MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA ÚSTAV GEOLOGICKÝCH VĚD Diplomová práce Brno 2016 Milan Plšek ATiS-software – Vývoj aplikace pro komplexní vyhodnocení fosilních společenstev obratlovců Diplomová práce Milan Plšek Vedoucí práce: Doc. Mgr. Martin Ivanov, Dr. Brno 2016 Bibliografický záznam: Autor: Milan Plšek Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita Ústav geologických věd Název práce: ATiS-software – vývoj aplikace pro komplexní vyhodnocení fosilních společenstev obratlovců Studijní program: Geologie Studijní obor: Geologie Vedoucí práce: Doc. Mgr. Martin Ivanov, Dr. Akademický rok: 2015/2016 Počet stran: 48 + 23 Klíčová slova: Paleoekologie; paleobiogeografie; složení; společenstev; software; aplikace; Bibliographic entry: Author: Milan Plšek Faculty of Science, Masaryk University Department of geology Title of Thesis: ATiS-software – developement of application for complex evaluation of fossil vertebrate assemblages Degree Programme: Geology Field of study: Geology Supervisor: Doc. Mgr. Martin Ivanov, Dr. Academic Year: 2015/2016 Number of Pages: 48 + 23 Keywords: Paleoecology; paleobiogeography; assemblage composition; software; application; Abstrakt Diplomová práce se zabývá problematikou generalizace a vizualizace objemných dat z velkého množství paleontologických lokalit. Produktem je softwarová aplikace ATiS (Assemblages in Time & space), umožňující organizaci těchto dat do přehledných výstupů, což specialistovi ulehčí základní orientaci v těchto velkých a ručně obtížně zpracovatelných souborech. Pomocí této aplikace je pak odborník schopen rychle zjistit populační data přítomných společenstev (např. diverzitu, extinkce, nebo introdukce), dále prostorovou a časovou distribuci taxonů, lokalit, nebo jejich specifických vlastností. Z přítomné druhové skladby je aplikace schopna vypočítat odhad srážek pro dané území a čas. V neposlední řadě pak umožňuje díky statistickým výstupům určovat přímé i nepřímé závislosti taxonů i lokalit, vyjádřit jejich vzájemnou podobnost, nebo jejich vnitřní variabilitu a všechna tato data umožňuje exportovat pro použití i v jiných aplikacích. Tyto prostředky by měly ulehčit pochopení vývoje fosilních společenstev i prostředí, které obývaly a umožnit zatřídění těchto poznatků do širšího časového a prostorového kontextu). V ještě širší perspektivě lze aplikaci využít i jako další pomocnou metodu při tvorbě a verifikaci paleontologických, paleoklimatických, paleogeografických a dalších interpretací. Abstract This thesis deals with the generalization and visualization of large amount of data from number of paleontological localities. The goal of the work is development of an application called AtiS (Assemblages in Time & Space) that allows reorganization of this data into simpler patterns, which may help paleontologists to understand these large and manually difficultly processable datasets. With the help of the application scientists may quickly investigate population data of assemblages (eg. diversity, extinctions or originations) temporal and spatial distribution of both taxa and paleontological localities as well as their specific qualities. Further possibilities of the application include estimation of paleoprecipitation or various statistical evaluations like determination of dependences of both localities and taxa, assessment of mutual similarity of areas (as far as their fossil species are concerned) or finding of an inner variability of datasets. All the result which application generates can also be exported into different applications. All these means shoud facilitate understanding of evolution of fossil assemblages as well as environment they once used to live and enable use of this knowledge in broader temporal and spatial framework. In a general perspective, the application can also be used as an additional auxiliary method in creation and verification of paleontological, paleoclimatic and other interpretations. Poděkování Rád bych na tomto místě poděkoval vedoucímu diplomové práce panu doc. Mgr. Martinu Ivanovovi, Dr. za podnětné připomínky a vždy ochotné a vstřícné jednání. Největší dík patří mé rodině za trpělivost a podporu. Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně s využitím informačních zdrojů, které jsou v práci citovány. Brno 10. 5. 