Die Erforschung der Artenvielfalt mittels eDNA ist möglich, weil jedes Lebewesen DNA-Spuren an die Umgebung abgibt. Diese DNA bleibt für einige Zeit in Wasser, Boden oder sogar in der Luft stabil.
Bei allem, was sie tun, hinterlassen Tiere und andere Lebewesen DNA in ihrer Umgebung. Dank moderner Forschungsmethoden können die genetischen Spuren heute im Wasser, Boden und sogar in der Luft nachgewiesen werden. Diese Umwelt-DNA, kurz eDNA, liefert teils erstaunliche Erkenntnisse. Schnell, kosteneffizient und ohne die Tiere zu stören erweitert die Methode die Möglichkeiten der biologischen Forschung.
Gebirgsfluss enthüllt Geheimnisse aus Bhutans Gipfeln
Die Erforschung bedrohter Arten in ihren abgelegenen Lebensräumen ist extrem aufwändig und manchmal nahezu unmöglich. So zum Beispiel in den hohen, zerklüfteten Gebirgen des Himalaja, in denen der Sauerstoff knapp und das Gelände für den Menschen häufig kaum zugänglich ist.
Doch heute kann schon eine Wasserprobe aus einem Gebirgsfluss genügen, entnommen unterhalb der eisigen Gipfel in etwas tiefergelegenen Tälern. Denn die Gebirgsbäche tragen unsichtbare Spuren mit sich: Umwelt-DNA, englisch environmental DNA oder kurz eDNA.
Mithilfe flussbasierter eDNA-Analysen konnten im östlichen Himalaja Bhutans Arten nachgewiesen werden, die sich sonst kaum jemals beobachten lassen.
Etwa die scheue Pallaskatze oder das Tibet-Felsgleithörnchen, eines der seltensten Säugetiere der Welt! Zudem zeigte sich, dass Sambarhirsche hier deutlich höhere Lagen besiedeln als bislang bekannt. Einige Arten wurden erstmals überhaupt in der Region erfasst.
eDNA: Spuren aus der Umwelt sichern
Für den Artenschutz ist das ein entscheidender Vorteil. Forscher:innen müssen das Tier nicht mehr fangen oder direkt beobachten.
Sie können Proben aus der Umwelt entnehmen, DNA daraus filtern und im Labor analysieren. Die in den Proben aus der Umwelt enthaltene DNA wird sequenziert und mit riesigen Datenbanken abgeglichen.
Mittlerweile sind die Methoden so verfeinert, dass ganze Artengruppen, wie beispielsweise die Fischfauna eines Sees, anhand der DNA-Sequenzen taxonomisch zugeordnet werden können.
Metabarcoding: Strichcode der Artenvielfalt
Mithilfe der Luft-, Wasser- oder Bodenprobe kann man eine Artenliste der Tiere erstellen, die in einem bestimmten Gebiet vorbeigekommen sind, das so genannte Metabarcoding.
Die DNA-Abschnitte der Tiere kann man sich wie die schwarzen Strichcodes auf Produkten im Supermarkt vorstellen. Jede Tierart besitzt eine einzigartige Abfolge von Bausteinen.
Bei der Analyse vergleicht der Computer den gefundenen Code aus der Probe mit einer riesigen digitalen Bibliothek, der Referenzdatenbank. Diese Datenbanken sind das Ergebnis weltweiter Zusammenarbeit: Forschungsinstitute haben über Jahre hinweg die genetischen Fingerabdrücke tausender Arten katalogisiert.
Sucht man gezielt nach einer bestimmten Art, wie zum Beispiel Schneeleoparden in den Gebirgen des Himalaja, nennt sich das Barcoding.
Weil eDNA unter freiem Himmel relativ schnell abgebaut wird, zeigt ihr Nachweis, dass das Tier erst vor Kurzem vor Ort war.
Umwelt-DNA sogar aus der Luft!
Die Technologie der Luftprobennahme gewann nach einem spektakulären Experiment im Kopenhagener Zoo im Jahr 2022 massiv an Dynamik. Forscher:innen platzierten eine Art DNA-Staubsauger auf den Dächern der Gehege, um einzufangen, was dort unsichtbar in der Atmosphäre schwebte.
Das Ergebnis war verblüffend: In den Filtern fanden sich genetische Spuren von fast jedem Tier des Zoos – von Elefanten und Giraffen bis hin zu den Seelöwen. Sogar die Fische, die den Seelöwen als Futter dienten, konnten in der Luft nachgewiesen werden.
„Man kann sagen, dass die Luftprobennehmer und die eDNA-Methode allgemein die wissenschaftlichen Forschungsmethoden gerade in einem atemberaubenden Tempo revolutionieren“, so Anne Hanschke vom WWF Deutschland.
Neue Ära des Monitorings: eDNA im Naturschutz
Die Probennahme über eDNA bietet entscheidende Vorteile gegenüber klassischen Methoden. Sie ist nicht nur schnell, sondern auch hochgradig kosteneffizient: Große Gebiete können mit vergleichsweise geringem Aufwand untersucht werden.
Dabei ist die Trefferwahrscheinlichkeit oft um ein Vielfaches höher als bei der mühsamen Suche mit dem bloßen Auge oder der Auswertung von Tausenden Fotos aus monatelangen Beobachtungen mit Wildtierkameras.
