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Artikel in "Natur" 05/2020

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natur > DNA-Barcoding

Die Erbgut- Fischer

Der Schlüssel für das Verständnis von Ökosystemen ist das Wissen um die

Arten, die darin leben. Je vollständiger das Bild, desto besser.

Die Erbgut-Analyse ist dabei längst ein wichtiges Werkzeug

TEXT: PETER LAUFMANN / ILLUSTRATIONEN: KATHARINA HUTH

Ein Rüsselkäfer: Jede

Art hat unverwechselbare

Merkmale

wie Farbe oder Länge

des Rüssels. Doch oft

sind die Merkmale

klein und die Arten

schwer voneinander

zu unterscheiden

D

reck. Das ist der erste Gedanke beim Öffnen

des Glases. Der Inhalt sieht aus wie der Kehricht

einer Gosse: braun, grau, mehlig mit größeren

Plättchen. Unspektakulär. Überraschend sind allein

die vielen Metallkügelchen im Glas. Und das dieses

Glas nicht allein ist. Dutzende stehen in Plastik -

boxen, mit Klebeband versiegelt und mit einem Mix

aus Buchstaben und Zahlen beschriftet.

In diesem und in den vielen weiteren Gläsern

steckt eben kein schlichter Dreck. Es sind Informationen.

Und auch, wenn sie unscheinbar, unspektakulär

und banal daherkommen, verraten sie etwas

über das Leben. Über Jahreszeiten, Gemeinschaften,

Erfolg und Scheitern in Ökosystemen. Man muss die

Information nur zu lesen und zu deuten wissen. Und

genau das machen sie hier in München, bei Advanced

Identification Methods, kurz AIM.

In den Gläsern sind Hunderte, Tausende Insekten

aller Arten, Größen und Formen. Sie sind klein ge-

mahlen und so gut vermischt wie Zucker mit Zimt,

bevor er einen Kaiserschmarrn toppt. „Wir haben in

diesem einen Projekt 1500 Proben aus ganz Bayern“,

sagt Jérôme Morinière, während er das Glas wieder

zuschraubt und zu den anderen in die Kiste stellt. Sie

sind das Ergebnis von Fallen, in denen sich die Tiere

sammeln. „Wir schauen dann, was drin ist.“

Was drin ist. Das heißt in diesem Fall, AIM schaut

sich die Artenzusammensetzung an einem Standort

zu einem Zeitpunkt an. Klassischerweise gehört dazu

eine profunde Artenkenntnis und viel Geduld, um

die einzelnen Proben zu bestimmen. Da geht es mitunter

um winzige Details im Körperbau, um kleinste

Häkchen, Haare, Merkmale, für die man nicht nur

Wissen, ein geschultes Auge, sondern auch wenigstens

eine Lupe braucht. „Ich selbst traue mir persönlich

zu, viele Arten zu erkennen. Bei manchen kann

ich immerhin noch bis zur Familie hinunter bestimmen,

aber dann gibt es Arten – da muss ich passen.“

Kein Wunder, leben doch in Deutschland rund

50 000 Tierarten, darunter 7000 Käfer, 900 Wanzen

und 5000 Fliegen. Und das sind nur die bekanntesten

Gruppen. „Wir nennen sie die Big Five der Insektenwelt:

die Schmetterlinge, Käfer, Wanzen, Wespen

und die Fliegen. Da sind einzelne Familien drunter,

von denen man glaubt, dass sie weitaus verzweigter

sind, als man bisher weiß.“ Ein paar Jahrhunderte

der Systematik haben eben noch längst keine kom-

44 natur


Mit Keschern oder

zeltartigen Malaise-

Fallen sammeln

Helfer die Insekten.

Proben können aber

auch aus Fledermauskot

oder Rindenmulch

stammen

plette Liste der Arten hervorgebracht. Wie denn auch

– die Evolution hatte ein paar Hundert Millionen

Jahre Zeit, neue Arten zu schöpfen.

„Grundlage unserer Methode sind die beschrieben

Arten“, sagt Morinière. Also die Arten, die wissenschaftlich

erfasst und benannt sind. „Das sind rund

44 000. Wir haben davon in unserer Referenzdatenbank

mittlerweile 26 000 beschriebene Arten.“ Federführend

beim Aufbau dieser Datenbank war die Zoologische

Staatssammlung München.

