Digitalisieren, teilen, vernetzen

Daten naturhistorischer Sammlungen werden mobil

  • Naturwissenschaften
26. März 2018

Vierzehn Tage wartete 1790 ein Besucher, bevor er nach Überprüfung seiner Personalangaben und des Empfehlungsschreibens das British Museum in London betreten durfte. Bis heute ist der Zutritt zu den Reichtümern in Museen und wissenschaftlichen Sammlungen vielfach einem exklusiven Zirkel von Fachspezialisten vorbehalten, die auf der Suche nach Objekten und dem damit verbundenen Wissen von weit her anreisen. Doch seit einigen Jahren weht ein neuer Wind. Mit der Digitalisierung gelangen die Daten von Sammlungen ins Netz, sie werden frei zugänglich und benutzbar für die ganze Welt. Wo stehen wir heute? Wer benutzt diese Daten? Was bedeutet Digitalisierung und lohnt sich der ganze Aufwand?

Von der Magie der grossen Zahlen

„Haben Sie diesen Falter schon?“ Die Frage wird immer wieder bei Führungen durch entomologische Sammlungen gestellt und ist so verständlich wie falsch. Ein Exemplar pro Art zu haben ist nicht das Ziel. In den Kästen der Entomologischen Sammlung der ETH Zürich beispielsweise stecken dutzende oder hunderte Schmetterlinge der gleichen Art. Die Zeiten sind lange vorbei, als die damaligen Kuriositätenkabinette sich gegenseitig mit exotischen Raritäten zu überbieten versuchten. Der wahre Wert für die Wissenschaft ergibt sich erst durch das stete Sammeln der gleichen Art über viele Jahre und Orte hinweg. Je grösser die Sammlung, desto mehr Vergleichsmöglichkeiten ergeben sich und desto mehr Aussagen und Resultate lassen sich ableiten. Diesen Sachverhalt beschrieb schon Aristoteles als „Emergenz“ 1 , die sich salopp als „Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile“ umschreiben lässt. Über die letzten Jahrhunderte sind in diesem Verständnis in vielen Ländern wunderbare Museen und Sammlungen entstanden, die Millionen von Insekten, Pflanzen, Vögeln und anderen Tieren und Pflanzen zusammentrugen und mittlerweile zu den wertvollsten Kulturgütern unserer Welt zählen.

Mit 68 Millionen Objekten aus allen Ecken der Welt gehört das Muséum national d’Histoire naturelle in Paris zu den weltweit grössten Sammlungen überhaupt. Demgegenüber lagert das Naturmuseum in Frauenfeld zwar nur 100'000 Objekte, fokussiert sich aber auf die Ostschweiz und kann vermutlich über die Wanzenfauna des Kantons Thurgau genauer Auskunft geben als das Museum in Paris. Jede noch so grosse Sammlung wird immer unvollständig sein, denn eine vollständige Repräsentation der Natur wird nie erreicht. Naturforschende haben weltweit bis heute zwei Millionen Tier-, Pflanzen- und Pilzarten beschrieben. In allen Sammlungen der Welt zusammen befinden sich von diesen Arten total geschätzte rund drei bis vier Milliarden archivierte Exemplare 2 (Besorgten Tierschützern möge an dieser Stelle gesagt sein, dass allein in den Niederlanden täglich 4,5 Milliarden Insekten an den Vorderseiten von Autos umkommen 3 ). Die meisten Objekte liegen allerdings weit verstreut in kleinen regionalen Institutionen. Genau hier zeigen sich die Stärken der Digitalisierung: Es soll eine einzige globale Sammlung entstehen, eine virtuelle zwar, die aber die Daten aller Sammlungen der Welt vereint.

Compactus-Anlage der Entomologischen Sammlung der ETH ZürichDie ETH Zürich führte 1959 als weltweit erste Institution eine Compactus-Anlage in einer entomologischen Sammlung ein 4 . Heute hat sich diese Aufbewahrungsart international durchgesetzt.
Ein Teil der Schmetterlingssammlung der ETH ZürichDie Integration von eingehendem Material sowie Veränderungen in der Einteilung der Arten führen dazu, dass entomologische Sammlungen ständig im Wandel begriffen sind.
Digitalisierungsstation der Entomologischen Sammlung der ETH ZürichBeim Fotografieren liegt der Fokus auf den Etiketten mit den Angaben zum Fundort und Funddatum. Die Aufnahme des Insekts ist sekundär.

