{"id":9505,"date":"2023-01-03T12:13:07","date_gmt":"2023-01-03T11:13:07","guid":{"rendered":"https:\/\/hifmb.de\/?p=9505"},"modified":"2023-08-17T11:05:09","modified_gmt":"2023-08-17T09:05:09","slug":"die-spuren-der-vielfalt","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/hifmb.de\/de\/die-spuren-der-vielfalt\/","title":{"rendered":"Die Spuren der Vielfalt"},"content":{"rendered":"\n

Jeder Liter Meerwasser enth\u00e4lt Erbmaterial verschiedenster Lebewesen. Die Biologin Silke Laakmann schafft mit ihrem Team die Grundlagen daf\u00fcr, aus den DNA-Spuren auf die biologische Vielfalt in einem Meeresgebiet schlie\u00dfen zu k\u00f6nnen. Daf\u00fcr kombinieren die Forschenden traditionelle Methoden der Artenbestimmung mit neuen genetischen Verfahren.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Das Naturschutzgebiet Sylter Au\u00dfenriff ist f\u00fcr Nordsee-Verh\u00e4ltnisse ungew\u00f6hnlich vielf\u00e4ltig: Auf dem Meeresboden wechseln sich gr\u00f6\u00dfere Steinfelder mit Fl\u00e4chen aus Kies und Grobsand ab, dazwischen liegen flache Sandb\u00e4nke. Die Steine bieten einen festen Untergrund f\u00fcr bunte Riff-Lebensgemeinschaften aus Tieren wie Seenelken, Muscheln, Moostierchen und Schw\u00e4mmen, w\u00e4hrend die Sandb\u00e4nke verschiedene Arten von Schlangensternen und W\u00fcrmern beherbergen. Im Wasser f\u00fchlen sich zahlreiche Fischarten wohl, etwa Dorsche, Sprotten oder Heringe, aber auch Plattfische und die seltenen Flussneunaugen. Das gute Nahrungsangebot zieht wiederum Meeress\u00e4uger an \u2013 Schweinswale und Seehunde.<\/p>\n\n\n\n

Um einen \u00dcberblick \u00fcber die Biodiversit\u00e4t in Meeresschutzgebieten wie dem Sylter Au\u00dfenriff zu bekommen, m\u00fcssen Umweltforschende bislang einen hohen Aufwand betreiben: Sie werfen Netze mit verschiedenen Maschenweiten aus, um Wasserbewohner unterschiedlicher Gr\u00f6\u00dfen zu fangen, nehmen Proben vom Meeresboden oder setzen Unterwasserkameras aus, die Fotos und Filmaufnahmen vom Untergrund machen.<\/p>\n\n\n\n

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Doch es geht auch anders: \u201eWir brauchen eigentlich nur eine Wasserprobe\u201c, sagt die Biologin Dr. Silke Laakmann. Die Forscherin und ihr Team machen es sich zunutze, dass im Meerwasser ein stark verd\u00fcnntes Sammelsurium biologischer Hinterlassenschaften herumschwimmt: Zellreste, Schleim, Schuppen, Haare oder auch F\u00e4kalien sowie \u00dcberreste verwesender Tiere. Auch wenn diese Mischung wenig appetitlich klingt, kann das genetische Material darin \u2013 richtig analysiert \u2013 erstaunliche Einblicke in die biologische Vielfalt in einem Meeresgebiet liefern. Fachleute sprechen von Umwelt-DNA oder kurz eDNA (Englisch: environmental DNA).<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

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Silke Laakmann und ihr Team erforschen die Biodiversit\u00e4t im Meer anhand von Umwelt-DNA. Foto: Uni Oldenburg<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

