wunschdenken und als unwissenschaftlich zu verwerfen. Es werden für die Bestimmung der Arten im Botanischen Garten Halle natürlich keine Vögel oder Frösche getötet, auch Großschmetterlinge, einzelne große Käfer und Libellen lassen sich anhand von einigermaßen guten Fotografien bestimmen.

Aber dann ist diese Technik ausgereizt: Eine beispielsweise 2 mm kleine Schlupfwespe wird sich anhand von am Lebendtier gemachten Photos nahezu nie zweifelsfrei bestimmen lassen. Mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit ist wenigstens ein äußerst wichtiges Bestimmungsmerkmal, wie z.B. ein Zahn an der (Bein-)Schiene nicht zu sehen, oder die Flügeladern können nicht richtig erkannt werden. In nicht seltenen Fällen müssen Genitalpräparate angefertigt werden, um die Arten bestimmen zu können. Mit nur unsicher bestimmten Arten zu agieren (z.B. 90% Ähnlichkeit mit der oder jener Art) wäre intellektuell höchst unbefriedigend und m.E. auch unwissenschaftlich (analog: „die Früchte dieser Pflanze sind vielleicht giftig, vielleicht auch nicht“). Aus diesem Grunde ist es geboten, einige Individuen zu fangen, zu töten und zu konservieren. Dadurch können die Bestimmungen auch revidiert werden und ggf. Änderungen vorgenommen werden. Weiterhin wird das Material in Sammlungen archiviert, das auch späteren Generationen von Wissenschaftlern zur Verfügung steht. Kurz, würde dieser Ansatz abgelehnt werden, würde jegliche Forschung zur Biodiversität, ihrer Änderung und Beziehung zur Umwelt sofort zum Erliegen kommen. Auch wenn einzelnen Arten mehrfach gesammelt würden, sterben sicher weniger Individuen als an einer Zug- oder Autoscheibe.

Nachnutzung, Weiternutzung des Netzwerkes und der Skripte

Bei der Entwicklung der Idee des Netzwerkes wurde besonders Wert darauf gelegt, dass die Bereitstellung der Daten und die Umsetzung möglichst einfach ist, damit beispielsweise andere Gärten oder Einrichtungen diese Möglichkeiten an ihre Bedürfnisse anpassen können und so für ihre Zwecke nutzen können. Wenn Sie dieses in Erwägung ziehen, kontaktieren Sie mich für eine detaillierte Anleitung.
Es werden lediglich 2 Tabellen benötigt:
Knotentabelle mit der Taxonomie, Informationen, Bildnamen und Bildautoren. Das sind im Prinzip die Artenlisten.
Kantentabelle mit den zu verbindenden Knoten und der Art der trophischen Beziehung.

Mittels eines selbst geschriebenen R-Skriptes wird ein JSON Inputfile generiert, dass auch die systematisch-verwandtschaftlichen Beziehungen automatisch generiert. Bei jeder Hinzufügung oder Änderung zu bzw. in den Tabellen wird dieses Skript einfach erneut laufen gelassen.

Die Bilder befinden sind in einem eigenen Verzeichnis, mit einem R-Skript können gering aufgelöste Bilder für die Endknoten hergestellt werden, die in ein separates Verzeichnis kopiert werden (hoch auflösende Bilder gehen da zwar auch, verlängert aber die Ladezeit des Netzwerkes erheblich).
Dann bedarf es eigentlich nur noch der Anpassung der Sprache, der Pfade auf dem Server und evtl. der Texte. Und Sie haben das Netzwerk der Organismen Ihrer Einrichtung im Internet.

08.08.2024: 3 Knoten 2 Kanten
12.12.2025: 774 Knoten, 452 Arten, 346 trophische Beziehungen (Kanten)