Day 1: TheoryTag 1: Theorie
Biodiversity & Species Accumulation CurvesBiodiversität & Artenakkumulationskurven
Ecology WorkshopÖkologie-Workshop
2026-01-25
What is Biodiversity?Was ist Biodiversität?
DefinitionDefinition
Biodiversity = the variety of life in an area
Compare two forests:
| Forest A | Forest B |
|---|---|
| Oak, Oak, Oak, Oak, Oak | Oak, Beech, Maple, Pine, Birch |
| 5 trees, 1 species | 5 trees, 5 species |
Which forest is more biodiverse? Forest B - even though both have the same number of trees.
Biodiversität = die Vielfalt des Lebens in einem Gebiet
Denk an zwei Wälder…
| Wald A | Wald B |
|---|---|
| Eiche, Eiche, Eiche, Eiche, Eiche | Eiche, Buche, Ahorn, Kiefer, Birke |
| 5 Bäume, 1 Art | 5 Bäume, 5 Arten |
Welcher Wald ist artenreicher? Wald B - obwohl beide gleich viele Bäume haben.
Why Does Biodiversity Matter?Warum ist Biodiversität wichtig?
- Ecosystem services: Clean air, water filtration, pollination
- Medicine: 70% of cancer drugs come from natural sources
- Food security: Genetic diversity protects crops from disease
- Ökosystemleistungen: Saubere Luft, Wasserfilterung, Bestäubung
- Medizin: 70% der Krebsmedikamente stammen aus natürlichen Quellen
- Ernährungssicherheit: Genetische Vielfalt schützt Pflanzen vor Krankheiten
The Sampling ProblemDas Stichproben-Problem
The Counting ProblemDas Zählproblem
How many plant species are in Austria?
Can we count them all? Consider:
- Austria = 83,879 km²
- Some species are tiny (mosses, lichens)
- Some only appear in certain seasons
- Some are extremely rare
The answer: Sampling!
We study small areas carefully and use statistics to estimate the total.
Wie viele Pflanzenarten gibt es in Österreich?
Können wir alle zählen? Bedenke:
- Österreich = 83.879 km²
- Manche Arten sind winzig (Moose, Flechten)
- Manche erscheinen nur zu bestimmten Jahreszeiten
- Manche sind extrem selten
Die Lösung: Stichproben!
Wir untersuchen kleine Flächen sorgfältig und nutzen Statistik zur Schätzung.
Key insight: We study small plots carefully, then use patterns to understand the whole.
Kernidee: Wir untersuchen kleine Flächen sorgfältig und nutzen Muster, um das Ganze zu verstehen.
Discussion QuestionDiskussionsfrage
Imagine you want to know how many different types of candy exist in a candy store.
You have 5 minutes and can look in 10 jars (out of 100 total jars).
Which strategy is better?
Look at the 10 jars closest to the door
Look at 10 jars spread throughout the store
Why does this matter for ecology?
Stell dir vor, du willst wissen, wie viele verschiedene Süßigkeiten es in einem Süßwarenladen gibt.
Du hast 5 Minuten und kannst in 10 Gläser schauen (von insgesamt 100).
Welche Strategie ist besser?
Die 10 Gläser direkt neben der Tür
10 Gläser verteilt im ganzen Laden
Warum ist das für Ökologie wichtig?
Vegetation PlotsVegetationsplots
A vegetation plot is a small area (typically 1-100 m²) where ecologists record every plant species.
| What we record | Example |
|---|---|
| Location (coordinates) | 47.0707° N, 15.4395° E |
| Date | 2023-06-15 |
| All species present | Festuca rubra, Trifolium repens, … |
| Cover (%) per species | 25%, 10%, … |
Ein Vegetationsplot ist eine kleine Fläche (typisch 1-100 m²), auf der Ökologen jede Pflanzenart notieren.
| Was wir aufnehmen | Beispiel |
|---|---|
| Standort (Koordinaten) | 47.0707° N, 15.4395° E |
| Datum | 2023-06-15 |
| Alle vorhandenen Arten | Festuca rubra, Trifolium repens, … |
| Deckung (%) pro Art | 25%, 10%, … |
Species Accumulation CurvesArtenakkumulationskurven
The Core IdeaDie Kernidee
As we sample more plots, we find more species - but at a decreasing rate.
Why?
- First plots: Mostly common species (easy to find)
- Later plots: Mostly rare species (hard to find)
- Eventually: Very few new species per plot
Je mehr Plots wir untersuchen, desto mehr Arten finden wir - aber mit abnehmender Rate.
Warum?
- Erste Plots: Hauptsächlich häufige Arten (leicht zu finden)
- Spätere Plots: Hauptsächlich seltene Arten (schwer zu finden)
- Schließlich: Sehr wenige neue Arten pro Plot
Why Does the Curve Flatten?Warum flacht die Kurve ab?