An dem gro\u00dfen Ziel, die Biodiversit\u00e4t im Meer allein anhand von Wasserproben zuverl\u00e4ssig erfassen zu k\u00f6nnen, arbeitet Laakmann am Helmholtz-Institut f\u00fcr Funktionelle Marine Biodiversit\u00e4t an der Universit\u00e4t Oldenburg (HIFMB). Das Institut wurde 2017 als institutionelle Kooperation zwischen der Universit\u00e4t und dem Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum f\u00fcr Polar- und Meeresforschung (AWI) gegr\u00fcndet. \u201eWir untersuchen, ob die Ergebnisse, die uns die eDNA liefert, auch der Wirklichkeit entsprechen \u2013 ob wir also wirklich alle vorkommenden Tiere einer Region erfassen\u201c, sagt die Forscherin, die am HIFMB seit 2018 die Fokusgruppe Marine Molekular\u00f6kologie leitet. Das Institut beherbergt derzeit zwei dieser Fokusgruppen. Sie sind ein Instrument, um vielversprechende junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gezielt zu f\u00f6rdern und gleichzeitig besonders innovative Forschungsrichtungen am HIFMB zu verankern.<\/p>\n\n\n\n

Im Trend ist auch das Verfahren, das im Zentrum der Arbeit von Laakmann und ihrem f\u00fcnfk\u00f6pfigen Team steht. Die Analyse der eDNA hat sich in den vergangenen Jahren zu einem m\u00e4chtigen neuen Werkzeug der Umweltwissenschaften entwickelt. Das Potenzial der Methode ist gro\u00df \u2013 weil sie es erm\u00f6glicht, komplette Artengemeinschaften egal welcher Gr\u00f6\u00dfe auf einmal zu analysieren, und viele neue Einblicke in die Artenvielfalt liefert. Zudem sind weniger massive Eingriffe in die Umwelt n\u00f6tig als bei traditionellen Probenahmemethoden, was insbesondere f\u00fcr Meeresschutzgebiete wichtig ist.<\/p>\n\n\n\n

Im Verbundprojekt CREATE, geleitet vom Oldenburger Biodiversit\u00e4tsexperten und HIFMB-Direktor Prof. Dr. Helmut Hillebrand, spielt Umwelt-DNA eine zentrale Rolle, um die Biodiversit\u00e4t in einzelnen Meeresschutzgebieten sowie deren Verbindung miteinander zu analysieren. Die Europ\u00e4ische Auster wird dabei als Beispielart verwendet. \u201eEine wichtige Frage ist, ob sich die Austernlarven vom Schutzgebiet Borkum Riffgrund aus mit den Str\u00f6mungen in andere Meeresgebiete ausbreiten, in denen sie bisher nicht angesiedelt wurden\u201c, erl\u00e4utert Laakmann. Innerhalb des Projekts, das durch die Deutsche Allianz Meeresforschung vom Bundesforschungsministerium gef\u00f6rdert wird, bauen die Biologin und ihr Team derzeit ein eDNA-Archiv f\u00fcr die Nordsee auf, anhand dessen sich der aktuelle Stand der Biodiversit\u00e4t und die Auswirkungen zuk\u00fcnftiger Umweltver\u00e4nderungen dokumentieren lassen sollen. Der Umweltwissenschaftler Dr. Kingsly Chuo Beng, Postdoktorand in der Fokusgruppe und Experte f\u00fcr eDNA-Untersuchungen, leitet das entsprechende Arbeitspaket.<\/p>\n\n\n\n

Die Grundlagen daf\u00fcr haben die Forschenden in Laakmanns Gruppe in den vergangenen vier Jahren gelegt. \u201eSeit einigen Jahren findet ein Umbruch in der Biodiversit\u00e4tsforschung statt, sozusagen von den klassischen morphologischen zu molekularen Methoden der Artenbestimmung\u201c, berichtet die Forscherin. Man k\u00f6nnte auch sagen: vom Mikroskop zum Gen. Sie selbst ist noch in den traditionellen Verfahren geschult. \u201eW\u00e4hrend meiner Doktorarbeit an der Universit\u00e4t Bremen und meiner Zeit als Postdoktorandin am Forschungszentrum Senckenberg am Meer in Wilhelmshaven habe ich sehr viel Zeit im Sortierlabor verbracht und die Tiere unter dem Binokularmikroskop anhand ihrer \u00e4u\u00dferen Form bestimmt\u201c, erinnert sie sich. Ihr Spezialgebiet ist tierisches Plankton, in der Fachsprache Zooplankton genannt, insbesondere die vielf\u00e4ltige Gruppe der winzigen Ruderfu\u00dfkrebse.<\/p>\n\n\n\n

