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eDNA schwirrt überall herum Walhaie findet man auch im Wasserglas

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Forscher entnahmen im Lebensraum einer Walhai-Population Wasserproben und filterten daraus DNA-Rückstände der Tiere.

(Foto: imago/Westend61)

Gefährdete oder seltene Arten aufzuspüren, ist schwierig und kann aufwendig und teuer sein. Kann man nicht einfach nach Spuren suchen, die sie in der Umwelt hinterlassen haben? Sogenannte Umwelt-DNA-Untersuchungen machen das inzwischen möglich.

Mit einer Länge von mehr als zehn Metern und ebenso vielen Tonnen Gewicht sind Walhaie nur schwer zu übersehen - trotzdem liegen viele Aspekte zur Biologie der Tiere im Dunkeln. Will man mehr über die größten Vertreter der Haie erfahren, sind Wissenschaftler bisher darauf angewiesen, die Tiere aufzuspüren, zu beobachten, sie zu markieren oder Gewebeproben zu entnehmen - ein aufwendiges Verfahren, das für die Tiere nicht immer ungefährlich ist.

Wissenschaftler um Philip Francis Thomsen von der Universität Kopenhagen (Dänemark) haben nun einen anderen Weg beschritten: Sie spürten die Walhaie quasi im Wasserglas auf. Sie entnahmen dazu im Lebensraum einer Walhai-Population im Persischen Golf Wasserproben und filterten daraus DNA-Rückstände der Tiere, die sie anschließend analysierten. Wie sie im Fachblatt "Nature Ecology and Evolution" berichten, gewannen sie unter anderem neue Informationen über die genetische Vielfalt der Population. Vor allem aber belegte die Untersuchung einmal mehr das Potenzial, das in den sogenannten Umwelt-DNA-Untersuchungen steckt.

Genetische Hinterlassenschaften von Organismen

eDNA - "e" vom englischen Wort "environmental" für "aus der Umwelt" - findet sich quasi überall. Im Boden, in Wasser und Eis, sogar in der Luft schwirren genetische Hinterlassenschaften von Organismen herum. Sie stammen beispielsweise von ausgefallenen Haaren oder Federn, aus dem Kot der Tiere oder von verendeten Lebewesen. "Durch die Analyse der eDNA können wir die Arten und die Artenvielfalt eines Ökosystems untersuchen, ohne die Tiere selbst aufspüren zu müssen", erläutert Florian Altermatt, der sich an der Forschungsanstalt Eawag in Dübendorf (Schweiz) mit den Einsatzmöglichkeiten des Verfahrens beschäftigt. Die Methode beeinträchtige dabei weder die gesuchten Arten noch das Ökosystem.

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Philip Francis Thomsen filtert Wasserproben im Persischen Golf, in denen Spuren von Walhai-DNA stecken.

(Foto: Steffen Sanvig Bach, Maersk Oil Research and Technology Centre, Qatar/dpa)

Grundsätzlich gibt es zwei Ansätze für die eDNA-Untersuchungen: Beim ersten suchen Forscher gezielt nach einer bestimmten Tierart. Zum Beispiel einer seltenen Art, die selbst bei aufwendiger Feldforschung nur schwer aufzuspüren ist. Nach der Entnahme von Proben aus dem Lebensraum der gesuchten Art wird die darin enthaltene DNA isoliert. Jetzt benötigt man kleine DNA-Abschnitte, die nur bei der gesuchten Art vorkommen. Diese sogenannten Primer angeln quasi wie ein Magnet aus der gesamten DNA in der Probe die Stückchen heraus, die zur gesuchten Art gehören. Eine positive Probe - wenn also etwas an der Angel hängt - bedeutet, dass die Art in dem Lebensraum vorhanden ist.

"Dieser Ansatz ist bereits sehr etabliert und wird fast routinemäßig eingesetzt", erläutert Altermatt. "Der Nachteil ist, dass man den Test für jede einzelne Art anpassen muss." Anders ist das beim zweiten Ansatz. Hier wird als "Angel" ein Gen-Abschnitt verwendet, der nahezu universell bei allen Tierarten vorhanden ist - allerdings mit jeweils winzigen Abweichungen. Die sind so gering, dass die Angel trotzdem passt und die dazugehörigen DNA-Abschnitte aus der Probe fischt. Sequenziert man später die Abschnitte, werden die winzigen Abweichungen offensichtlich. Die Sequenzen können dann mit Einträgen in Datenbanken verglichen und die betreffenden Tierarten so identifiziert werden. "Metabarcoding" nennen Fachleute das Verfahren.

"Noch ein offenes Forschungsfeld"

"Das ist noch ein offenes Forschungsfeld, in dem zurzeit viel experimentiert wird", sagt Altermatt. Gemeinsam mit anderen Forschern untersuchte der Biologe mit dem Verfahren die Artenvielfalt des Flusses Glatt im Kanton Zürich. An acht Stellen entnahmen die Forscher Wasserproben und analysierten die darin enthaltene DNA. Sie fanden genetische Spuren von Hunderten Lebewesen, von der winzigen Eintagsfliege über Würmer und Schnecken bis hin zum Biber.

Interessanterweise fanden sie nicht nur Genspuren der Wasserbewohner, sondern auch von terrestrischen Arten, die im Uferbereich des Flusses leben, etwa von Schmetterlingen oder Ringelwürmern. "Wir bekommen mit nur wenigen Wasserproben ein Gesamtbild des ganzen Einzugsgebiets", so Altermatt. Ihre Untersuchungen hatten die Forscher im Fachblatt "Nature Communications" vorgestellt.