In der Liste der beschriebenen Arten fehlen noch

die sogenannten Dark Taxa. Darunter fallen besonders

kleine, unscheinbare Arten, für die es kaum Experten

gibt, kleine Gallmücken etwa. Sie hat noch

niemand vollständig auseinanderklamüsert. Sie leben

sozusagen im Schatten der Biologie.

Aber die gut gefüllte Datenbank allein reicht natürlich

nicht. Sie muss mit dem Inhalt solcher Probengläschen

verknüpft sein. Das geschieht über das Erbgut.

In der Datenbank ist das Erbgut jeder einzelnen

Art hinterlegt. „Natürlich nicht das Ganze“, sagt

Morinière. „Wir schauen uns nur einen bestimmten

Teil an, der bei allen Arten zu finden und damit vergleichbar

ist.“ Man kann sich das vorstellen wie ein

gewaltiges Buch, das jede Art mit sich herumträgt.

Innerhalb des Buches gibt es aber ein Wort, das bei

allen gleich und doch ganz individuell ist. Wo dieses

Wort in dieser Schreibweise zu finden ist, kann

>

Das Erbgut, die DNA,

kodiert unverwechselbar

die Art eines

Individuums. Das

macht sich das DNA-

Barcoding zunutze

Ein Balkencode für jedes Leben

„Auch bereits hier, in unserem Hinterhof in München

gibt es Arten, die bislang unbekannt sind“, sagt

Morinière. Die zu finden, ist eine Mammutaufgabe,

vor allem global gesehen. „Viele neu entdeckte Arten

tragen nicht einmal mehr einen Namen, sondern

nur mehr einen Code, den DNA Barcode. Es ist wie

mit der Unendlichkeit der Sterne. Die größten Himmelskörper

oder die aus unserer Nachbarschaft haben

noch Namen bekommen, viele der neu entdeckten

kriegen nur einen Code für eine Datenbank.“

natur 45


von einer Handvoll Firmen in Deutschland, die diesen

Service anbieten. Daneben untersuchen Universitäten

und Forschungseinrichtungen das Erbgut des

Lebendigen. Es ist ein wachsender Bedarf zu spüren.

Dabei geht es nicht nur um Lebensgemeinschaften

in einer Wiese. „Wir haben ganz verschiedene Kunden“,

sagt Morinière. Ihre Expertise ist überall dort

gefragt, wo man wissen will, wer sich da herumtreibt

oder herum getrieben hat. „Wir können zum Beispiel

nachweisen, ob in einem Lebensmittel tatsächlich

das entsprechende Tier drin ist. Oder ob da ein Tier

drin ist, was man definitiv da nicht drin haben will.“

In den Probengläsern

geht es drunter und

drüber. Aber Ordnung

ist hier auch nicht

notwendig; die

Trennung der einzelnen

Arten erfolgt im

Labor. Ganz bequem,

per Genanalyse

»Wir weisen nach, ob im

Lebensmittel ein Tier drin ist,

was da nicht drin sein sollte«

Jérôme Morinière, Gründer von AIM

man sicher sein, dass es aus dem Buch einer einzigen,

unverwechselbaren Art stammt.

Das Augenmerk der Forscher liegt deshalb auf diesem

konkreten Abschnitt im Erbgut. Dieses besteht

aus einzelnen Genen, die aus einzelnen Basen aufgebaut

sind. Vereinfacht gesagt, sind das Buchstabenkombinationen.

Um Tiere eindeutig zu bestimmen,

sucht man das Gen, das „Wort“, für Cytochrom Oxidas

CO1. In diesem Gen sind die Basenpaare A, C, T

und G unterschiedlich angeordnet, je nach Art. „Der

Schnipsel ist dabei 658 Basenpaare lang“, sagt Morinière.

Zum Vergleich: Der Mensch hat 3,2 Milliarden

Basenpaare. Selbst das sagt nicht allzu viel aus, denn

dieses „Buch“ ist ineinander verschachtelt und die

Information darin vervielfacht.

