Preserving Biodiversity in Natural History Collections? — German: Wie viel Biodiversität kann in naturkundlichen Sammlungen bewahrt werden?

Recently, I talked with a German colleague from a different discipline. She said that, thanks to the institution I am working on, she reassessed how important increased funding for natural history collections is. Because the collections are preserving what is being lost in nature otherwise.

I felt ashamed that we are not communicating good enough.

My colleague and I have the same values: It is important to preserve our heritage for future generations. But we have a different assessment of what it means, to preserve biodiversity.

Which components of biodiversity need to be preserved? Here is my first attempt, focussing on the species level:
1. The outer shape, texture, structure, parts/composition, color, reflectivity, translucence (“morphology”).
2. The inner structure, composition, color etc. to the level of organs (anatomy).
3. The inner structure, composition, color etc. to the level of tissues and cells (histology).
4. The biochemical processes within its cells and properties of substances produced by the organism (biochemistry, physiology).
5. The relations of the species to other organisms, parasites, pathogens, mutualistic relations (including, e.g., mycorrhiza, gut bacteria), predator/prey relations, pollination, dispersal, etc. (synecology)
6. The conditions under which populations of the species can survive (abiotic conditions, synecological conditions)
7. The range of roles a species can play in various ecosystems.
8. The range of behaviors, how individuals react, move, and interact with the environment, members of its own species, or other species. This includes, e.g., genetic isolation, propagation, and dispersal strategies. Some of this can be recorded using sound and video recording.
9. The genetic makeup of individuals (DNA sequences, epigenomic modifications).
10. The genetic makeup of populations (different individuals having different genetic alleles).
11. The genetic makeup of metapopulations, subspecies, etc., with populations having different allelic frequencies (genetic biodiversity).
12. The love of living people for all of this.
13. … and there is probably more (please tell me in the comments!)

All of this can be preserved in nature reserves (with minimized human influence), or urban and agricultural/forestry ecosystems (if designed to preserve biodiversity).

In contrast, a traditional natural history collection usually preserves the majority of morphological features (item 1, with shape often insufficient for a 3D model and color often lost). A small subset of collect items preserves some of anatomy and histology (item 2 and 3). With luck and significant effort, specimens may allow recovering some of the individual DNA sequences (item 9). Some modern natural history collections have additional, usually relatively small, special collections. Examples are: a) DNA samples of sufficient quality to allow total genomic sequencing; b) digital collections of images, audio/video recordings, or even 3D models of living organisms; c) environmental DNA samples enabling the study of population genetics.

Natural history collections are highly valuable for research and access to selected features of organisms. Re-collecting fresh material is expensive and time-consuming. But if we want to preserve biodiversity to help our children to love and utilize it, the contribution of natural history collections should, not be overestimated.


PS. So where do our – as I see it – misconceptions about the value of much of the legacy collections in natural history museums come about? Some suspicions: (1) Humans are very good at memorizing morphology. We have most necessary instruments built in and our brains are very good at memorizing and analyzing morphology. Traditional taxonomy has therefore strongly focussed on these features, and collections only occasionally made costly efforts to preserve more than this. The problem here is, that the method does not work very well. Certainly not for the perhaps trillions of microorganisms. And even for macroscopic organisms, less than half have been inventoried in the past centuries. Furthermore, reliable identification can only be performed by experts trained for decades in a limited group. That is, the classical, museum-based morphological taxonomy does not scale very well for monitoring purposes. (2) Another point basically correct assumption is that classical biological taxonomy relies on museum specimens as types for the scientific name. However, that seems to be a circular argument: In the age of genetics, we really need different, genetic as well as digital types. And while it is somewhat desirable to keep the systems synchronized, this is easily done for frequent species. For rare species, this can easily be postponed for times when humanity has none of the more urgent problems anymore. (3) Finally, I believe our thinking may sometimes be confused by a false-friend relationship with art museums. The latter have true originals. Natural history museums usually poor copies. Sometimes these copies are all that we have and highly valuable – nevertheless it should not be put on the same level as originals where they still exists.
PPS. Biodiversity is dynamic. Not even a perfect snapshot of all properties of a species can preserve the potential for future evolution which is unique to living organisms within functioning ecosystems (kudos to a comment by F.O. Glöckner!)
PPPS. I do not believe natural history museums have no future. I do believe they carefully need to avoid nostalgic views towards the past, focussing instead on their function in the present time. With the right priorities, they have an important role as memory institutions, service centers, specialized research centers, and centers of science communication. From preserving environmental samples, over DNA samples, to digital collections; for use in professional science as well as citizen science: they can play an important role in preserving as much biodiversity in nature as is possible.