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Traditionelle Bestimmungsmethoden sind wichtig, um einen Abgleich mit den genetischen Verfahren zu erzielen.
Foto: Uni Oldenburg<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
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Um die neuen genetischen Methoden in Zukunft routinem\u00e4\u00dfig zum Umweltmonitoring einsetzen zu k\u00f6nnen, findet derzeit ein Abgleich mit den traditionellen Verfahren statt. Laakmann und ihr Team widmen sich vor allem dem Zooplankton in der Nord- und Ostsee, untersuchen aber auch Material aus Patagonien, der Arktis und S\u00fcdafrika. Mehr als 3.000 Proben haben sie bereits gesammelt, die k\u00fcnftig im neuen HIFMB-Geb\u00e4ude archiviert werden sollen.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

Um einen \u00dcberblick \u00fcber die Biodiversit\u00e4t zu erhalten, setzen sie meist drei verschiedene Verfahren ein: Sie sammeln nach wie vor Plankton auf traditionelle Weise mit langen, d\u00fcnnen Netzen. An Bord kommt dabei meist eine br\u00e4unliche, flockige Masse aus stecknadelkopf- bis wenige Millimeter gro\u00dfen Tierchen. \u201eDiese Proben werden geteilt\u201c, berichtet Laakmann. Die Arten in der einen H\u00e4lfte bestimmen entweder sie und ihre Teammitglieder weiterhin klassisch unter dem Binokularmikroskop \u2013 oder Dr. Astrid Cornils, eine Kollegin vom AWI, mittels halbautomatischer Bildanalyse. Die andere H\u00e4lfte des Planktons wird zu Brei verarbeitet und anschlie\u00dfend genetisch analysiert. Das dritte Verfahren ist die Analyse der Umwelt-DNA. Daf\u00fcr wird das Erbmaterial aus Wasserproben extrahiert, die aus verschiedenen Wassertiefen stammen.<\/p>\n\n\n\n

Die molekularbiologischen Methoden zur Artenbestimmung gleichen ansatzweise denen, die derzeit in Corona-Testlabors bei PCR-Tests zum Einsatz kommen: Es werden charakteristische Bereiche der Gene vervielf\u00e4ltigt und anschlie\u00dfend sequenziert, also ausgelesen.<\/p>\n\n\n\n

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\u201eMir ist es wichtig, eine Verbindung zu den Organismen zu behalten.\u201c<\/strong><\/p>\nSilke Laakmann<\/cite><\/blockquote>\n\n\n\n

Die Umweltwissenschaften konzentrieren sich dabei zumeist auf einen Genabschnitt mit dem Namen COI (Cytochrom-c-Oxidase Untereinheit I). \u201eDie Sequenz dieses speziellen Genfragments ist f\u00fcr jede Art einzigartig\u201c, erl\u00e4utert Laakmann. In riesigen Datenbanken inventarisieren Forschende unterschiedlicher Initiativen weltweit Lebewesen anhand des genetischen Codes ihres COI-Gens. \u00c4hnlich wie Lebensmittelverpackungen im Supermarkt durch einen Strichcode (englisch: barcode) gekennzeichnet sind, l\u00e4sst sich jede Tierart, die einmal in einer Datenbank registriert ist, anhand ihres genetischen Codes identifizieren. Laakmann selbst hat in ihrer Zeit als Doktorandin und Postdoktorandin dazu beigetragen, diese Bibliothek des Lebens um zahlreiche Arten zu erweitern, darunter frei im Wasser und am Boden lebenden Tiere der Nordsee sowie Ruderfu\u00dfkrebse aus der Arktis, der Antarktis und der Tiefsee.<\/p>\n\n\n\n

Wird das in einer Umweltprobe enthaltene riesige Sammelsurium an Erbgut parallel analysiert \u2013 ein Vorgang, bei dem Tausende unterschiedlicher DNA-Sequenzen entstehen \u2013 sprechen Fachleute von \u201eMetabarcoding\u201c.<\/p>\n\n\n\n

