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MEERESFORSCHUNG: Die DNA schwimmt im Wasser

Eine neue Methode erlaubt es, Lebewesen in Meeren und Flüssen zu eruieren, ohne sie fangen zu müssen. Das Vorgehen eröffnet auch dem Naturschutz neue Möglichkeiten – und ist erst noch kostengünstig.
Andreas Lorenz-Meyer
DNA-Analysen von Wasserproben verraten, welche Tiere sich in der Tiefe der Meere tummeln. (Bild: Christy Gavitt/Getty)

DNA-Analysen von Wasserproben verraten, welche Tiere sich in der Tiefe der Meere tummeln. (Bild: Christy Gavitt/Getty)

Andreas Lorenz-Meyer

Das Monitoring von Meereslebewesen ist eine umständliche und teure Angelegenheit. Denn was da unten lebt, entzieht sich dem Blick; ab 200 Metern Tiefe ist alles stockdunkel. Um die im Wasser lebenden Arten aufzuspüren, braucht man Schleppnetze, die den Meeresgrund abgrasen. Mit dem Fang lassen sich dann Vorkommen und Häufigkeit ungefähr bestimmen. Es geht aber auch einfacher und billiger. Statt Fische zu fangen und dann zu zählen, entnimmt man dem Ozean eine Wasserprobe und extrahiert im Labor die darin vorhandene Erbsubstanz DNS. Das Wasser ist voll von DNS-Fragmenten, die zum Beispiel von den Schuppen oder vom Kot der Meeresbewohner stammen. Umwelt-DNS oder eDNA (environmental DNA) heissen diese genetischen Rückstände.

Philip Francis Thomsen und seine Kollegen von der Universität Kopenhagen waren genau diesen Rückständen auf der Spur, als sie letztes Jahr an Bord des Forschungsschiffs Paamiut mitfuhren. Die Paamiut wirft zwecks Fisch-Monitoring ihre Schleppnetze in der Davisstrasse südwestlich von Grönland aus. Thomsen nahm dort Wasserproben an 21 Stellen in Tiefen zwischen 188 und 918 Metern und bestimmte damit die Fischarten. Die Ergebnisse des Fangs und der DNA-Fragmente stimmten weitgehend überein.

Analoges Projekt für Fliessgewässer

Umwelt-DNS ist eine recht neue Technik. Zuerst war es damit nur möglich, einzelne Arten zu bestimmen. Dazu isoliert man kleine DNS-Abschnitte, die nur bei der gesuchten Art vorkommen. Mittlerweile sind Forscher wie Thomsen schon weiter. Beim Metabarcoding nehmen sie eine Gensequenz, die bei allen Lebewesen vorhanden ist. Wobei es kleine Abweichungen gibt, so dass die Arten einzeln unterscheidbar sind. Metabarcoding steht noch am Anfang der Entwicklung, hat aber grosses Potenzial, findet Florian Altermatt von der Abteilung Aquatische Ökologie des Wasserforschungsinstituts Eawag: «Damit lassen sich potenziell alle Lebewesen nachweisen, die in einem Ökosystem vorkommen, von Bakterien bis zu Wirbeltieren.»

Altermatts Metabarcoding-Versuch fand nicht draussen auf dem Meer statt, sondern in der Glatt, einem Fluss im Kanton Zürich. Altermatt und Kollegen sammelten dort an acht Stellen jeweils einen Liter Wasser in Kanistern und extrahierten anschliessend die DNA. Gesucht wurden nicht nur Fische, sondern alle im Fluss vorkommenden Organismen. Vor allem die DNS von kleinen Lebewesen, Insekten und Krebstiere, fanden die Forscher. Aber auch ein Biber hatte eine Spur hinterlassen. Insgesamt konnten die Signale von 296 Arten nachgewiesen werden. Nicht nur die von Lebewesen im Fluss, sondern auch die von am Ufer lebenden Tieren.

«Ein Fliessgewässer transportiert DNS-Fragmente 5 bis 10 Kilometer weit», erklärt Altermatt. Eine Probe, an irgendeinem Punkt des Flusses gesammelt, enthält also Informationen über mehrere Quadratkilometer Einzugsgebiet. Das eröffnet ganz neue Möglichkeiten für den Naturschutz. Die Messungen der chemischen Wasserqualität könnten auch zur Überwachung der Artenvielfalt eingesetzt werden. Monitoring liesse sich dann viel häufiger durchführen, die Bedrohung einer Art würde früher erkannt.

Nützlich im Kampf gegen invasive Arten

Beschränkungen hat die Technik jedoch auch. Die Wasserprobe gibt keine verlässliche Auskunft über die Häufigkeit einer Art. Zudem sagt die Umwelt-DNS nichts über die Alterszusammensetzung aus. Die Vorteile überwiegen jedoch für Altermatt. Die DNS-Methode ist nicht-invasiv. Im Gegensatz zur Schleppnetzmethode lässt sich die Artenvielfalt bestimmen, ohne einen einzigen Fisch zu fangen. Zudem kann man mit einer Wasserprobe alle Arten nachweisen, ob Kieselalge, Fisch oder Wasserschnecke. Die herkömmlichen Methoden sind dagegen vergleichsweise umständlich. Um in einem Fluss die Kieselalgen zu sammeln, muss man zum Beispiel den Biofilm von Flusssteinen abkratzen. Und auch die Zählung von Kleintieren im Labor ist sehr mühsam. Die Umwelt-DNS spart also Zeit. Und sie spart Kosten, «denn alle Analyse-Schritte können automatisiert werden», so Altermatt. Das heisst, viele Wasserproben lassen sich gleichzeitig untersuchen. Eine Probe zu analysieren kostet so viel wie 100 zu analysieren. Je mehr Proben, desto mehr Kosteneinsparung.

Die Umwelt-DNS zeigt nicht alle, sondern 60 bis 80 Prozent der Lebewesen im Ökosystem an. Herkömmliche Methoden erreichen ähnliche Werte, so Altermatt. Allerdings sei klassisches Monitoring nicht mehr verbesserbar, während die DNS-Methode weiterentwickelt werden könne. Will man eine einzelne Art bestimmen, weiss man also genau, wonach man sucht, dann führe sie jetzt schon zu genaueren Ergebnissen.

Das könnte bei unerwünschten Eindringlingen nützlich sein, wie etwa den aus Asien eingeschleppten Karpfen, die das Ökosystem der Grossen Seen in Nordamerika gefährdeten. Durch Umwelt-DNS wies man sie trotz der Grösse der Gewässer sehr früh nach, noch bevor die ersten Exemplare gesichtet wurden. Altermatt sieht die Methode daher auch als effektives Früherkennungssystem bei invasiven Arten. Werden diese entdeckt, solange die Population noch klein ist, dann kann man schneller etwas gegen sie unternehmen.

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