Think of it like a card game:
| Draw # | What happens |
|---|---|
| 1st card | Definitely new! |
| 10th card | Probably still new |
| 30th card | Maybe seen it before |
| 50th card | Very likely a repeat |
The more species you’ve already found, the harder it is to find new ones.
Denk an ein Kartenspiel:
| Karte # | Was passiert |
|---|---|
| 1. Karte | Definitiv neu! |
| 10. Karte | Wahrscheinlich noch neu |
| 30. Karte | Vielleicht schon gesehen |
| 50. Karte | Sehr wahrscheinlich ein Duplikat |
Je mehr Arten du schon gefunden hast, desto schwieriger wird es, neue zu finden.
Let’s Build One TogetherLasst uns eine Kurve bauen
Imagine we’re sampling a meadow. Each “plot” reveals some species:
| Plot | Species.Found | New.Species | Cumulative.Total |
|---|---|---|---|
| 1 | Daisy, Clover, Grass | 3 | 3 |
| 2 | Buttercup, Dandelion, Grass | 2 | 5 |
| 3 | Daisy, Thistle, Clover | 1 | 6 |
| 4 | Grass, Plantain, Daisy | 1 | 7 |
| 5 | Clover, Buttercup, Yarrow | 1 | 8 |
| 6 | Daisy, Grass, Clover | 0 | 8 |
| 7 | Dandelion, Plantain, Grass | 0 | 8 |
| 8 | Clover, Daisy, Sorrel | 1 | 9 |
Notice: By plot 6-7, we’re not finding anything new!
Stell dir vor, wir untersuchen eine Wiese. Jeder “Plot” zeigt einige Arten:
| Plot | Gefundene.Arten | Neue.Arten | Kumulativ |
|---|---|---|---|
| 1 | Gänseblümchen, Klee, Gras | 3 | 3 |
| 2 | Butterblume, Löwenzahn, Gras | 2 | 5 |
| 3 | Gänseblümchen, Distel, Klee | 1 | 6 |
| 4 | Gras, Spitzwegerich, Gänseblümchen | 1 | 7 |
| 5 | Klee, Butterblume, Schafgarbe | 1 | 8 |
| 6 | Gänseblümchen, Gras, Klee | 0 | 8 |
| 7 | Löwenzahn, Spitzwegerich, Gras | 0 | 8 |
| 8 | Klee, Gänseblümchen, Sauerampfer | 1 | 9 |
Beachte: Bei Plot 6-7 finden wir nichts Neues mehr!
Visualizing Our ExampleUnsere Beispielkurve
The orange segments show how many new species each plot adds. Notice how they get shorter!
Die orangenen Segmente zeigen, wie viele neue Arten jeder Plot hinzufügt. Beachte, wie sie kürzer werden!
Discussion QuestionDiskussionsfrage
Look at these two curves:
Schau dir diese zwei Kurven an:
Questions:
- Which forest probably has more total species?
- Which forest has species spread more evenly?
- In which forest would you need to sample MORE plots to find everything?
Fragen:
- Welcher Wald hat wahrscheinlich mehr Arten insgesamt?
- In welchem Wald sind die Arten gleichmäßiger verteilt?
- In welchem Wald müsstest du MEHR Plots untersuchen, um alles zu finden?
The AsymptoteDie Asymptote
Predicting the UnknowableDas Unbekannte vorhersagen
The asymptote is the line the curve approaches but never quite reaches.
It represents: the estimated total number of species
Even without sampling everything, we can estimate how much we’re missing!
Die Asymptote ist die Linie, der sich die Kurve nähert, aber nie ganz erreicht.
Sie repräsentiert: die geschätzte Gesamtartenzahl
Selbst ohne alles zu untersuchen, können wir schätzen, wie viel wir verpassen!
The European Vegetation ArchiveDas Europäische Vegetationsarchiv
EVA DatabaseEVA-Datenbank
EVA (European Vegetation Archive) is the largest vegetation database in Europe:
- 1.6+ million plots
- 82 countries
- Data from 1900 to today
For Austria, we have access to ~52,000 plots with location data.
EVA (European Vegetation Archive) ist die größte Vegetationsdatenbank Europas:
- 1,6+ Millionen Plots
- 82 Länder
- Daten von 1900 bis heute
Für Österreich haben wir Zugang zu ~52.000 Plots mit Standortdaten.
Native vs. Alien SpeciesHeimische vs. Alien-Arten
Our dataset distinguishes between:
| Native Species | Alien Species (Neophytes) |
|---|---|
| Naturally occurring | Introduced by humans |
| Part of original ecosystem | Arrived after 1492 |
| Co-evolved with other species | May outcompete natives |
Research Question for Day 2: Do alien species accumulate differently than native species?