\u201eIn unseren Proben haben wir Millionen dieser Gen-Schnipsel von allen m\u00f6glichen Tieren. Nach der Sequenzierung vergleichen wir diese Gensequenzen mit den Eintr\u00e4gen in Datenbanken, sodass wir am Ende eine Liste von Arten oder Tiergruppen erhalten\u201c, erl\u00e4utert Laakmann das Verfahren. In den vergangenen vier Jahren haben die Forschenden eine Art Werkzeugkasten f\u00fcr den Umgang mit der eDNA entwickelt. \u201eEs ging um Fragen wie: Wie viel Wasser brauchen wir, um m\u00f6glichst viele Arten in einem Gebiet zu erfassen? Wie h\u00e4ufig m\u00fcssen wir Proben nehmen? Wie soll der Filter aussehen? Welche Datenbanken verwenden wir?\u201c, berichtet die Biologin. Auch mit Schwellenwerten und Rechenalgorithmen befasste sich das Team. Mit den Resultaten ist sie zufrieden: \u201eWir wissen jetzt, dass wir die verschiedenen Gruppen von Wirbellosen und Fischen, die in der Nordsee vorkommen, mit dem eDNA-Metabarcoding tats\u00e4chlich finden. Und wir verstehen ganz gut, wie wir die Methode bei unterschiedlichen Fragestellungen bestm\u00f6glich einsetzen k\u00f6nnen.\u201c<\/p>\n\n\n\n

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Um das Vorkommen bestimmter Arten in gro\u00dfen Naturschutzgebieten wie Borkum Riffgrund oder Sylter Au\u00dfenriff zu erforschen, sei es beispielsweise am besten, an vielen verschiedenen Orten Wasserproben zu nehmen. In einer Studie zu Bodenlebewesen, bei der die Forschenden mit einem Team des AWI zusammenarbeiteten, das Langzeitbeobachtungen in Meeresschutzgebieten durchf\u00fchrt, kombinierten sie dagegen eDNA-Analysen mit Sedimentproben und Unterwasserfotos. In besonders dynamischen Meeresgebieten k\u00f6nne es wiederum n\u00f6tig sein, tagelang immer wieder an derselben Stelle Wasserproben zu nehmen, um alle vorkommenden Arten zu erfassen.<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

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Auf See (hier mit dem Forschungsschiff Heincke auf der Nordsee) sammelt das Team Wasserproben mit Umwelt-DNA.
Foto: HIFMB | Kingsly Chuo Beng<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

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F\u00fcr Laakmann ist es wichtig, sich auch in Zukunft nicht nur auf die genetischen Verfahren zu verlassen. \u201eIch m\u00f6chte sogenannte integrative Methoden nutzen, also klassische und neue Methoden kombinieren. Denn dann bekommen wir das Beste aus beiden Welten.\u201c Als Meeresbiologin m\u00f6chte sie es nicht missen, winzige Flohkrebse, Hydromedusen oder Schwebgarnelen unter dem Binokular zu bestimmen. \u201eIch finde das wichtig, um eine Verbindung zu den Organismen zu bekommen, die ich untersuche\u201c, betont sie \u2013 ein Faktor, der fehle, wenn man nur abstrakt mit Gensequenzen arbeitet.<\/p>\n\n\n\n

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Noch an Bord pr\u00e4pariert Kingsly Chuo Beng die Proben f\u00fcr weitere Untersuchungen.
Foto: HIFMB | Nora Bendig<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
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Dar\u00fcber hinaus ist die Interpretation der Ergebnisse des eDNA-Metabarcodings oft nicht ganz einfach. Laakmann kontrolliert daher alle Artenlisten daraufhin, ob die Resultate Sinn ergeben. Wenn etwa in einer Liste eine unerwartete Zooplankton-Art auftaucht, pr\u00fcft die Forscherin gegebenenfalls sogar, wie vertrauensw\u00fcrdig die Eintr\u00e4ge in den Datenbanken sind. \u201eIn einem Fall haben wir festgestellt, dass ein seltsames Muster in den Daten auf einer falschen Identifizierung nach traditioneller Methode beruhte\u201c, erz\u00e4hlt sie.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

