Mit Rechenpower den Spuren der Natur folgen

Ob in der Physik, der Künstlichen Intelligenz oder der Ökologie: Moderne Forschung erzeugt heute Datenmengen, die mit herkömmlichen Arbeitsplatzrechnern kaum noch zu bewältigen sind. Damit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler komplexe Fragestellungen dennoch in praktikabler Zeit bearbeiten können, betreibt die Universität Bayreuth über das Bayreuther Zentrum für High Performance Computing (BZHPC) den Hochleistungsrechner „Festus“. Rund 300 Nutzerinnen und Nutzer aus unterschiedlichsten Fachrichtungen greifen auf die zentrale Forschungsinfrastruktur zurück.

Wie entscheidend diese Rechenleistung für die Forschung sein kann, zeigt die Arbeit von Christie Phillip, Doktorandin im Bereich Sportökologie. Sie untersucht, wie Umweltbedingungen und Umweltveränderungen die Anpassung von Arten beeinflussen. Dafür analysiert sie hochaufgelöste Rasterdaten mit einer Genauigkeit von bis zu einem Quadratmeter. Mithilfe spezieller Geländeanalyse-Software berechnet sie daraus unter anderem den sogenannten Topographic Wetness Index, der Hinweise darauf liefert, wie stark sich Feuchtigkeit an einem Standort sammelt. Zusammen mit Informationen zu Hangneigung, Exposition, Niederschlag und Temperatur entsteht so ein detailliertes Bild der Umweltbedingungen und Mikrohabitate eines Lebensraums. Diese feinskaligen Daten bilden die Grundlage, um ökologische Nischen zu modellieren und besser zu verstehen, wie Arten auf ihre Umwelt reagieren. Besonders wichtig ist dies bei der Untersuchung von Artbildungsprozessen in Sympatrie, also wenn Eltern- und Hybridpopulationen gleichzeitig im selben Gebiet vorkommen. 

Die größte Herausforderung liegt dabei in der schieren Datenmenge. Selbst vergleichsweise kleine Untersuchungsgebiete umfassen bei dieser Auflösung Milliarden von Rasterzellen. Erst die Rechenkapazitäten von „Festus“ ermöglichen es, diese Daten effizient aufzubereiten, Geländeparameter zu berechnen und komplexe ökologische Modelle in einem realistischen Zeitrahmen durchzuführen. Die gewonnenen Erkenntnisse helfen dabei, Biodiversität im Zusammenhang mit Landschaftsstrukturen und Umweltveränderungen besser zu verstehen. Sie liefern zudem wichtige Grundlagen für gezielte Artenschutzmaßnahmen, etwa für endemische Mehlbeeren in der Frankenalb. Auch mögliche Verschiebungen von Verbreitungsgebieten und Hybridzonen im Zuge des Klimawandels lassen sich dadurch besser abschätzen.

Für Prof. Dr. Stephan Kümmel, Leiter des Bayreuther Zentrums für High Performance Computing, zeigt dieses Beispiel den Wert der Infrastruktur für die gesamte Universität: „Die Universität Bayreuth hat im Bereich High Performance Computing eine leistungsfähige Infrastruktur zu bieten. Dass diese über das BZHPC für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedenster Fachrichtungen nutzbar wird und zu solchen gesellschaftlich relevanten Erkenntnissen beiträgt, ist eine echte Stärke der UBT und das BZHPC ist damit ein gelungenes Beispiel für die an unserer Universität gelebte interdisziplinäre Vernetzung.“ 

So unterschiedlich die Forschungsfragen auch sein mögen: Moderne Spitzenforschung benötigt heute leistungsfähige digitale Werkzeuge. Die Arbeit von Christie Phillip macht anschaulich, wie Hochleistungsrechnen dazu beiträgt, die komplexen Muster der Natur besser zu verstehen und ökologische Veränderungen sichtbar zu machen.