Mit dem Ziel eines freien Austauschs von Biodiversitätsdaten wurde 1999 das Netzwerk Global Biodiversity Information Facility (GBIF) mit Sitz in Kopenhagen gegründet, dem mittlerweile 93 Mitglieder in 54 Ländern angehören. Die GBIF sammelt die Daten der Mitgliedsinstitutionen, die wiederum auf nationaler Ebene Datenbanken aufbauen und die lokale Biodiversität erfassen. In der Schweiz gehören etwa das Centre Suisse de Cartographie de la Faune (CSCF), Info Flora oder die Schweizerische Vogelwarte zu diesen Datenzentren. Auch Digitalisierungsprojekte, wie sie zurzeit beispielsweise in den Sammlungen der ETH Zürich stattfinden, liefern ihre Daten an diese Zentren.

Wissensmonopole ade – freie Daten für alle!

Eine Sammlung zu digitalisieren ist zeitaufwändig und teuer. Die Überprüfung der Artbestimmung und die nachfolgende Eingabe der Daten in die Datenbank kostet im Durchschnitt zwischen einem halben und mehreren Dollars pro Objekt 5 . Auch wenn sich bereits erste Schritte automatisieren lassen, bleibt die Arbeit zeitraubend und dauert je nach Sammlungsgrösse mehrere Jahre oder Jahrzehnte. Erschwerend kommt hinzu, dass die Insekten, gepressten Pflanzen und anderen fragilen Objekte eine spezielle Handhabung erfordern, dass die Etiketten oft kaum entzifferbar sind und dass es an qualifizierten Spezialisten mit Fachkenntnissen zu den diversen Organismengruppen mangelt. Es gilt daher, die wissens- und erfahrungsintensiven Arbeitsschritte von den einfachen und repetitiven zu trennen, nach Möglichkeit automatisierte Abläufe und Computer einzusetzen und die Verfahren generell im Stile der industriellen Massenproduktion zu optimieren. Bis im Frühjahr 2018 wurden weltweit mehr als 130 Millionen Objekte naturhistorischer Sammlungen digitalisiert 6 – eine beeindruckende Zahl zwar, die aber nicht mehr als ein Anfang sein kann.

Die Natur Westeuropas und Nordamerikas weist eine relativ geringe Biodiversität auf. Aus historischen Gründen besitzen aber gerade diese Länder die weltweit grössten naturhistorischen Sammlungen. Verglichen mit ihrer Bevölkerungszahl oder Fläche verfügt auch die Schweiz über sehr reichhaltige naturhistorische Sammlungen: Total lagern hier über 40 Millionen naturhistorische Belege 7 , darunter 345'000 Typen, d.h. Exemplare von Erstbeschreibungen 8 . Dies ist bemerkenswert, da die Schweiz keine koloniale Vergangenheit hat und als Binnenland kaum an die weltweiten Handelsnetze angeschlossen war.

Weissdolch-Bläulinge (Polyommatus damon). In der Schweiz kommt die Art heute nur noch in den Alpen vor. Die ETH Zürich besitzt viele Belege ehemaliger Populationen aus dem Mittelland und Jura.Entomologische Sammlung der ETH Zürich
Echte Laufkäfer (Carabus sp.). Laufkäfer sind eine sehr artenreiche Familie. Sie waren aufgrund ihrer vielfältigen Farben und Musterungen beliebte Sammelobjekte.Entomologische Sammlung der ETH Zürich.

Im Gegensatz zum sogenannten Westen beherbergen die restlichen Länder der Welt zwar den Grossteil der unerforschten Biodiversität, sie verfügen aber selten über gut ausgebaute Forschungsinstitutionen. Diesem Missstand versucht man einerseits durch internationale Abkommen wie dem Nagoya Protokoll 9 beizukommen, die einen völkerrechtlichen Rahmen für einen gerechten Zugang zur Biodiversität und zu den genetischen Ressourcen aller beteiligten Staaten schaffen. Andererseits ermöglichen auch Open Data Initiativen, zu denen die Digitalisierung und freie Veröffentlichung von naturhistorischen Daten gehört, dass die Forschungs-Community auf der ganzen Welt Zugang zu ehemals ortsgebundenem und exklusivem Wissen erhält. Die Digitalisierung leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Chancengleichheit bei der Erforschung und Nutzbarmachung der globalen Biodiversität und der genetischen Ressourcen.