Unser Datensatz unterscheidet zwischen:
| Heimische Arten | Alien-Arten (Neophyten) |
|---|---|
| Natürlich vorkommend | Vom Menschen eingeführt |
| Teil des ursprünglichen Ökosystems | Nach 1492 angekommen |
| Mit anderen Arten co-evolviert | Können Einheimische verdrängen |
Forschungsfrage für Tag 2: Akkumulieren Alien-Arten anders als heimische Arten?
Why Not Excel?Warum nicht Excel?
Excel is Great For…Excel ist super für…
You probably know Excel well. It’s perfect for:
- Quick calculations
- Simple tables and charts
- Small datasets (hundreds of rows)
Could we build accumulation curves in Excel? Yes! For a small example:
Du kennst wahrscheinlich Excel gut. Es ist perfekt für:
- Schnelle Berechnungen
- Einfache Tabellen und Diagramme
- Kleine Datensätze (Hunderte von Zeilen)
Könnten wir Akkumulationskurven in Excel bauen? Ja! Für ein kleines Beispiel:
This works fine for 5 plots. But what about 52,000 plots?
Das funktioniert für 5 Plots. Aber was ist mit 52.000 Plots?
But Real Research Needs MoreAber echte Forschung braucht mehr
Our Austrian dataset has 52,000 plots and 850,000 species observations.
| Task | Excel | R |
|---|---|---|
| Load 850,000 rows | Crashes or freezes | 2 seconds |
| Repeat analysis 100 times | Click 100 times | One loop |
| Share exact method | “I clicked here, then there…” | Share the code |
| Find a bug | Where did I click wrong? | Read line 47 |
| Update with new data | Start over | Re-run script |
Unser österreichischer Datensatz hat 52.000 Plots und 850.000 Artenbeobachtungen.
| Aufgabe | Excel | R |
|---|---|---|
| 850.000 Zeilen laden | Stürzt ab oder friert ein | 2 Sekunden |
| Analyse 100x wiederholen | 100x klicken | Eine Schleife |
| Exakte Methode teilen | “Ich habe hier geklickt, dann dort…” | Code teilen |
| Fehler finden | Wo habe ich falsch geklickt? | Zeile 47 lesen |
| Mit neuen Daten aktualisieren | Von vorne anfangen | Skript erneut ausführen |
Reproducibility: The Key DifferenceReproduzierbarkeit: Der Schlüsselunterschied
In science, others must be able to reproduce your results.
With Excel: > “I sorted column B, then filtered for values > 10, then made a chart, then… I think I also removed some outliers?”
With R:
data %>%
filter(value > 10) %>%
ggplot(aes(x, y)) +
geom_line()The code IS the method. Anyone can run it and get the same result.
In der Wissenschaft müssen andere deine Ergebnisse reproduzieren können.
Mit Excel: > “Ich habe Spalte B sortiert, dann nach Werten > 10 gefiltert, dann ein Diagramm erstellt, dann… ich glaube, ich habe auch einige Ausreißer entfernt?”
Mit R:
data %>%
filter(value > 10) %>%
ggplot(aes(x, y)) +
geom_line()Der Code IST die Methode. Jeder kann ihn ausführen und das gleiche Ergebnis erhalten.
SummaryZusammenfassung
Key ConceptsSchlüsselkonzepte
| Concept | What it means |
|---|---|
| Biodiversity | Variety of species in an area |
| Vegetation plot | Small area where all plants are recorded |
| Accumulation curve | Graph showing species discovery over sampling effort |
| Asymptote | Estimated total species (curve approaches but never reaches) |
| Native species | Naturally occurring in the region |
| Alien species | Introduced by humans (after 1492) |
| Konzept | Bedeutung |
|---|---|
| Biodiversität | Artenvielfalt in einem Gebiet |
| Vegetationsplot | Kleine Fläche, auf der alle Pflanzen erfasst werden |
| Akkumulationskurve | Graph der Artenentdeckung über Stichprobenaufwand |
| Asymptote | Geschätzte Gesamtartenzahl (Kurve nähert sich, erreicht sie aber nie) |
| Heimische Arten | Natürlich in der Region vorkommend |
| Alien-Arten | Vom Menschen eingeführt (nach 1492) |
Preview: Day 2Vorschau: Tag 2
Tomorrow we will:
- Learn the nearest-neighbor algorithm for building spatial curves
- Understand why plot order matters
- Build curves with multiple starting points
- Compare native vs. alien accumulation patterns
- Interpret results and discuss biological mechanisms
Hypothesis to test: Do alien species accumulate differently than native species?
Morgen werden wir:
- Den Nearest-Neighbor-Algorithmus für räumliche Kurven lernen
- Verstehen, warum die Plot-Reihenfolge wichtig ist
- Kurven mit mehreren Startpunkten bauen
- Heimische vs. Alien-Akkumulationsmuster vergleichen
- Ergebnisse interpretieren und biologische Mechanismen diskutieren
Zu testende Hypothese: Akkumulieren Alien-Arten anders als heimische Arten?