Dass in den Artenlisten immer wieder Landtiere wie Huhn, Rind, Wildschwein oder die Waldmaus auftauchen, ist eher ein Kuriosum. \u201eTeilweise k\u00f6nnen wir das sogar erkl\u00e4ren\u201c, sagt Laakmann: Genetisches Material von landwirtschaftlich genutzten Tieren wie H\u00fchnern und Rindern werde wom\u00f6glich durch Fl\u00fcsse eingetragen, ebenso wie Hinterlassenschaften von Wildschweinen, die an der K\u00fcste leben. Ballastwasser sei eine weitere m\u00f6gliche Quelle exotischen Erbguts. \u201eDie Waldmaus ist uns bislang allerdings ein R\u00e4tsel\u201c, schmunzelt die Biologin, die diesem Problem zusammen mit Kingsly Chuo Beng nun auf den Grund gehen will.<\/p>\n\n\n\n

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\u201eWir sehen erstmals, welche Larven wann im Wasser treiben.\u201c<\/strong><\/p>\nSilke Laakmann<\/cite><\/blockquote>\n\n\n\n

Hin und wieder entdecken die Forschenden auch sogenannte kryptische Arten \u2013 Spezies, die genetisch neu sind, aber \u00e4u\u00dferlich einer anderen, bereits bekannten Art gleichen. Zudem steigen die Chancen, seltene oder bedrohte Tiere aufzusp\u00fcren, darunter auch die verschiedenen Meeress\u00e4uger. \u201eWir finden mit den neuen genetischen Methoden mehr Arten als vorher\u201c, betont Laakmann. All das belege das gro\u00dfe Potenzial der Umwelt-DNA: Sie macht bislang verborgene Bereiche der Biodiversit\u00e4t zug\u00e4nglich.<\/p>\n\n\n\n

Bei den Larven im Zooplankton, die von Bodenlebewesen und Fischen stammen, er\u00f6ffnet sich sogar eine v\u00f6llig neue Welt: Oft lassen sich diese winzigen Wesen mit traditionellen Bestimmungsmethoden nur grob verschiedenen Tiergruppen zuordnen \u2013 etwa den Seeigeln oder den Muscheln. Per Metabarcoding k\u00f6nnen Forschende jedoch problemlos viele dieser Larven bis zur Art bestimmen \u2013 vorausgesetzt, das entsprechende Tier ist bereits in einer Datenbank inventarisiert. \u201eJetzt sehen wir erstmals, welche Larven zu welcher Jahreszeit im Wasser treiben, und k\u00f6nnen daraus R\u00fcckschl\u00fcsse \u00fcber Vorkommen und Fortpflanzungszyklen ziehen\u201c, berichtet Laakmann. Besonders im sp\u00e4ten Fr\u00fchjahr und im Sommer, wenn sich viele Tiere fortpflanzen, ergibt die eDNA-Analyse teils viermal so viele Arten in Zooplanktonproben wie die traditionelle Bestimmung. Auch die Larven der Europ\u00e4ischen Auster lassen sich mit dem Binokular kaum identifizieren: Die weniger als einen Millimeter gro\u00dfen freischwimmenden Stadien \u2013 rundliche Klumpen, die sich mit lappenartigen Forts\u00e4tzen fortbewegen \u2013 sehen genauso aus wie die aller anderen Muscheln. Laakmann und ihr Team sind dennoch zuversichtlich, die Reisewege des Weichtier-Nachwuchses in den Weiten der Nordsee aufdecken zu k\u00f6nnen: In Voruntersuchungen f\u00fcr das Projekt CREATE waren sie bereits erfolgreich dabei, das Erbmaterial der Larven in Wasserproben nachzuweisen.<\/p>\n\n\n\n

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Ute Kehse (Uni Oldenburg)<\/h3>\n\n\n\n

Dieser Artikel ist urspr\u00fcnglich erschienen im Einblicke-Magazin der Universit\u00e4t Oldenburg. Hier die ganze Ausgabe lesen.<\/a><\/strong><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Jeder Liter Meerwasser enth\u00e4lt Erbmaterial verschiedenster Lebewesen. Die Biologin Silke Laakmann schafft mit ihrem Team die Grundlagen daf\u00fcr, aus den DNA-Spuren auf die biologische Vielfalt in einem Meeresgebiet schlie\u00dfen zu k\u00f6nnen. <\/p>\n

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