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Umwelt-DNA

Heimlichen Riffbewohnern auf der Spur

Forscher zeigen das Potenzial des sogenannten Umwelt-DNA-Metabarcodings für die Untersuchung der Biodiversität in tropischen Riffen auf. © Mihtiander/iStock

Biodiversitätsforschung mit „forensischen“ Methoden: Welche Fische in tropischen Riffen vorkommen, spiegelt sich in ihren genetischen Spuren im Wasser wider, verdeutlicht eine Studie. Durch das Verfahren des sogenannten Metabarcodings von Umwelt-DNA lassen sich demnach auch Arten nachweisen, die sich den Blicken von Tauchern entziehen. Sichtbeobachtungen bleiben allerdings weiterhin wichtig, denn noch decken die genetischen Referenzdatenbanken die große Artenvielfalt der Fische nicht ab, sagen die Forscher.

Sie bevölkern die faszinierenden Unterwassergärten der Erde: In den Korallenriffen der verschiedenen tropischen Meeresregionen leben tausende von Fischarten. Doch wie viele Spezies es tatsächlich sind und wo sie genau vorkommen, ist nach wie vor unklar. Zudem erscheinen vor dem Hintergrund trauriger Trends bessere Einblicke in die Biodiversität wichtig: Im Zuge der Klimaerwärmung und durch andere menschengemachte Bedrohungen verschwinden die ökologischen Riff-Lebensräume in einem erschreckenden Tempo. Um diese Entwicklung genau zu erfassen, sind Informationen über ursprüngliche Artenzusammensetzungen in den verschiedenen tropischen Riffen der Welt wichtig. Lange basierten die Einblicke dabei nur auf Sichtbeobachtungen durch Taucher oder auf Fängen. Doch nun hält eine neue Methode in die Biodiversitätsforschung Einzug: der Nachweis von Arten durch Umwelt-DNA.

Verräterische Erbgut-Spuren

Das Verfahren beruht darauf, dass Lebewesen durch Ausscheidungen oder Partikel wie Hautschuppen Erbgut-Spuren in ihrem Lebensraum hinterlassen. Durch die immer feineren Nachweismethoden der modernen Genetik lassen sie sich in Proben erfassen. Sofern es genetische Referenzdaten gibt, lassen sich die ermittelten Sequenzabschnitte dann bekannten Arten zuordnen. In einigen Fällen wird dies eingesetzt, um eine bestimmte Spezies in einem Lebensraum nachzuweisen. Um hingegen die Biodiversität zu untersuchen, hat das internationale Forscherteam nun das Verfahren des Umwelt-DNA-Metabarcodings eingesetzt, bei dem viele Arten eines Lebensraums gleichzeitig erfasst werden können. Die Wissenschaftler sammelten dazu an 26 Standorten in fünf tropischen Meeresregionen der Welt Wasserproben und analysierten die daraus isolierte DNA. Anschließend glichen sie die Ergebnisse mit den genetischen Referenzdaten zu Rifffischen ab, um Arten und Familien zu identifizieren.

Wie das Team berichtet, bestätigte sich das Potenzial des Verfahrens für die Untersuchung der Biodiversität in den tropischen Riffen: Die Forscher fanden im Durchschnitt eine um 16 Prozent höhere Vielfalt an Fischen als durch konventionelle Erhebungsmethoden wie Sichtbeobachtungen bei Tauchgängen. „Dank der Umwelt-DNA-Methode können wir viele Fischarten und -familien dabei auch viel schneller nachweisen als mittels Beobachtungen“, betont Co-Autor Loïc Pellissier von der ETH Zürich. Denn die DNA-Analysen waren nach nur zwei Jahren abgeschlossen – die Sichtbeobachtungen, die die zum Vergleich dienten, stammen jedoch aus 13 Jahren der Bestandserhebung mit hohem Personalaufwand.

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Im Detail zeigte sich, dass häufig Fische zu den verborgenen Arten gehören, die sich typischerweise in den zahlreichen Höhlen und Spalten der Unterwasserlandschaften aufhalten. Dadurch bekommen Taucher sie seltener zu Gesicht – zudem ähneln sich einige dieser Arten äußerlich stark. Außerdem entgehen offenbar auch viele im Freiwasser schwimmende Fische den Blicken, geht aus der Studie hervor. Wie die Wissenschaftler erklären, meiden viele dieser sogenannten pelargischen Arten den Menschen oder leben nicht permanent in Korallenriffen, wie einige Vertreter der Makrelen und Thunfische sowie spezielle Haiarten. Der Nachweis dieser Fische ist allerdings ebenfalls sehr wichtig, da sie eine große Rolle für die komplexen Wechselbeziehungen in den Ökosystemen der Riffe spielen können, betonen die Forscher.

Größte Biodiversität im Korallen-Dreieck

In ihrer aktuellen Studie bestätigten sie auch, dass sich die Artenzusammensetzungen zwischen den verschiedenen tropischen Riffregionen der Welt deutlich unterscheiden. Besonders hoch ist die Fischvielfalt demnach im sogenannten Korallen-Dreieck zwischen Borneo, Papua-Neuguinea und den Philippinen. Hier leben bis zu fünfmal mehr Fischarten und -familien als in der Karibik. Wie die Forscher erklären, hat dies damit zu tun, dass die Lebensräume in diesem Gebiet sehr vielfältig strukturiert sind. Außerdem war das Klima in der Erdgeschichte dort im Vergleich zu anderen Regionen sehr stabil, wodurch sich eine besonders hohe Vielfalt entwickeln und etablieren konnte.

Die Forscher kommen zu dem Fazit, dass Umwelt-DNA-Metabarcoding die Biodiversitätsforschung in Riffen enorm bereichern kann. Sie betonen allerdings, dass sie Sichtbeobachtungen noch nicht ganz ersetzen können. Denn die Referenzdatenbanken decken einige Fischfamilien nur sehr lückenhaft ab. Deshalb konnte ein erheblicher Teil der in den Wasserproben gefundenen Umwelt-DNA bisher nicht zugeordnet werden. Das Team arbeitet deshalb daran, die DNA von weiteren Fischarten zu sequenzieren und die Daten in die Referenzdatenbanken einzuspeisen. Tauchen für die Forschung wird zudem aus anderen Gründen wohl immer wichtig bleiben. Denn nur so lassen sich biometrische Informationen wie die Größen von Fischen und ihre Häufigkeit in den Unterwassergärten der Welt erfassen, so die Forscher.

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Fachartikel: Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, doi: 10.1098/rspb.2022.0162

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