Naturforschung im Anthropozän

Umwelt- und Artenschutz, Raumplanung, Forschung, Tourismus, Landwirtschaft - viele Branchen sind auf verlässliche und vollständige Daten zum Zustand und zur Zukunft unserer Biodiversität angewiesen. Die Umwelt ist nichts Statisches, sondern unterliegt seit Urzeiten Veränderungen. Kälteperioden wechselten sich mit warmen Zeiten ab, Gebiete wurden überflutet oder hoben sich aus dem Meer, neue Landbrücken vereinten bisher getrennte Tier- und Pflanzengruppen. Seit einigen Jahrhunderten macht sich auch der Einfluss der menschlichen Zivilisation bemerkbar. Forscher sprechen von einer neuen geochronologischen Epoche, dem „Anthropozän“, die Mitte des 20. Jahrhunderts anbrach und in der der Mensch als hauptsächlicher Einflussfaktor hervortrat. Klimawandel, Landwirtschaft, Siedlungsbau - immer stärker gestaltet der Mensch gewollt oder ungewollt seine Umwelt. Wie kommen Pflanzen und Tiere mit der veränderten Umwelt zurecht? Dehnen sich ihre Populationen aus, schrumpft ihre Verbreitung oder sterben sie gar aus? Sammlungen geben Antworten.

Das Landkärtchen (Araschnia levana) und das Grosse Wiesenvögelchen (Coenonympha tullia), beides Tagfalter, illustrieren beispielhaft die Auswirkungen menschlicher Eingriffe in die Natur. Bis in die 1950er Jahre war das Landkärtchen in Mitteleuropa nur lokal vertreten, breitete sich danach jedoch stark aus und besiedelt heute in der Schweiz das Mittelland, den Jurabogen und einige Alpentäler. Wie erklärt sich diese Expansion? Für seine Entwicklung ist das Landkärtchen auf schattige Waldränder angewiesen und frisst Brennnesseln und andere Kräuter nährstoffreicher Habitate. Das häufige Düngen in unserer Landwirtschaft und die Verbuschung der Waldränder fördern genau solche Standorte und ermöglichen dem Landkärtchen sich grossflächig auszubreiten. Das Landkärtchen stellt damit eine der wenigen Arten dar, die von der gegenwärtig praktizierten Land- und Forstwirtschaft profitieren.

Weitaus typischer für die aktuelle Entwicklung unserer Fauna ist das Grosse Wiesenvögelchen: Früher in der ganzen Schweiz weit verbreitet, ist die Art heute sehr selten geworden und im Mittelland fast ganz verschwunden. Der Falter lebt in Mooren, braucht eine sehr hohe Feuchtigkeit und ist auf Grasbüschel zur Überwinterung angewiesen. Das häufige Mähen der Vegetation und die Trockenlegung grosser Feuchtgebietsflächen setzten der Art hingegen in den letzten Jahrzehnten stark zu.

Karte der Feuchtgebiete im Nordosten der Schweiz 10 (rote Flächen) um 1900 und der bekannten Populationen des Grossen Wiesenvögelchens, Coenonympha tullia (Schmetterlingssymbole).
Karte der Feuchtgebiete im Nordosten der Schweiz (rote Flächen) um 1950 und der entsprechenden Populationen des Grossen Wiesenvögelchens, Coenonympha tullia (Schmetterlingssymbole).
Karte der Feuchtgebiete im Nordosten der Schweiz (rote Flächen) um 2010 und der aktuellen Populationen des Grossen Wiesenvögelchens, Coenonympha tullia (Schmetterlingssymbole).

Digitalisierung: Die ETH-Bibliothek als Partnerin für die Forschung

Bibliotheken haben über Jahrhunderte hinweg ein enormes Wissen aufgebaut, wie man grosse Mengen an Objekten und Daten verwaltet und vermittelt. Deshalb ist es nur folgerichtig, dass sie auch bei der Digitalisierung von Sammlungen ihr Knowhow ausspielen. Zu den zentralen Dienstleistungen der ETH-Bibliothek gehören deshalb Aufbau, Ausbau und Pflege einer digitalen Infrastruktur für die naturwissenschaftlichen und kulturhistorischen Sammlungen sowie für die verschiedenen Archive der ETH Zürich.

