eDNA: Wie Biodiversität heutzutage gemessen wird
Autor: Tim Möschl
Was lebt eigentlich alles in meinem Garten? Diese Frage stellen sich auch Wissenschaftler:innen, nur meist in einem größeren Maßstab. Lokale Populationen von Spezies zu untersuchen und zu quantifizieren war bereits zu Zeiten von Charles Darwin ein zentraler Bestandteil biologischer Forschung. Und gerade heute ist es wichtiger denn je, Biodiversität zu untersuchen, um Ökosysteme zu verstehen und schützen zu können. Um dem Artensterben entgegenzuwirken, brauchen Forschende nicht nur die Information, welche Schadstoffe beispielsweise in einem Landstrich oder Gewässer vorhanden sind, sondern auch, welche Tiere und Pflanzen dort leben, wie sich deren Zusammensetzung im Laufe der Zeit verändert hat und wie sehr sie durch menschliches Handeln beeinflusst werden.
Ein mühsames Unterfangen
Arten vor Ort zu bestimmen war seit jeher ein teures und aufwendiges Unterfangen. In einen Regenwald oder abgelegene Meeresgebiete vorzudringen, setzt lange Planung und ausreichende Finanzierung voraus. Einmal angekommen gilt es, händisch die angetroffenen Arten zu untersuchen und zu quantifizieren. So gehört es zum Arbeitsalltag der biologischen Feldforschung, mühsam durch Bäche und Schlamm zu waten und dort nach Fischen und Insekten Ausschau zu halten. Um diese zu bestimmen, müssen sie zumindest temporär aus ihrem Lebensraum entnommen werden. Oftmals sind dies relativ invasive Methoden, wenngleich dadurch wissenschaftliche Erkenntnisse für einen guten Zweck generiert werden. Dabei existiert noch eine weitere zentrale Herausforderung: nicht alle Spezies sind auf den ersten Blick zu erkennen und für Forschende am Zeitpunkt und Ort ihrer Messungen auffindbar. Kleine Mikroben, sich als Ast tarnende Stabschrecken oder Flundern am Meeresgrund sind schlicht leichter zu übersehen als eine Nashornherde in der Savanne. Dabei können auch und gerade unscheinbare Arten wesentliche Rollen für ihre Ökosysteme spielen.
Arten vor Ort zu bestimmen war seit jeher ein teures und aufwendiges Unterfangen. In einen Regenwald oder abgelegene Meeresgebiete vorzudringen, setzt lange Planung und ausreichende Finanzierung voraus. Einmal angekommen gilt es, händisch die angetroffenen Arten zu untersuchen und zu quantifizieren. So gehört es zum Arbeitsalltag der biologischen Feldforschung, mühsam durch Bäche und Schlamm zu waten und dort nach Fischen und Insekten Ausschau zu halten. Um diese zu bestimmen, müssen sie zumindest temporär aus ihrem Lebensraum entnommen werden. Oftmals sind dies relativ invasive Methoden, wenngleich dadurch wissenschaftliche Erkenntnisse für einen guten Zweck generiert werden. Dabei existiert noch eine weitere zentrale Herausforderung: nicht alle Spezies sind auf den ersten Blick zu erkennen und für Forschende am Zeitpunkt und Ort ihrer Messungen auffindbar. Kleine Mikroben, sich als Ast tarnende Stabschrecken oder Flundern am Meeresgrund sind schlicht leichter zu übersehen als eine Nashornherde in der Savanne. Dabei können auch und gerade unscheinbare Arten wesentliche Rollen für ihre Ökosysteme spielen.
Die wissenschaftliche Zeitenwende
Seit einigen Jahren gibt es allerdings enorme Veränderungen in der Messung von Biodiversität und im sogenannten Biomonitoring. Durch technischen Fortschritt und sinkende Kosten wird heute zunehmend auf die Untersuchung des genetischen Fingerabdrucks gesetzt. War in der vergangenen Dekade noch tagelange Forschung im Feld nötig, so können benötigte Proben jetzt binnen Minuten gesammelt werden - sogenannte Environmental DNA (eDNA) macht es möglich. Statt einzelne Exemplare vorhandener Spezies zu suchen, liegt der Fokus nun auf der Identifizierung des hinterlassenen Genmaterials. Ob Ausscheidungen, Speichel oder einzelne Hautzellen: je größer das Individuum und je größer die Population, desto mehr genetische Spuren sind zu finden.