Ein zentraler Aspekt der neuen Naturschutz-Technologie ist zudem der nicht-invasive Charakter. Die Tiere werden in ihrem natürlichen Verhalten nicht gestört. Ein Einfangen, Betäuben oder direkte Probennahme am Tier ist für den reinen Nachweis nicht mehr nötig.
Dank der enormen Empfindlichkeit lassen sich selbst bei kleinsten Spuren Arten nachweisen, die bei traditionellen Zählungen womöglich übersehen würden.
Detektivarbeit vom Mekong bis ins Mittelmeer
Umwelt-DNA mit anderen Methoden kombinieren
Der Nachteil des genetischen Monitorings: Das sogenannte Metabarcoding liefert bisher kaum Informationen über Populationsdichten. Man weiß zwar sicher, dass ein bestimmtes Tier in der Nähe war, kann jedoch nicht ableiten, wie viele Individuen dort leben. Auch der Tagesrhythmus einer Art bleibt beispielsweise unklar. Die eDNA-Methode wird deshalb durch gezielte Feldforschung ergänzt.
Ein Durchbruch, der dem WWF beim Monitoring von Eisbären gelungen ist, lässt aber auch darauf hoffen, dass wir in Zukunft sogar einzelne Individuen allein über ihre Gen-Spuren unterscheiden können.
Durchbruch in der Arktis: Kern-DNA von Eisbären
Auch Eisbär-DNA lässt sich heute direkt aus den Spuren im Schnee gewinnen. Für die Erforschung dieser schwer fassbaren Einzelgänger, die täglich unzählige Kilometer durch unwirtliches Gebiet wandern, ist das ein entscheidender Vorteil.
„Nun müssen wir sie nicht mehr mit dem Hubschrauber sichten oder für Untersuchungen betäuben, um ihre Populationen und Bewegungen zu verstehen“, erklärt Dr. Sybille Klenzendorf vom WWF Deutschland, die maßgeblich an dieser Forschung beteiligt war.
Das Besondere an der Methode, die der WWF gemeinsam mit dem schwedischen Forschungsinstitut MIX entwickelt hat: Die genetischen Spuren in frischen Pfotenabdrücken können so reichhaltig sein, dass man DNA aus dem Zellkern isolieren kann.
Während herkömmliche eDNA oft nur die Art bestimmt, enthält der Zellkern den vollständigen Bauplan des Individuums. „Damit kann man nicht nur feststellen, dass ein Eisbär durch den Schnee gelaufen ist, sondern exakt bestimmen, welcher es war“, so Klenzendorf. „Dieser technologische Sprung macht es möglich, die Größe einer Population bei ausreichenden Proben nur aus den Pfotenabdrücken zu berechnen.“
Stärkung lokaler Gemeinschaften
Von der Arktis bis nach Amazonien arbeitet der WWF weltweit eng mit lokalen und indigenen Gemeinschaften zusammen, um die Umwelt zu schützen und Arten zu bestimmen. Da die Entnahme von Umwelt-DNA-Proben keine langjährige wissenschaftliche Ausbildung erfordert, können die Menschen vor Ort direkt in das genetische Monitoring ihrer Heimat einbezogen werden.
Dies stärkt nicht nur die Akzeptanz von Schutzmaßnahmen, sondern auch die Gemeinschaften selbst: Ihr traditionelles Wissen ermöglicht es, Proben an den strategisch wichtigsten Orten zu nehmen. Sie werden zu aktiven Partnern im Artenschutz und können so auch nachhaltige Einkommen generieren.
An vielen Orten unserer Erde – von schroffen Gebirgen über tiefe Regenwälder bis hin zu langen, grenzüberschreitenden und weit verzweigten Flüssen – wäre die eDNA-Forschung ohne die Menschen vor Ort gar nicht in größerem Umfang möglich.
„eDNA kann das Monitoring von Artenvielfalt sinnvoll unterstützen. Neben großen, häufigen Säugetieren können so auch seltene Arten, Insekten, Pflanzen oder Mikroorganismen nachgewiesen werden.“
Anne Hanschke, WWF Deutschland
Dem Leben auf der Spur
Die Artenforschung per Umwelt-DNA ergänzt konventionelle Methoden weltweit und kann die Datenerfassung von Jahren auf Monate beschleunigen. „Das genbasierte Monitoring eignet sich zum Beispiel auch, wenn das Vorkommen einer Art nicht sicher durch Beobachtung bestätigt ist und man Gebiete für eine Zählung ein- oder ausschließen möchte, um den Aufwand zu begrenzen“, so Markus Radday, Asien-Referent beim WWF Deutschland.
Die Einsatzgebiete der Umwelt-DNA sind so vielfältig wie die Natur selbst.
Ob es darum geht, die Artenvielfalt ganzer Regenwälder in Rekordzeit zu kartieren oder beispielsweise festzustellen, ob Tiere eine Wildtierbrücke tatsächlich nutzen:
Die gewonnenen, objektiven Daten helfen entscheidend, um Schutzmaßnahmen gezielt zu planen und auch politisch durchzusetzen.
Es ist aber gerade der Verbund der verschiedenen Methoden – von eDNA-Analysen über Kamerafallen und Spurenauslesung bis hin zur Geländemodellierung und Besenderung – der die Erfassung von Arten und damit auch ihren Schutz heute immer verlässlicher macht.
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