Das DigiCenter der ETH-Bibliothek ist Dienstleister in diesem Bereich und digitalisiert – oft in mehrjährigen Projekten – ausgewählte Bestände und Sammlungen, die schliesslich in digitaler Form für Forschung und Lehre, aber auch für die allgemeine Öffentlichkeit zur Verfügung stehen.

DigiCenter der ETH-BibliothekDas DigiCenter der ETH-Bibliothek verfügt über eine hochwertige Digitalisierungs-Infrastruktur.
DigiCenter der ETH-BibliothekDigiCenter

Die digitale Verfügbarkeit einer einzelnen naturhistorischen Sammlung reicht ohne ergänzende und weiterführende Informationen für die Forschung jedoch oftmals nicht aus. Zusätzliche Informationen sind notwendig. Wissenschaftliche Bibliotheken bieten sich hier als geeignete Partner für Forschung und Lehre an – sowohl aufgrund der vorhandenen Bestände, die zum Beispiel Forschungsergebnisse beinhalten und die Sammlungen ergänzen, als auch aufgrund ihrer informationswissenschaftlichen Kompetenzen, insbesondere auch in den Bereichen Erschliessung und Bestandeserhalt.

Das vielfältige digitale Angebot der ETH-Bibliothek kann anhand der Entomologie illustriert werden: In diesem Fachbereich werden je nach Forschungsgegenstand Informationen zu Biodiversität, Bodenbeschaffenheit, politischen Grenzen, lokalen Gegebenheiten oder Klima benötigt, um historische Biodiversität zu rekonstruieren und aktuelle Daten zu interpretieren. Zu finden sind diese Informationen in – oft alten und seltenen – Monografien, in über mehrere Jahrzehnte erscheinenden Zeitschriften, aber auch in Form von Archivmaterial wie Bilder, Feldbücher oder Handschriften.

Die Digitalisierung der Dokumente erfolgt schonend und zugleich effizient.

Wie sollen die Nutzerinnen und Nutzer jedoch effizient auf diese Informationen zugreifen können? Im Verlauf der letzten Jahre wurden viele dieser Dokumente in der ETH-Bibliothek digitalisiert. So erstellte das DigiCenter in den letzten neun Jahren insgesamt knapp 15 Millionen Scans. Die Veröffentlichung der digitalen Informationen erfolgt – meist in Kooperation mit anderen Bibliotheken – auf verschiedenen von der ETH-Bibliothek betriebenen Plattformen. Die Inhalte können direkt auf diesen Plattformen recherchiert werden und sind zudem über das Wissensportal der ETH-Bibliothek zugänglich, wo unterschiedliche Quellsysteme, wie etwa Kataloge, Datenbanken oder eben auch Plattformen zusammengeführt und über einen einzigen Zugang recherchierbar gemacht werden.

e-rara.ch, die Plattform für digitalisierte alte Drucke, enthält unter anderem zahlreiche naturhistorische Titel aus den Beständen verschiedener Schweizer BibliothekenEin grosser Anteil wird hier durch die wissenschaftshistorischen Bestände der ETH-Bibliothek abgedeckt. e-rara.ch
Auf der Zeitschriftenplattform E-Periodica werden zum Beispiel die digitalisierten „Mitteilungen der Schweizerischen Entomologischen Gesellschaft“ angeboten.Abgesehen von naturwissenschaftlichen Publikationen bietet die Plattform zahlreiche Zeitschriften zu verschiedenen Fachgebieten und Themen an. E-Periodica
E-Pics ist die Plattform für Bilder, Fotografien und IllustrationenSie enthält umfassendes Bildmaterial zu naturwissenschaftlichen Themen sowie zu Wissenschafts- und Technikgeschichte aus vielen Archiven und Nachlässen.E-Pics
Handschriftliches Quellenmaterial aus Archivbeständen und Nachlässen ist auf der Plattform e-manuscripta.ch zu findenHierzu gehören auch naturwissenschaftliche Beiträge unterschiedlicher Art.e-manuscripta.ch

