Wie lässt sich der Verlust der biologischen Vielfalt verfolgen? Luftfilter prüfen, sagen Wissenschaftler

Mar 12, 2023

Es ist keine Überraschung, dass neben der Asche, den Pollen, dem Staub und anderen Partikeln, die in der Luft schweben, die wir atmen, auch Fragmente des genetischen Materials von Pflanzen und Tieren vorhanden sind.

Eine neue Studie kanadischer und britischer Wissenschaftler zeigt eine neuartige Möglichkeit, dieses Material zu nutzen, um Veränderungen in der Umwelt zu verfolgen.

Jene genetischen Fragmente, die Tiere und Pflanzen über Haut, Schuppen, Fell oder Ausscheidungen ausscheiden, werden als Umwelt-DNA (eDNA) bezeichnet. Sie können Forschern Hinweise auf die Artenvielfalt eines Gebiets geben, indem sie einfacher als mit anderen Methoden zeigen, welche Lebewesen dort vorkommen.

Die eDNA kann durch die Installation kleiner Luftfilter, ähnlich denen, die zur Kühlung von Computern und 3D-Druckern verwendet werden, direkt in den Lebensräumen, die Wissenschaftler überwachen möchten, gesammelt werden.

Doch während diese in der Lage sind, Daten in kleinem Maßstab zu sammeln, haben Forscher der York University in Toronto und zwei Institutionen im Vereinigten Königreich herausgefunden, dass es überall um uns herum Geräte gibt, die die Luftverschmutzung überwachen, die bereits seit Jahrzehnten unbeabsichtigt eDNA in großem Maßstab sammeln.

Sie werden Luftüberwachungsstationen genannt und in den meisten Ländern zur Messung der Luftqualität eingesetzt. Kanada hat fast 260 davon im ganzen Land installiert, von St. John's über Mississauga, Ontario, bis Burnaby, BC

Die Forscher hinter der Studie, die am Montag in Current Biology veröffentlicht wurde, sammelten im Herbst 2021 Proben von zwei Stationen – eine in einem Park in London und die andere auf einem Feld nördlich von Edinburgh. Sie fanden eDNA von 182 verschiedenen Pflanzen-, Pilz-, Insekten-, Säugetier-, Vogel-, Fisch- und Amphibienarten.

„Es war weit mehr als wir erwartet hatten“, sagte Co-Autorin Elizabeth Clare, Assistenzprofessorin für Biologie an der York University in Toronto. „Das war einer der größten Schocks für uns.“

Die Proben zeigten das Vorhandensein von allem, von Kohl bis zu Sojabohnendie kleine Eule und das Rothirsch.

Clare sagte, sie und ihre Kollegen seien überrascht gewesen, dass sie die ganze Zeit über einen solchen Informationsschatz vor sich hatten.

„Die Idee, dass es da draußen ein System gibt, das die Daten täglich immer und immer wieder sammelt, das im Grunde halbautomatisch ist, und dass wir nie bemerkt haben, dass es existiert, das ist das Erstaunliche, das ist das.“ „Daten sind bereits vorhanden“, sagte sie.

Während viele Luftüberwachungsstationen ihre Luftfilter im Laufe der Zeit nicht behalten hätten, könnten einige Aufzeichnungen aus den 1970er Jahren stammen, so die Forscher.

Das Sammeln von eDNA kann Forschern helfen, die Arten von Organismen zu identifizieren, die in einem Ökosystem, der sogenannten Biodiversität, leben, ohne sie direkt beobachten zu müssen, und kann ein Bild davon zeichnen, was mit bestimmten Arten im Laufe der Zeit passiert.

Internationale Verträge wie das Übereinkommen über die biologische Vielfalt verpflichten Kanada und andere Länder zur Überwachung der biologischen Vielfalt, um die Raten des Artenrückgangs zu bewerten und zu vergleichen.

Es gibt viele andere Möglichkeiten, die Artenvielfalt im Ökosystem als eDNA zu messen. Sie variieren von Art zu Art, sagte Clare, aber der Einsatz von Luftüberwachungsnetzwerken zur Sammlung von eDNA sei eine Möglichkeit, diese Überwachung zu standardisieren.

