Genetisches Treibgut Bietet Hinweise Auf Die Artenvielfalt Der Ozeane
Genetisches Treibgut Bietet Hinweise Auf Die Artenvielfalt Der Ozeane

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Anonim

Durch die Analyse der „Umwelt-DNA“untersuchen Wissenschaftler die Meereslebewesen in beispiellosen Details.

Wenn Wissenschaftler wissen wollen, welche Lebensformen in tiefem Wasser leben, müssen sie Tauchboote oder gegossene Netze und an langen Kabeln hängende Greifer senden. Diese Methoden sind jedoch teuer und bieten nur einen Hinweis auf die Artenvielfalt, die weit unter den Wellen verborgen ist. "In der Tiefsee", sagt John Bickham vom Battelle Memorial Institute, "sind wir zurück in den 1700er Jahren. Wir haben keine Ahnung, was da draußen ist."

An Land revolutionierten genetische Methoden die bakterielle Taxonomie und erhöhten die weltweite Zahl der Säugetierarten. Bald kann dieser Ansatz, der auf Abfällen von genetischem Material beruht, das in Meerwasser schwimmt, das als „Umwelt-DNA“oder „eDNA“bezeichnet wird, unser Wissen über die Artenvielfalt in der Tiefsee dramatisch erweitern.

Alle Wasserorganismen scheiden kontinuierlich Zellen aus und hinterlassen DNA-Pakete in Stoffwechselabfällen, abgestorbener Haut, Schuppen oder Haaren und anderen Zelltrümmern. Biologen verwenden diese eDNA, um aquatische Gemeinschaften zu inventarisieren, ohne ein einziges Tier oder eine einzelne Pflanze sammeln zu müssen.

Die Forscher beginnen im Allgemeinen mit der Filterung von Wasser- oder Sedimentproben. Dann verwenden sie chemische Behandlung und Bewegung, um die DNA aus Material zu extrahieren, das auf Filtern eingefangen wurde. Mithilfe von Polymerasekettenreaktionen zum Abschneiden von DNA-Strängen erhalten sie einen im Wesentlichen eindeutigen Strichcode für jede einzelne Spezies. Sie passen diese eDNA an bekannte DNA-Sequenzen von Tausenden von Arten an, die in Datenbanken wie GenBank und Nucleotide gespeichert sind. Jedes Match identifiziert eine Art, die irgendwo in der Nähe des Ortes vorhanden ist, an dem die Wasser- oder Sedimentprobe gesammelt wurde.

Die Methode ist sowohl für allgemeine Erhebungen zur biologischen Vielfalt als auch für die Überwachung der ökologischen Auswirkungen von Abwässern oder verschütteten Chemikalien vielversprechend. Im Süßwasser wurde es verwendet, um die Ausbreitung invasiver Arten und das Vorhandensein von Amphibienarten zu überwachen, die häufig als Indikatoren für die Umweltgesundheit angesehen werden.

Kürzlich haben Forscher des Naturhistorischen Museums Dänemarks an der Universität Kopenhagen gezeigt, wie nützlich eDNA-Methoden in der Meeresumwelt sein können. Sie verglichen Fischinventare, die mit herkömmlichen Methoden erstellt wurden, mit eDNA-Ergebnissen. Drei Jahre lang untersuchten Forscher im Sound of Elsinore, Dänemark, Fische mit Fallen, Waden, Kiemennetzen, Schubnetzen, Angelruten, Grundschleppnetzen und beobachteten tagsüber und nachts visuelle Beobachtungen von Schnorchlern. Im dritten Jahr verarbeiteten sie auch Wasserproben für eDNA. Die eDNA identifizierte 15 Fischarten, einschließlich des europäischen Pilchards, die normalerweise nicht an ihrem Probenahmestandort gefunden wurden. In einem in PLoS ONE veröffentlichten Artikel vom August 2012 berichteten die Autoren, dass „eDNA die Fischvielfalt besser oder gleich einer der angewandten konventionellen Methoden abdeckt“.

Dieselben Forscher untersuchten die Langlebigkeit von eDNA in Meerwasser. Wenn die eDNA langlebig ist, können Proben Arten identifizieren, die nicht mehr vorhanden sind. Die Ergebnisse zeigten, dass identifizierbare eDNA innerhalb einer Woche verschwand.

Aufbauend auf dieser Arbeit sammelten Bickham und Kollegen aus Battelle zusammen mit Alaskas North Slope Borough Department of Wildlife Management Wasserproben aus dem Beaufort Sea in der Nähe von Barrow, weit nördlich des Polarkreises und etwa 160 Kilometer westlich der North Slope-Ölfelder des Bundesstaates. Die Arbeit wurde vom North Slope Borough, dem alaskischen Äquivalent einer Bezirksregierung, zusammen mit einem großen Ölkonzern unterstützt, die beide an der Möglichkeit interessiert waren, eDNA-Methoden auf Umweltverträglichkeitsprüfungen im Zusammenhang mit der industriellen Entwicklung anzuwenden. Bickhams Team identifizierte nicht nur Fische, sondern auch Muscheln, Würmer, Algen, Wasservögel, Robben und Wale.

Die Arbeit in der Nähe von Barrow stieß bei einer anderen Finanzierungsquelle, Shell Oil Corp., auf weiteres Interesse, allerdings mit einer Wendung: Die eDNA-Methode wurde in der Tiefsee angewendet. Tiefsee-Offshore-Öl- und Gasentwicklungen werden häufig von biologischen Probenahmen begleitet, die auf Organismen abzielen, die auf oder im Meeresboden leben. Herkömmliche Methoden erfordern die Entnahme von Proben in Offshore-Anlagen, gefolgt von Sieben, manueller Sortierung und zeitaufwändiger visueller Identifizierung durch taxonomische Experten. Auf der Jahrestagung der Society of Environmental Toxicology and Chemistry im November 2014 in Vancouver sagten Bickham und seine Co-Autoren, dass eDNA-Methoden unweigerlich „mühsame und kostspielige“konventionelle Methoden bei Tiefwasser-Biodiversitätserhebungen ersetzen werden.

Bevor die eDNA für die Tiefsee-Hauptsendezeit bereit ist, sind jedoch weitere Arbeiten erforderlich. "Wir haben Millionen von Treffern", sagte Bickham über die Proben, "konnten aber nur 2 oder 3 Prozent identifizieren." Einige nicht identifizierbare „Treffer“können von bekannten Arten stammen, die noch nicht in verfügbaren Datenbanken erfasst wurden, während andere von Arten stammen können, die der Wissenschaft unbekannt sind. Bickham glaubt, dass sich viele Tiefseearten als Artenkomplexe herausstellen könnten - eine Reihe von Arten, die ähnlich aussehen, aber tatsächlich einzigartig sind, könnten sich in taxonomischen Listen als eine einzige tarnen.

Bickham sieht in der Tiefsee eine echte Herausforderung für die Biosystematik, die Untersuchung der Taxonomie auf der Grundlage genetischer und chemischer Marker. Obwohl er glaubt, dass eDNA-Methoden für das routinemäßige Biomonitoring, insbesondere in bekannten Lebensräumen, zunehmend nützlich sein werden, schlägt Bickham vor, dass ein umfangreiches Biosystematikprogramm der National Science Foundation für die Tiefsee und andere wenig bekannte Ecken des Planeten gerechtfertigt ist. Mit entsprechender Forschungsunterstützung, so Bickham, werden eDNA-Methoden unser Verständnis der Biodiversität in der Tiefsee in das 21. Jahrhundert verschieben.

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