German: Wie viel Biodiversität kann in naturkundlichen Sammlungen bewahrt werden?

Kürzlich sprach ich mit einer deutschen Kollegin einer anderen Disziplin. Sie sagte mir, dass sie dank der Einrichtung, an der ich arbeite, verstanden habe, dass die Finanzierung naturkundlicher Sammlungen dringend erhöht werden muss. Weil die Sammlungen doch bewahren, was sonst in der Natur verloren geht.

Ich schämte mich, dass wir so schlecht kommunizieren.

Meine Kollegin und ich haben die gleichen Werte: Wir wollen unser Erbe für zukünftige Generationen bewahren. Aber wir haben eine andere Einschätzung, wie biologische Vielfalt bewahrt werden kann.

Welche Bestandteile, Aspekte von Biodiversität müssen wir erhalten? Hier ist ein erster Versuch, mit Fokus auf Arten:
1. Die äußere Form, Textur, Struktur, Teile und Zusammensetzung, Farbe, Reflexionsvermögen und Transluzenz (“Morphologie”).
2. Die innere Struktur, Zusammensetzung, Farbe, usw. auf der Ebene der Organe (Anatomie).
3. Die innere Struktur, Zusammensetzung, Farbe, usw. auf der Ebene von Geweben und Zellen (Histologie).
4. Die biochemischen Prozesse innerhalb der Zellen und die Eigenschaften der vom Organismus produzierten Substanzen (Biochemie, Physiologie).
5. Die Beziehungen der Art zu anderen Organismen, Parasiten, Pathogenen, symbiotische Beziehungen (z. B. Mykorrhiza, Darmbakterien), Räuber-Beute-Beziehungen, Bestäubung, Verbreitung usw. (Synökologie)
6. Die Bedingungen, unter denen Populationen der Art überleben können (abiotische Bedingungen, synökologische Bedingungen)
7. Die Rollen, die eine Art in verschiedenen Ökosystemen spielen kann.
8. Das Verhalten, d.h. wie Individuen reagieren, sich bewegen und mit der Umwelt, Mitgliedern ihrer eigenen Spezies oder anderen Arten interagieren. Dies schließt z.B. genetische Isolations-, Vermehrungs- und Ausbreitungsstrategien ein. Teile hiervon können mit Ton- und Videoaufnahmen erfasst werden.
9. Das Erbgut von Individuen (DNA-Sequenzen, epigenomische Modifikationen).
10. Das Erbgut von Populationen mit unterschiedlichen genetischen Allelen.
11. Die genetische Zusammensetzung von Metapopulationen, Unterarten usw. (genetische Biodiversität).
12. Die Liebe der Menschen für all dies.
13. … und es gibt wahrscheinlich mehr (bitte sag es mir in den Kommentaren!)

All dies kann in Naturschutzgebieten (mit geringer menschlicher Beeinflussung) oder in städtischen und land- bzw. forstwirtschaftlichen Ökosystemen (wenn diese zum Erhalt der biologischen Vielfalt konzipiert sind) erhalten werden.

Im Gegensatz dazu bewahrt eine traditionelle naturhistorische Sammlung vor allem den Großteil der morphologischen Eigenschaften (Punkt 1, wobei z.B. Farbe oft verloren geht und die Form oft für ein 3D-Modell nicht ausreicht). Für kleinere Teilsammlungen sind auch ein Teil der anatomischen und histologischen Eigenschaften (Punkte 2 und 3) nachvollziehbar. Und mit etwas Glück (und meist erheblichem Aufwand) kann man aus einigen Belegen Teile der DNA-Sequenzen gewinnen (Punkt 9).

Einige moderne naturhistorische Sammlungen besitzen zudem zusätzliche, meist relativ kleine Spezialsammlungen. Beispiele sind: a) DNA-Proben von hoher Qualität (die teilweise eine vollständige genomische Sequenzierung ermöglichen); b) digitale Bildsammlungen, Audio-/ Videoaufzeichnungen oder sogar 3D-Modelle lebender Organismen; c) Umwelt-DNA-Proben, welche auch populationsgenetische Studien ermöglichen.