Vorteil: Möglichkeit zur Automatisierung

Einen der größten Vorteile des Verfahrens sieht Altermatt in der Möglichkeit zur Automatisierung. "Klassische Untersuchungen zur Artenvielfalt werden höchstens alle paar Jahre gemacht. Proben für eDNA-Untersuchungen können theoretisch in regelmäßigen Abständen automatisch entnommen werden, etwa an zentralen Entnahmestellen, an denen bereits jetzt täglich oder sogar stündlich Proben zur Prüfung der Gewässerqualität entnommen werden." Mit weiterer technischer Verbesserung des Verfahrens und mit weiter sinkenden Kosten werde das immer realistischer.

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Amerikanischer Sumpfkrebs (Procambarus clarkii): Die Krebspest wurde von amerikanischen Flusskrebsarten eingeschleppt, die selbst gegen diesen Pilz immun sind.

(Foto: imago/McPHOTO)

Mit einem automatisierten Verfahren wäre auch eine kontinuierliche Überwachung von gefährlichen Erregern in Flüssen möglich. Am Senckenberg Forschungsinstitut in Frankfurt haben Wissenschaftler in einem Pilotprojekt untersucht, ob sich eDNA-Untersuchungen eignen, um den Erreger der gefährlichen Krebspest (Aphanomyces astaci) frühzeitig in Gewässern aufzuspüren. Dieser Pilz wurde von amerikanischen Flusskrebsarten eingeschleppt, die selbst gegen den Pilz immun sind. Heimische Arten jedoch erliegen der Krebspest in kürzester Zeit, wenn sie sich infizieren.

"Um die Krebspest nachzuweisen, müssen bislang Krebse gefangen und getötet werden, um eine Gewebeprobe zu entnehmen. Das ist sehr aufwendig, und ein Grund dafür, dass es bundesweit bisher kein Monitoring-Verfahren für die Erkrankung gibt", sagt Carsten Nowak, Leiter des Fachgebiets Naturschutzgenetik am Senckenberg Forschungsinstitut. Der dort entwickelte eDNA-Test weist nun Sporen des Pilzes im Wasser nach. "Der Test bedeutet eine enorme Arbeits- und Kostenersparnis. Dabei ist er sehr zuverlässig und liefert auch verlässliche Aussagen über die Konzentration der Sporen im Gewässer."

Bei einem rechtzeitigen Nachweis können Gegenmaßnahmen schneller ergriffen und die Ausbreitung der Krebspest gebremst werden, hoffen die Forscher. Sie entwickeln zurzeit einen weiteren eDNA-Test zum Nachweis des Schneiders (Alburnoides bipunctatus), einer mittlerweile selten gewordenen Fischart. "Die Fische sind sehr klein, das macht es zusätzlich schwierig, die Bestände zu kontrollieren", sagt Nowak. Sie planen mit dem eDNA-Test ein Wiederansiedlungsprojekt in der Rhön zu begleiten, um dessen Erfolg zu prüfen. Auch Nowak glaubt, dass Analysen von Umwelt-DNA in Zukunft weiter Verbreitung finden werden.

Auch Laien können Proben entnehmen

Befördern könnte diese Entwicklung auch die Tatsache, dass die Entnahme von Umweltproben keinen großen Sachverstand erfordert. Stellt man Entnahme-Sets bereit, können auch Laien problemlos Proben entnehmen und zur weiteren Untersuchung ins Labor schicken. Mit so einem Citizen-Science- oder Bürgerwissenschafts-Ansatz haben Forscher in Großbritannien das Vorkommen des vielerorts seltenen und bedrohten Nördlichen Kammmolchs (Triturus cristatus) untersucht.

Die erheblichen Kosten und der Personalaufwand für konventionelle Überwachungsmethoden hätten bisherige Versuche verhindert, die Bestände der Art zu erfassen, erläutert das Team um Jeremy Biggs vom Freshwater Habitats Trust in Oxford (Großbritannien) im Fachblatt "Biological Conservation". Sie ließen Freiwillige landesweit Proben aus insgesamt 250 Teichen nehmen, die als Lebensraum des Kammmolches bekannt waren.

eDNA-Methode effektiver als Standard-Nachweismethoden

Die Forscher analysierten die eingeschickten Proben und stellten fest, dass sie in mehr als 90 Prozent korrekterweise das Vorhandensein des Molches anzeigten. Die eDNA-Methode erwies sich sogar als effektiver als die Standard-Nachweismethoden, etwa das Aufstellen von Fallen oder die nächtliche Beobachtung der Tiere mit Taschenlampen, berichteten die Forscher.

An der Universität Basel entwickelten Forscher einen eDNA-Test, mit dem sich das Vorkommen der invasiven Schwarzmeergrundeln nachweisen lässt. Die ursprünglich im Schwarzen und Kaspischen Meer lebende Art breitet sich derzeit entlang der Schifffahrtsrouten unter anderem in Mitteleuropa aus. "Unser Test ist einer der ersten Ansätze dieser Art, der in einem Fließgewässer eine spezifische Fischart gezielt und erfolgreich nachweist", sagte Irene Adrian-Kalchhauser. "Wir hoffen, dass die Studie dazu beiträgt, environmental DNA als Standardmethode im europäischen Gewässermanagement zu etablieren."

Noch müssen die Möglichkeiten und Grenzen der Technik genauer ausgelotet und grundlegende Fragen weiter untersucht werden. Etwa zur "Ökologie" der eDNA selbst: Die Zahl der eDNA-Studien sei in den vergangenen Jahren sprunghaft gestiegen, aber nur wenige hätten sich damit beschäftigt, wie das genetische Material mit der Umwelt interagiert, wie es sich verbreitet und wie dies die Analyse beeinflusse, schreiben die US-Forscher Matthew Barnes und Cameron Turner in einer Übersichtsarbeit.

Quelle: ntv.de, Anja Garms, dpa

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