2016 ……………………………… Jméno Příjmení Obsah 1. Úvod 7 2. Základní metody pro zpracování fosilních společenstev 9 2.1 Komparace společenstev statistickými metodami 9 2.2 Metody vícerozměrné statistiky 10 2.3 Metody výpočtu populačních parametrů 11 2.4 Rekonstrukce prostředí - stanovení paleoprecipitace 11 2.5 Rekonstrukce prostředí - stanovení paleoteplot 12 2.6 Vývoj severoalpské předhlubně (NAFB) (pro účely případové studie) 12 2.7 Vývoj klimatu ve sv. oligocénu a miocénu (pro účely případové studie) 13 3. Metody použité ve vývoji aplikace ATiS 15 3.1 Aplikace ATiS 15 3.2 Zdrojová data 15 3.3 Časové jednotky 16 3.4 Implementace shlukové analýzy 16 3.5 Implementace výpočtu populačních parametrů 17 3.6 Implementace klimatických modelů 17 4. Výsledky 18 5. Diskuze - případová studie 27 5.1 Vývoj společenstev herpetofauny v NAFB se zvláštním zřetelem k šupinatým (Squamata) 29 5.2 Vývoj společenstev šupinatých plazů na území Německa (NAFB + RM) 35 5.3 Vývoj společenstev herpetofauny západní Evropy se zvláštním zřetelem k šupinatým 36 5.4 Vývoj společenstev herpetofauny západní Evropy se zvláštním zřetelem k šupinatým 38 5.5 Rozdíly mezi středoevropskými a západoevropskými areály s šupinatými plazy 40 5.6 Odhady průměrných ročních srážek Evropy 41 5.7 Závěr případové studie 44 6. Závěr 45 Použitá literatura Příloha 1: Vysoce termofilní druhy Příloha 2: Západoevropská fauna šupinatých (AQB + MC + PAB + RHB) Příloha 3: Východoevropská fauna šupinatých (PIB + PNB + SB + VBCF) Příloha 4: Manuál aplikace ATiS 6 Vcelku lze říci, že jsme měli k dispozici asi 5% předpokládaného textu. Není to pravda mnoho, ale my bychom vám chtěli předvést, jak svědomitá vědecká práce dokáže i z takhle maličké hromádky stavebního materiálu postavit solidní budovu dramatu. Nezastíráme, že tu a tam chybí cihla či trám, ale kde si nejsme jistí, neimprovizujeme… Divadlo Járy Cimrmana, Němý Bobeš. 1. Úvod Úvodní moto vytržené ze hry známého divadelního souboru vhodně ilustruje problematiku, jíž se zabývá tato diplomová práce. Jejím cílem je vytvoření nástroje, který by umožnil specialistům lepší orientaci v rozsáhlých datových souborech shromážděných z velkého množství paleontologických lokalit a umožnit snazší pochopení různých vztahů v rámci fosilních společenstev – tedy společenstev, která obývala Zemi v její geologické historii a jejichž malé fragmenty jsou v podobě fosilií dochovány dodnes na paleontologických lokalitách. Fosilní společenstva popisujeme slovy. Nikoliv však slovy náhodnými, ale slovy kodifikovanými a závaznými. Základní informační jednotkou společenstva je složená informace o 3 dimenzích, kterými jsou: 1) Fosilie. Lze je jednoznačně definovat taxonomickou nomenklaturou. 2) Prostor. Lze jej jedoznačně popsat GPS koordináty, zeměpisným názvem, apod. 3) Čas. Lze jej jednoznačně definovat pomocí vhodně zvolených časových jednotek (např. biozón). Pokud se nám v rámci datového souboru podaří sjednotit tyto lexikální jednotky tak, aby v celém souboru vždy jedno slovo označovalo jednu a tutéž věc, můžeme slova snadno změnit na jednotky a s těmi už pak můžeme pracovat matematicky a statisticky. Výsledkem je informace, jak tato, dnes již dávno zaniklá, společenstva vypadala: tedy např. z jakých druhů se skládala, jak se tyto druhy obměnovaly v čase a prostoru, či v jakém prostředí žila. Ve shodě s úvodním citátem, je nutné poznamenat, že je pravděpodobné, že zde bude chybět řada „cihel, či trámů“, ale pokud jich nebude chybět příliš mnoho, umožní nám to i tak spatřit základní kontury původní stavby. Proč k řešení této úlohy použít počítač? Abychom společenstva co nejlépe popsali, musíme jich vyhodnotit velké množství – řádově desítky, stovky, nebo tisíce lokalit a taxonů. To však představuje problém. Je to typ úlohy pro níž není lidský mozek konstruován. Náš mozek je stvořen k zobecnění, k prioritizaci, ke generalizaci - není schopen nezapomínat a bez ztráty přesnosti hodnotit rozsáhlé objemy nesouvislých dat. V těchto případech je mnohem efektivnější strojové zpracování, jež proces vyhodnocení takových dat nejen umožňuje, ale i zrychluje, zpřesňuje a zlevňuje. I počítačové zpracování má však svá úskalí. Datové soubory, kterými se zabýváme, budou vždy postiženy značnou informační ztrátou a nebudeme tedy schopni pouhou výpočetní silou vytvořit z dostupných střípků celou mozaiku znázorňující původní společenstva v původní diverzitě. Analýzou dostupných dat však přinejmenším můžeme velké množství malých střípků spojit - když ne do kompletní mozaiky, tak aspoň do větších střepů, které může odborník snadněji propojit odbornou dedukcí – interpretací. Bohužel aplikací zaměřených na analýzu paleontologických dat je málo. Průzkum na internetu ukázal, že aplikace určené přímo pro vyhodnocení fosilních faunistických společenstev zřejmě neexistují (nebo nejsou snadno k nalezení). K dispozici jsou spíše paleontologické databáze, budované menšími týmy, primárně pro vlastní potřebu, přičemž dostupnost ostatním je v podstatě jen přidanou 7 hodnotou. Součástí této přidané hodnoty bývá webová aplikace, která slouží jako vyhledávací filtr, někdy obsahující i prostředky pro analýzu dat. Zásadní nevýhodou jejich „centralizovaného“ databázového přístupu je, že data může editovat jen k tomu určený uživatel. Nikdo jiný nemůže do databáze nic