Manchmal sind es auch Versicherungen, die klären

wollen, was einen Schaden verursacht hat. Zum Beispiel,

ob es tatsächlich der Hausschwamm ist, der im

Gebälk eines Hauses sitzt, oder ob tatsächlich Vogelschlag

zum Schaden am Flugzeug geführt hat. „Spannend

ist auch die gelegentliche Zusammenarbeit mit

der Polizei, wenn es im Rahmen der Forensischen Entomologie

um eine Artbestimmung geht.“ Dann führen

die Spuren von Insekten schon mal zum Täter

(siehe Kasten S. 48).

Die meisten Untersuchungen sind aber eher unspektakulär.

Zumindest auf den ersten Blick. Hier

im Labor herrscht zwar nicht der Glamour von CSI,

aber die Begeisterung über ganz neue Möglichkeiten.

„Biodiversitätsmonitoring durch DNA-Metabarco-

Wissen als Dienstleistung

Die Datenbank der DNA-Barcodes ist übrigens kein

exklusives Eigentum. Auf der ganzen Welt arbeiten

Forscher daran, die Datenbanken mit immer mehr

Barcodes zu füllen. Es ist eine echte Gemeinschaftsaufgabe.

„Diese Informationen stehen dann allen zur

Verfügung“, sagt Morinière, der AIM gemeinsam mit

Kollegen gegründet hat und jahrelang als Koordinator

an der Zoologischen Staatssammlung München

tätig war.

Das Unternehmen AIM hat sich auf diese Art von

Analyse als Dienstleistung spezialisiert. Die Biologen

und Bioinformatiker finden die Worte und damit das

Buch; sie betreiben „DNA-Barcoding“. AIM ist eine

46 natur


DNA Barcoding < natur

ding ist der Traum eines Zoologen“, sagt Morinière.

Das ist eine Methode, bei der aus Tausenden von

Mischproben vollständige und verlässliche Artenlisten

erstellt werden. Und zwar konzentriert sich dabei

ein Experte nicht auf wenige, leicht erkennbare Arten,

sondern das ganze Spektrum ist im Fokus. Das

hat zwei Vorteile: Man ist nicht auf einen Experten

angewiesen. Und es spart Zeit und damit Geld.

Von der Wiese in die Datenbank

Für so ein Projekt zur Ökosystemanalyse stellen die

Helfer auf den zu untersuchenden Flächen Fallen

auf. Das sind zum Beispiel Malaise-Fallen, benannt

nach dem schwedischen Entomologen René Malaise.

Bei dieser Art Zeltfalle macht sich der Fänger zunutze,

dass Insekten dem Hellen entgegenstreben.

Fliegt nun ein Insekt knapp

über dem Boden auf die dunklere

Zeltwand zu, versucht es,

nach oben auszuweichen.

Da wartet aber nur ein Sammelgefäß und nicht der

Ausweg. Im Repertoire sind auch Klebefallen oder sogar

die Jagd mit einem Netz beziehungsweise Kescher.

Grenzen sind der Probensammlung dabei nicht gesetzt.

Auch im Kot von Tieren finden sich Reste von

Insekten, die man analysieren kann.

Die Fallen müssen die Helfer regelmäßig ausleeren

und die Proben entsprechend codieren. Dafür

braucht es keinen Spezialisten, sondern lediglich

Sorgfalt.

Sobald die Proben bei AIM angekommen sind,

muss sie jemand aufbereiten. Jetzt kommt die Stunde

der kleinen Metallkügelchen vom Anfang. Denn

sie dienen dazu, die gesammelten Insekten zu Mehl

zu mahlen, indem sie heftig im Glas bewegt werden.

Aus dem Mehl ziehen sich die Forscher

das Erbgut, sie bereiten

es chemisch auf, analysieren

es und wissen am

Ende, was sich in der

>

Nach der Analyse

des gesammelten

Erbguts einer Probe,

hat man verschie -

dene Bruchstücke der

DNA. Diese lassen

sich mit den hinterlegten

Abschnitten in

der Datenbank vergleichen.

