14.10.2019, Veterinärmedizinische Universität Wien
Alles hat seinen Preis, auch der Winterschlaf
Viele Säugetiere überleben die kalte Jahreszeit indem sie Winterschlaf halten. Je tiefer die eigene Körpertemperatur, umso mehr Energie können Winterschläfer dabei einsparen. Was zwar grundsätzlich positiv ist, hat jedoch einen großen Haken: Niedrigere Temperaturen führen zu einem vermehrten Schrumpfen der Schutzkappen der Chromosomen – beträchtliche Schäden, die zum Tod der Zelle führen können und nur mit großem Energieaufwand wieder behoben werden können. Zu diesen Ergebnissen kam jüngst ein Forschungsteam der Vetmeduni Vienna im Rahmen einer soeben veröffentlichten Studie.
Während des Winterschlafes bei niedrigen Körpertemperaturen können Säugetiere ihren Energieverbrauch um mehr als 90% senken. Dies ist von großem Vorteil, wenn Energie in Form von Futter knapp ist. Der Winterschlaf bei derart drastischen Körpertemperaturen hat jedoch auch Nachteile wie das Schrumpfen der Telomere, den Schutzkappen von Chromosomen. In Experimenten mit Gartenschläfern und Siebenschläfern stellten Forscherinnen und Forscher der Vetmeduni Vienna nun fest, dass Tiere, die bei höheren Temperaturen überwintern, längere Telomere aufrechterhalten, aber auch mehr Energie verbrauchen. „Es scheint sich um einen Kompromiss zwischen der Beibehaltung intakter Telomere, also eine Investition in das Überleben der Zellen, und der Maximierung der Energieeinsparung durch Winterschlaf bei niedriger Körpertemperatur zu handeln,“ erklärt Julia Nowack, eine der ErstautorInnen der Studie. Sie arbeitet derzeit an der Liverpool John Moores University in Liverpool, Großbritannien.
Ein Kompromiss zwischen Energieeinsparung und Telomerschäden
Das Forschungsteam konnte in der Verkürzung der Telomere der beiden untersuchten Tierarten – Siebenschläfer und Gartenschläfer – die im Labor entweder bei 3° C oder 14° im Winterschlaf gehalten wurden, signifikante Unterschiede feststellen. Die Tiere, die bei 14° C Winterschlaf hielten, verbrauchten mehr Energie als die Tiere, die bei 3° C Winterschlaf gehalten hatten. Umgekehrt blieben jedoch die Telomere der Tiere bei 14° C weit besser erhalten. Diese neue Erkenntnis stützt die bereits bisher allgemein verbreitete Vermutung, dass Winterschlaf seinen Preis hat. „Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein tiefer Winterschlaf mit Kosten auf zellulärer Ebene verbunden ist, also einer verstärkten Verkürzung der Telomere, die von den Tieren aktiv und energetisch aufwändig ausgeglichen werden muss. Infolgedessen überschätzen die bisherigen wissenschaftlichen Annahmen vermutlich den Anteil an Energie, den Tiere durch tiefen Winterschlaf einsparen können“, so Julia Nowack.
Winterschlaf – eine evolutionäre Erfolgsstrategie mit gewissen Nachteilen
Der Winterschlaf ist ein Zustand anhaltender Inaktivität, der mit einer verringerten Stoffwechselrate und Körpertemperatur verbunden ist. Er gilt als die effizienteste Strategie zur Energieeinsparung bei Säugetieren und Vögeln. Trotz seiner vielen Vorteile wird zunehmend klar, dass der Winterschlaf auch mit Nachteilen verbunden ist, wie z. B. einer verminderten Immunfunktion, verlangsamten Reaktionen und erhöhtem oxidativen Stress. Denn häufiges Aufwachen aus dem Winterschlaf führt zu einem raschen Abbau der Energiereserven und die Hochregulierung des Stoffwechsels ist mit der Produktion von reaktiven Sauerstoffverbindungen verbunden, die über DNA-Brüche eine schnellere Verkürzung der Telomere verursachen.
Telomere – wichtige, stresssensible Endstücke der Chromosome
Telomere sind nichtkodierende, sich wiederholende DNA-Sequenzen am Ende von Chromosomen, die zusammen mit Telomer-assoziierten Proteinen den Abbau der kodierenden DNA während der Replikation verhindern. Die Telomerlänge wird häufig als Marker für die Alterung des Körpers verwendet. Telomere verkürzen sich nach jeder somatischen Zellteilung – der sogenannten Mitose –, aber die Verkürzung von Telomeren kann durch oxidativen Stress beschleunigt werden. Kann die Telomerlänge nicht wiederhergestellt werden, stirbt die Zelle schließlich ab. Während des Winterschlafes wird die Mitose bei niedrigen Temperaturen gestoppt und daher der Abbau der Telomere unterbrochen.