„Wir haben für nichts eine einheitliche Herangehensweise“, sagte Clare. „Eine unserer größten Herausforderungen besteht also darin, diese Daten auf breiterer Ebene abzugleichen, aber jetzt können wir diese Daten auf globaler Ebene auf einmal sammeln.“

Christoph Deeg, Forscher bei der Pacific Salmon Foundation und Fisheries and Oceans Canada, verlässt sich bei der Überwachung der Artenvielfalt von Lachsen auf eDNA. Er sagte, dass er zwar die meisten seiner Informationen im Wasser, dem Ökosystem des Lachses, sammelt, aber auch viel von der eDNA in der Luft lernen könnte.

„Durch die Kombination dessen, was wir in der Luft und im Wasser sehen, können wir wirklich alles einfangen, was vor sich geht“, sagte er. „Hier ist die Studie also spannend und ermöglicht es uns wirklich, einen ganzheitlichen Blick auf ganze Ökosysteme auf kontinentaler Ebene zu erhalten – einen Überblick über die Artenvielfalt.“

Angesichts der Größe Kanadas und seines vielfältigen Klimas ist es schwierig, sich ein vollständiges Bild der Artenvielfalt im ganzen Land zu machen. Wenn es jedoch historische Daten gibt, die von diesen Luftüberwachungssystemen gesammelt und gespeichert werden, könnte die Auswertung einiger historischer Daten dazu beitragen, dieses Bild zu konkretisieren.

„Wenn man dies auf die Archivproben in Kanada anwenden würde, würde man bereits eine drastische Veränderung unserer Vielfalt feststellen“, sagte er.

„Wir verlieren die Artenvielfalt schneller, als wir katalogisieren können. Wir wissen nicht wirklich, was wir verlieren.“

Viele Techniken in der Biodiversitätswissenschaft seien zeitintensiv und würden von Hand durchgeführt, sagte Clare; Sie erfordern, dass jeden Tag Leute vor Ort sind und dass sie viel Aufwand betreiben, um die Daten zu sammeln.

Rebecca Rooney, außerordentliche Professorin für Biologie an der University of Waterloo, ist eine der Personen, die im Rahmen ihrer Forschung zu Biomonitoring und Feuchtgebietsbewertung Feldarbeit leisten. Sie sagte, dass die eDNA-Daten zwar nützlich seien, aber noch nicht so genau wie die Erkundung von Lebensräumen zur Messung der Artenvielfalt.

„Zumindest wissen wir mit Sicherheit, dass diese Pflanzen da sind, wenn wir physisch dort sind“, sagte sie.

Co-Autorin Joanna Littlefair von der Queen Mary University of London stimmt zu, dass es noch ein langer Weg ist, um die Genauigkeit der gesammelten Daten sicherzustellen.

„Diese Studie ist immer noch der Beweis für die Existenz dieser Methode“, sagte sie. „Und ja, es gibt Fragen, aber es gibt auch viel Potenzial, und das hoffen wir in den nächsten Schritten zu sehen.“

Während die eDNA beispielsweise die Artenarten in einem Ökosystem offenlegt, ist sie nicht in der Lage, die tatsächliche Population dieser Arten oder die Nuancen zwischen Ökosystemen zu messen. Es ist auch schwierig, den genauen Standort der Arten zu bestimmen, da der Wind Moleküle über weite Entfernungen vertreiben kann.

„Wir fragen: ‚Ist die Kuh 20 Meter entfernt oder handelt es sich um eine Kuhherde, die möglicherweise Hunderte von Kilometern entfernt ist?‘“, sagte Littlefair.

Nicht alle Luftüberwachungsnetzwerkproben werden gespeichert, und die Autoren hoffen, dass ihre Studie die Betreiber der Netzwerke dazu veranlassen wird, die von ihnen gesammelten Daten aufzubewahren.

Ein historisches Bild sowie ein aktueller Schnappschuss seien der Schlüssel dazu, Wissenschaftlern zu ermöglichen, Ökosysteme und Punkte in der Geschichte zu vergleichen und den Überblick über die Verluste zu behalten, sagte Deeg.

Laut Nature Canada sind gefährdete Populationen in Kanada beispielsweise in den letzten 50 Jahren um fast 60 Prozent und die Säugetierpopulationen um etwa die Hälfte zurückgegangen.

„Wir sollten über Möglichkeiten wie diese nachdenken und wirklich sicherstellen, dass wir nichts verpassen“, sagte Deeg.

Journalist

Prapti Bamaniya ist ein CBC-Joan-Donaldson-Stipendiat. Sie hat zuvor bei CBC New Brunswick gearbeitet und hat kürzlich ihren Bachelor in Journalismus an der Toronto Metropolitan University abgeschlossen. Sie erreichen sie unter [email protected]