Das Ergebnis

sind Namen der

Arten, die in der

Probe waren

natur 47


natur > DNA Barcoding

Die Insekten des Sherlock Holmes

Insekten verraten eine Menge über ihre Umgebung. Wer einen bestimmten

Käfer, eine Fliege oder einen Schmetterling findet, kann Rückschlüsse auf den

Lebensraum ziehen. Welche Pflanzen da wuchsen, welche Temperatur

herrschte, welche Feuchtigkeit. Insekten sind quasi Seismographen des

Lebendigen. Und manchmal sind sie auch Hinweisgeber und erzählen von

den Toten. Das Fachgebiet dazu heißt Forensische Entomologie. Dabei bedienen

sich Kriminalisten der Insektenkunde, um die Umstände des Todes eines

Menschen im Nachhinein klären zu können. Das funktioniert auch bei noch

lebenden Zeitgenossen, bei Nahrung und sogar Häusern. Immer verraten Insekten

etwas. Die Grundlage dafür ist das Wissen um die Entwicklung einzelner

Arten. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf den Zersetzern, denjenigen,

die Gewebe besiedeln und fressen. Schmeißfliegen, Aaskäfer, Speckkäfer sind

nur einige prominente Zeugen. Aus ihrer Anwesenheit und dem Zustand ihrer

Entwicklung – Larvenstadien, erwachsenes Insekt – lässt sich einiges ablesen.

Vor allem, wenn man die Zeiten zwischen den Entwicklungsstufen bei

verschiedenen Temperaturen und unterschiedlicher Feuchtigkeit kennt. Es

gibt ganz charakteristische Muster, je nach dem, welche Bedingungen vor

Ort herrschen. So besiedeln Schmeißfliegen einen offenen Leichnam sehr

schnell. Sie sind in der Regel die ersten Besucher. Regnet es beim Todeszeitpunkt,

kann es aber sein, dass sich zuerst Fleischfliegen einfinden. Die fliegen

im Gegensatz zu Schmeißfliegen auch im Regen. Selbst die Todesart hat Einfluss

auf die Insekten: Verbrannte Opfer besiedeln sie anders als vergiftete.

Experten haben die Erfahrungen dazu unter anderem auf Body-Farmen gesammelt

– Verwesungsgelände, auf denen sich Kadaver und Leichen unter

kontrollierten Bedingungen verändern. Ganz neu ist diese Idee nicht. Bereits

im Mittelalter in China sollen Fliegen geholfen haben, einen Mörder zu überführen,

indem sie auf seinem Messer landeten. Ihm war es nicht gelungen, die

Tatwaffe so zu reinigen, dass es den Fliegen entgangen wäre ... Heute gehört

die Forensische Entomologie längst in den Werkzeugkasten der Kriminalistik.

Probe befand. Vieles davon übernehmen Maschinen

automatisiert. So ist die schnelle Analyse großer

Mengen möglich. „Wir haben dabei auch immer leere

Proben mitlaufen, um eine Fehlerquelle durch Verunreinigung

auszuschließen“, sagt der Biologe.

Am Ende des Gläschens mit Insektenmehl steht

eine Artenliste, passend

zu den Informationen

der Datenbank. „Mitunter

wollen die Kunden

aber auch nur Informationen

zu einer bestimmten

Gruppe oder zu einem

bestimmten Zeitraum. Zum Beispiel wollen sie

nur etwas zu Bläulingen wissen. Das bereiten wir

dann dementsprechend vor. Wir können das sehr

schnell visualisieren.“ In dieses Feld fallen dann auch

Untersuchungen, ob bestimmte Arten von einer Baumaßnahme

betroffen sind. „Das können Parkplätze

»Eine einfache Analyse

bieten wir für 100 Euro an«

Jérôme Morinière

sein, neue Gewerbegebiete ... Und das hat schon

deutlich zugenommen“, sagt Morinière. Er schätzt,

dass sich die Anfragen jedes Jahr verdoppeln. Manchmal

sind die Anfragen aber auch geradezu unspektakulär.