Unbestreitbarer Mehrwert dieser Plattformen, die in Kooperation mit anderen namhaften Schweizer Bibliotheken und Archiven betrieben und gespeist werden, ist, dass sich geografisch verstreut liegende Dokumente online an einem einzigen Ort auffinden und downloaden lassen. So entsteht ein umfassendes Bild darüber, welche Dokumente, Objekte und Publikationen beispielsweise zur entomologischen Forschung in der Schweiz vorhanden sind. Auf diese Weise ergänzen sich verschiedene Digitalisierungsprojekte optimal: Da sind zum einen jahrhundertealte Sammlungen wie die Insektensammlung der ETH Zürich, die der weltweiten Forschungscommunity online zur Verfügung gestellt wird. Und da sind zum anderen die Bestände der Bibliotheken und Archive, die – soweit rechtlich zulässig – ebenfalls in digitaler Form zugänglich gemacht werden.

Der Umfang an Informationen, die in digitaler Form zur Verfügung stehen, ist mittlerweile beträchtlich – nicht nur in der Entomologie, sondern auch in vielen anderen Forschungsbereichen. Allein auf E-Periodica sind insgesamt über sechs Millionen digitalisierter Seiten aufgeschaltet. Dennoch bleibt viel zu tun: In den Magazinen der Bibliotheken und Sammlungen lagern noch unzählige weitere relevante Dokumente und das Angebot wird laufend erweitert.

Mit der Digitalisierung und Zugänglichkeit zu Informationen allein ist es allerdings nicht getan. Eine besondere Herausforderung bei Digitalisierungsprojekten stellt die Sicherung der Daten dar, damit diese langfristig zur Verfügung stehen und nicht im Lauf der Zeit unlesbar und somit unbrauchbar werden. Auch dieses Themenfeld gehört für die ETH-Bibliothek zu einer umfassenden Gesamtlösung dazu: Sie befasst sich intensiv mit der digitalen Langzeitarchivierung und hat eine entsprechende Infrastruktur aufgebaut, die Daten der ETH-Bibliothek sichert, aber insbesondere der ETH Zürich für deren digitalen Informationen und Forschungsdaten zur Verfügung steht..

Die Digitalisierung öffnet naturhistorische Sammlungen und Bibliotheken für die ganze Welt. Dies ist erst der Anfang einer Erfolgsgeschichte, die zusammen mit anderen Open-Data-Initiativen ihr volles Potenzial zunehmend entfalten wird. Werden nun physische Sammlungen dank der Digitalisierung bald überflüssig? Mitnichten! Die realen Tiere und Pflanzen sind voller unbekannter Informationen wie DNA, Proteine, Gift- oder Heilstoffe, die noch nicht erfasst sind und nur am realen Objekt untersucht werden können.

Fussnoten

  1. Aristoteles: Metaphysik. Buch 8.6. ↩︎
  2. CETAF – Consortium of European Taxonomic Facilities, persönliche Mitteilung. www.cetaf.org ↩︎
  3. Waterfield, B.: Two trillion insects killed on Dutch cars every year. The Telegraph, 11.07.2011. ↩︎
  4. Bovey, P. & Sauter, W.: Utilisation d' armoires compactes pour le classement de collections entomologiques. Mitteilungen der Schweizerischen Entomologischen Gesellschaft, 33: 275-278, 1961 ↩︎
  5. Heidorn, P.B.: Biodiversity Informatics. Bulletin of the American Society for Information Science and Technology, 37: 38–44, 2011 ↩︎
  6. GBIF - Global Biodiversity Information Facility: GBIF Occurrence Store; Daten abgerufen im Januar 2018. www.gbif.org ↩︎
  7. Klaus, G. & Martinez, S.: Die naturwissenschaftlichen Sammlungen der Schweiz. HOTSPOT, 13: 6–7, 2006 ↩︎
  8. Agosti, D., Linder, P., Burckhardt, D., Martinez, S., Löbl, I., & Loizeau, P. A.: Switzerland's role as a hotspot of type specimens. Nature, 421:889-889, 2003. ↩︎
  9. Convention on Biological Diversity. www.cbd.int/abs/about ↩︎
  10. Gimmi, U., Lachat, T., & Bürgi, M. (2011). Reconstructing the collapse of wetland networks in the Swiss lowlands 1850–2000. Landscape ecology, 26(8), 1071. ↩︎