Seit einigen Jahren gibt es allerdings enorme Veränderungen in der Messung von Biodiversität und im sogenannten Biomonitoring. Durch technischen Fortschritt und sinkende Kosten wird heute zunehmend auf die Untersuchung des genetischen Fingerabdrucks gesetzt. War in der vergangenen Dekade noch tagelange Forschung im Feld nötig, so können benötigte Proben jetzt binnen Minuten gesammelt werden - sogenannte Environmental DNA (eDNA) macht es möglich. Statt einzelne Exemplare vorhandener Spezies zu suchen, liegt der Fokus nun auf der Identifizierung des hinterlassenen Genmaterials. Ob Ausscheidungen, Speichel oder einzelne Hautzellen: je größer das Individuum und je größer die Population, desto mehr genetische Spuren sind zu finden.
Wie funktioniert die Messung mit eDNA?
Momentan ist der wichtigste Einsatzbereich von eDNA die Untersuchung von Artenvielfalt in aquatischen Ökosystemen. Das Sammeln von Proben ist hier relativ simpel: schon ein Becher voll Wasser kann ausreichen, um vorhandene Spezies zu identifizieren. Im Labor angekommen werden die Proben für die Untersuchung aufbereitet. Hierbei wird das zu untersuchende Genmaterial mittels Chemikalien und Temperaturzyklen zunächst isoliert und dann repliziert. Durch DNA-Barcoding wird dann der genetische Fingerabdruck untersucht und mit bestehenden Datenbanken abgeglichen. So wird eine Liste mit bekannten Arten generiert, die am untersuchten Ort vorhanden waren; und auch bisher unbekannte Spezies können entdeckt werden.
Momentan ist der wichtigste Einsatzbereich von eDNA die Untersuchung von Artenvielfalt in aquatischen Ökosystemen. Das Sammeln von Proben ist hier relativ simpel: schon ein Becher voll Wasser kann ausreichen, um vorhandene Spezies zu identifizieren. Im Labor angekommen werden die Proben für die Untersuchung aufbereitet. Hierbei wird das zu untersuchende Genmaterial mittels Chemikalien und Temperaturzyklen zunächst isoliert und dann repliziert. Durch DNA-Barcoding wird dann der genetische Fingerabdruck untersucht und mit bestehenden Datenbanken abgeglichen. So wird eine Liste mit bekannten Arten generiert, die am untersuchten Ort vorhanden waren; und auch bisher unbekannte Spezies können entdeckt werden.
Untersuchungen von Wasser bringen den Vorteil der relativ schnellen Zersetzung von DNA. So ist ein genauerer Rückschluss auf die Lebewesen möglich, die auch wirklich um den Zeitpunkt der Messung vor Ort waren. Aber auch historische Untersuchungen sind möglich; so können uns DNA-Spuren aus Böden und Sedimenten sogar Aufschluss über Ökosysteme geben, die zu früheren Zeiten an einem Ort vorhanden waren.
Je nach Einsatzgebiet machen die klassischen Methoden der Artenbestimmung nach wie vor Sinn. Doch die neuen Möglichkeiten, genaueren Messungen und enormen Kostensenkungen, die eDNA ermöglicht hat, haben das Feld von Biomonitoring revolutioniert. Die Wissenschaft ist nun in der Lage, größere Mengen an Daten in geringerer Zeit zu erheben. Richtig genutzt kann das ein essenzielles Mittel sein, die Ökosysteme und Artenvielfalt unseres Planeten besser zu verstehen und effektivere Maßnahmen für ihren Schutz zu entwickeln.
Wie können diese Maßnahmen aussehen? Wenn Du mehr dazu erfahren möchtest, wie wie wichtig die Artenvielfalt für unsere Ökosysteme ist, findest Du hier einen Artikel, wieso wir Biodiversität bewahren sollte. Oder schaue in unserem Blog vorbei!