„Wir kriegen auch schon mal den Inhalt eines

Staubsaugerbeutels. Wenn jemand wissen will, was

da unter seinem Bett haust. So eine einfache Analyse

ist bereits ab rund 100 Euro zu haben.“

Von Chancen und Grenzen

Das DNA-Metabarcoding ist eine gute Methode, vergleichsweise

schnell eine gute Übersicht über Arten

eines Lebensraums zu bekommen. Der Vorteil ist dabei

auch, dass sich damit sehr gut Gebiete vergleichen

lassen. Auch über Jahreszeiten

hinweg. „Und damit können wir auch

nachweisen, was sich verändert, wenn

man die Bedingungen eines Lebensraums

verändert. Das ist auch für uns

immer wieder ein Erfolgserlebnis.“

Zum Beispiel beim Vergleich einer

klassischen landwirtschaftlichen Fläche

mit einer biologisch bewirtschafteten

Fläche.

AIM arbeitet in ganz verschiedenen

Projekten mit. Dazu gehört etwa die

Begleitung eines Projektes, bei dem

untersucht wird, wie sich Düngung

auf die „Wüsten“ der

Ozeane auswirkt.

Uns sehr viel näher ist

die Entwicklung neuer

Me thoden zum Kampf

gegen den Borkenkäfer.

Hier untersucht das

Münchner Unternehmen, ob es nicht zielführender

ist, die Rinde gefällter Bäume nicht ganz zu entfernen,

sondern nur teilweise. Die Forscher fanden heraus,

dass auf diese Weise der Borkenkäfer dezimiert wurde.

Gleichzeitig blieben durch das teilweise Entfernen viel

mehr Antagonisten der Borkenkäfer am Leben.

48 natur


Das Ergebnis eines Biodiversitätsmonitorings

kann so aussehen; hier ist es die Verteilung

von Arten in zwei Gebieten: Leipzig (lila) und

München (blau). Beispielsweise fand sich die

Art Tersilochinae spec. in Leipzig und München,

deswegen sind blaue und lila Punkte miteinander

verbunden. Camptogramma bilineata hingegen

tauchte nur in Leipzig auf, Anopilus nigerrimus

wiederum nur in München

„Es ist zum Beispiel machbar, dass man sich gezielt

Wirkungen von neuen Pflanzenschutzmitteln

anschaut. Untersucht man nur die großen,

leichtaufzuspürenden Arten, ist vielleicht gar

keine Nebenwirkung zu finden. Erst, wenn man das

ganze Spektrum der Arten betrachtet, fallen möglicherweise

gravierende Nebenwirkungen auf.“

Doch so genial einfach und erfolgreich sich das

DNA-Barcoding auch anhört – selbst diese Methode

hat ihre Schwächen. Oder besser: ihre Grenzen. „In

erster Linie liefern wir eine qualitative Analyse“, sagt

Morinière. Das heißt, am Ende weiß man, diese oder

jene Art ist in der Probe enthalten, unabhängig davon,

ob man zehn Exemplare von Art A und nur ein

Exemplar von Art B gefunden hat. „Zum Beispiel

wenn man in einer Probe 5000 Mäuse und einen Elefanten

hätte. Am Ende weiß man, es gibt in der Probe

Elefanten und Mäuse. Auf Insekten übertragen wären

das eine große Wanderheuschrecke und eine

Gallwespe. Es ist semiquantitativ.“ Auch die Differenzierung

bei sehr jungen Arten ist schwierig. „Die

Unterscheidung Hausschwein zu Wildschwein etwa.

Oder die Unterschiede bei Hunderassen“, sagt Morinière.

„Ich kann nicht klären, ob es der Hund von

Nebenan war, der in meinen Garten gemacht hat

oder ein anderer.“

Viel hängt ebenfalls davon ab, wie die Probe gesammelt

wurde. Wenn Proben älter sind, ist die DNA

verändert. Das gilt auch für Lösungsmittel, Sonnenlicht,

Wärme ... Man kann das Gen-Wort der Art nur

finden, wenn es intakt ist.

Dennoch wird die Analyse signifikanten Erbguts in

Zukunft einen immer größeren Raum einnehmen.

„Ich bin überzeugt, dass DNA-Metabarcoding zur

Standardmethode wird, um etwa naturschutzpolitische

Entscheidungen zu treffen“, sagt Morinière.

„Gerade in der aktuellen Zeit, wo dieses Thema so

wichtig und präsent ist wie niemals zuvor.“

Foto: Grafik: Advanced Identification Methods – AIM GmbH

natur 49

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