Naturhistorische Sammlungen sind wertvoll für die Forschung und ermöglichen den schnellen Zugang zu ausgewählten Eigenschaften von Organismen. Ein erneutes Sammeln von frischem Material ist vergleichsweise teuer und zeitaufwendig. Wenn wir jedoch die biologische Vielfalt für unsere Kinder bewahren wollen, wenn wir wollen, dass unsere Kinder Biodiversität noch nutzen und lieben können, sollte der Beitrag naturhistorischer Sammlungen nicht überschätzt werden.


PS. Woher kommen unsere, m.E. falschen, Vorstellungen vom Wert der Altsammlungen der Naturkundemuseen? Einige Vermutungen: (1) Menschen sind „Morphologie-Tiere“. Wir haben die meisten notwendigen Instrumente eingebaut und unser Gehirn kann Formen, Strukturen und Farben sehr gut auswendig lernen und analysieren. Die traditionelle Taxonomie hat sich daher stark auf diese Merkmale konzentriert, und Sammlungen haben nur gelegentlich (meist kostspielige) Anstrengungen unternommen darüber hinauszugehen. Das Problem ist leider, dass die morphologische Taxonomie nicht sehr gut funktioniert. Nicht für die vermutlich Milliarden Arten von Mikroorganismen. Und selbst Arten makroskopischer Organismen wurde in den vergangenen Jahrhunderten zu weniger als der Hälfte inventarisiert. Darüber hinaus kann eine zuverlässige Identifizierung bei vielen Arten nur durch Experten erfolgen, d.h. Menschen die sich über Jahrzehnte in eine relativ kleine Gruppe eingearbeitet haben. Die klassische, museumsbasierte morphologische Taxonomie ist für Zwecke wie Biodiversitätsmonitoring nicht gut skalierbar. (2) Ein anderer – grundsätzlich korrekter – Punkt ist, dass die klassische biologische Taxonomie auf Museumsbelegen als Typen für den wissenschaftlichen Namen beruht. Dies scheint mir jedoch ein zirkuläres Argument zu sein: Im Zeitalter der Genetik brauchen wir genetische und maschinenlesbare Typen. Und obwohl es wünschenswert ist, klassische und aktuelle Taxonomie-Systeme synchronisiert zu halten, ist dies für häufige Arten leicht möglich, während es für seltene Arten auf Zeiten verschoben werden kann, in denen die Menschheit keine dringlicheren Probleme mehr hat. (3) Schließlich glaube ich, dass unser Denken manchmal durch eine Verwechselung von Naturkunde- und Kunstsammlungen verwirrt wird. Letztere haben die bestmöglichen Originale. Naturkundliche Museen haben schlechte Kopien. In einigen Fällen sind die Originale nicht mehr verfügbar und die Kopien zu Recht äußerst wertvoll – dennoch bleiben es Kopien.
PPS. Biodiversität ist dynamisch. Nicht einmal eine perfekte Momentaufnahme aller Eigenschaften einer Art kann das Potenzial für zukünftige Evolution bewahren (Dank an F. O. Glöckner für seinen diesbezüglichen Kommentar!).
PPPS. Ich glaube nicht, dass Naturkundemuseen keine Zukunft haben. Ich glaube, dass sie sich vor einer nostalgischen Sicht auf die Vergangenheit hüten und auf ihre Funktion in der Gegenwart konzentrieren sollten. Mit den richtigen Prioritäten spielen sie eine wichtige Rolle als Gedächtnisinstitutionen, Dienstleistungszentren für die Bewahrung und ständige Verbesserung physischer und digitaler Sammlungen, als spezialisierte Forschungseinrichtungen, sowie als Zentren der Wissenschaftskommunikation. Von der Konservierung von Umweltproben über DNA-Proben bis hin zu digitalen Sammlungen, für die professionelle Wissenschaft ebenso wie für Bürgerwissenschaften: Naturkundemuseen können eine wichtige Rolle spielen, um so viel Artenvielfalt wie möglich zu erhalten.

(© Gregor Hagedorn 2018, CC BY-SA 4.0, publ. 2018-02-26, updated 2018-03-14. Top Image: Hawaiian tree snails at the Bernice Pauahi Bishop Museum. By Hiart, 2013, CC0 via Commons.

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