{"id":6088,"date":"2014-12-12T15:30:47","date_gmt":"2014-12-12T14:30:47","guid":{"rendered":"http:\/\/www.h-its.org\/?p=6088"},"modified":"2019-03-22T11:47:36","modified_gmt":"2019-03-22T10:47:36","slug":"in-science-big-data-erklart-evolution-der-vogel","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.h-its.org\/de\/2014\/12\/12\/in-science-big-data-erklart-evolution-der-vogel\/","title":{"rendered":"In „Science“: Big Data erkl\u00e4rt Evolution der V\u00f6gel"},"content":{"rendered":"\n

Stammbaum der V\u00f6gel mittels Gen-Analysen und Supercomputern nachvollzogen \/ Neue Erkenntnisse \u00fcber Grundlagen von Gesang, Federn, Biodiversit\u00e4t und Entwicklung der V\u00f6gel<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Rund 95 Prozent der \u00fcber 10 000 bekannten Vogelarten entwickelten sich erst nach dem Aussterben der Dinosaurier vor rund 66 Millionen Jahren. Computeranalysen der genetischen Daten zeigen auch, dass sich die heutige Vielfalt explosionsartig aus wenigen Spezies bereits nach 15 Millionen Jahren entwickelt hatte. HITS-Forscher entwarfen die Algorithmen f\u00fcr die umfassende Analyse der Vogel-Evolution. F\u00fcr die jetzt im Fachjournal \u201eScience\u201c vorgestellten Ergebnisse wurde eine Rechenleistung von 300 Prozessorjahren ben\u00f6tigt. (DOI 10.1126\/science.1253451<\/a>)
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\u201eDie Berechnung dieser Stammb\u00e4ume f\u00fcr die Evolutionsforschung ist ohne entsprechende Algorithmen und Supercomputer nicht m\u00f6glich\u201c, erkl\u00e4rt Alexandros Stamatakis, Leiter der Forschungsgruppe \u201eScientific Computing\u201c am Heidelberger Institut f\u00fcr Theoretische Studien (HITS) und Professor f\u00fcr High Performance Computing in den Lebenswissenschaften am Karlsruher Institut f\u00fcr Technologie (KIT). \u201eModerne Sequenzanalysen liefern heutzutage umfangreiche Gendaten \u00fcber zahlreiche Spezies. Aber mit der Aufgabe, auch evolution\u00e4res Wissen aus diesen riesigen und komplexen Datenmengen zu erzeugen, waren Computerprogramme bislang selbst auf Supercomputern \u00fcberfordert.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Obwohl Supercomputer mittlerweile Tausende Prozessoren besitzen, war die Software f\u00fcr Stammbaumanalysen auf etwa 500 Prozessoren beschr\u00e4nkt. \u201eWir mussten daher das Kommunikationsschema zwischen den Programmteilen auf verschiedenen Prozessoren \u00fcberdenken und neu entwickeln,\u201c so Stamatakis. Der neue Ansatz beschleunigte die Software um den Faktor 3 und erm\u00f6glicht es gleichzeitig, die Rechnungen auf 4000 Prozessoren effizient zu verteilen. Informatiker sprechen hier von der Parallelisierung von Algorithmen. \u201eStatt 24 Monate warten wir nun also nur 1 Monat auf die Ergebnisse.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Die Berechnung von Stammb\u00e4umen geh\u00f6rt zu einer extrem rechen-intensiven Klasse von mathematischen Problemen (NP-Hard genannt). \u201eSchon bei 50 Spezies gibt es mehr als 10 hoch 76 m\u00f6gliche Stammb\u00e4ume, aus denen der Richtige gefunden werden muss\u201c, erkl\u00e4rt Andr\u00e9 J. Aberer, HITS-Mitarbeiter und Doktorand am KIT, der die Computeranalysen durchgef\u00fchrt hat. \u201eZum Vergleich: Im Universum gibt es etwa 10 hoch 78 Atome.\u201c Die Algorithmen filtern zun\u00e4chst grob die unwahrscheinlichen Evolutionsszenarien heraus. Unter den verbliebenen wird dann anhand der Daten von jeweils 14 000 Genen von 48 repr\u00e4sentativen Vogelspezies der evolution\u00e4re Stammbaum berechnet, der die Daten plausibel erkl\u00e4rt. Die neue parallele Software wurde am H\u00f6chstleistungsrechner „SuperMUC“ des Leibniz-Rechenzentrums der Bayerischen Akademie der Wissenschaften und an zwei US-Rechenzentren ausgef\u00fchrt. Die aufgewandte Rechenleistung entspricht einer Rechenzeit von 300 Jahren auf einem einzelnen Prozessor.<\/p>\n\n\n\n

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F\u00fcr die Familie der Bienenfresser (im Bild Merops bullocki) zeigte die Studie eine enge Verwandtschaft mit Singv\u00f6geln, Papageien und Raubv\u00f6geln. (Bild: Peter Houde)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

\u201eDie von uns entwickelten Methoden zur Stammbaumberechnung sind auf alle Arten von Lebewesen anwendbar\u201c, so Stamatakis. Sie erm\u00f6glichten bereits eine umfassende Studie zum Stammbaum der Insekten mit 144 Arten, die vor kurzem im Fachmagazin \u201eScience\u201c ver\u00f6ffentlicht wurde. Aber auch der Ursprung und die Verbreitung von Viren und Bakterien lassen sich damit nachvollziehen, um etwa Krankheitserreger besser bek\u00e4mpfen zu k\u00f6nnen. Die Analyse der genetischen Verwandtschaft von australischen Giftschlangen half entscheidend, die noch fehlende Gegengifte f\u00fcr einige Schlangenarten zu identifizieren.<\/p>\n\n\n\n

Zu den neuen Erkenntnissen \u00fcber V\u00f6gel, die nun zeitgleich in insgesamt 23 wissenschaftlichen Ver\u00f6ffentlichungen in \u201eScience\u201c und weiteren Fachjournalen publiziert werden, geh\u00f6ren, neben dem Stammbaum und der Evolution der V\u00f6gel:<\/p>\n\n\n\n