Wichtig auch beim Menschen
Die Telomere sind auch in der Humanmedizin von großer Relevanz. Beim Menschen ist aus Studien bekannt, dass chronischer Stress die Verkürzung der Telomere beschleunigt. Umgekehrt können Veränderungen des Lebensstils zu einer Verlangsamung der Verkürzung der Telomere führen und dadurch den Alterungsprozess der Zellen und damit auch des Gesamtorganismus positiv beeinflussen.
Service:
Der Artikel „Always a price to pay: hibernation at low temperatures comes with a trade-off between energy savings and telomere damage“ von Julia Nowack, Iris Tarmann, Franz Hölzl, Steve Smith, Sylvain Giroud und Thomas Ruf wurde in Biology Letters veröffentlicht.
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsbl.2019.0466
14.10.2019, Stiftung Zoologisches Forschungsmuseum Alexander Koenig, Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere
Neue Fledermausgattung aus Westafrika
Der Bonner Zoologe Jan Decher und sein Team fingen 2008 während einer Umweltverträglichkeitsprüfung in einem Regenwald in Guinea Fledermäuse, die jetzt von einer Autorengruppe aus Bonn und Eswatini im Rahmen einer Revision als neue Gattung und Art Parahypsugo happoldorum beschrieben wurden. Die Art ist zu Ehren von David und Meredith Happold benannt, die beide wichtige Arbeiten über Fledermäuse Afrikas, sowie große Teile des 6-bändigen Standardwerkes „Die Säugetiere Afrikas“ (2013) verfasst haben.
Manchmal dauert es Jahre, bis der genaue Status einer Tierart ermittelt werden kann. So geschah es mit Fledermäusen, die der Bonner Zoologe Jan Decher und sein Team während einer Umweltverträglichkeitsprüfung 2008 in einem Regenwald in Guinea fing.
Diese Tiere wurden jetzt von einer Autorengruppe aus Bonn und Eswatini im Rahmen einer Revision als neue Gattung und Art Parahypsugo happoldorum beschrieben. Die neue Art ist zu Ehren von David und Meredith Happold benannt, die beide wichtige Arbeiten über Fledermäuse Afrikas, sowie große Teile des 6-bändigen Standardwerkes „Die Säugetiere Afrikas“ (2013) verfasst haben. Unter dem neuen Gattungsnamen werden insgesamt vier Arten definiert, die früher unter verschiedenen Namen liefen. Nun konnten sie erstmals durch morphologische und genetische Merkmale definiert werden. Alle Arten sind auf Regenwälder West- und Zentralafrikas beschränkt.
Originalpublikation:
https://doi.org/10.3161/15081109ACC2019.21.1.001
14.10.2019, Max-Planck-Institut für Ornithologie
Verkehrslärm stört normale Stressreaktionen und verzögert das Wachstum von Zebrafinken
Lärm macht krank – zumindest den Menschen. Der Gesundheit von Zebrafinken und dem Wachstum ihrer Küken schadet chronischer Verkehrslärm ebenfalls. Einer Studie von Forscher*innen des Max-Planck-Instituts für Ornithologie in Seewiesen zufolge unterdrücken Straßengeräusche den Anstieg von Stresshormonen im Blut der Vögel, vermutlich um die negativen Konsequenzen von chronisch hohen Pegeln auf den Organismus zu vermeiden. Die Küken der Finken entwickelten sich zudem während der ersten Lebenstage langsamer, wenn sie in einem lauten Nest aufgezogen wurden.
Die Auswirkungen von Lärm auf die Gesundheit von Tieren sind bislang wenig bekannt. Bisherige Studien mit Singvögeln zum Beispiel haben sich vor allem auf den Gesang der Tiere konzentriert. Um die Straßengeräusche zu übertönen, singen Vögel beispielsweise lauter und zu anderen Zeiten.
Ein Forschungsteam vom Max-Planck-Institut für Ornithologie in Seewiesen unter Leitung von Henrik Brumm hat nun untersucht, wie sich Lärm auf den Stresshormonspiegel, die Gesundheit und den Fortpflanzungserfolg von Zebrafinken auswirkt. Die Forscher ließen je eine Gruppe von Zebrafinkenpaaren in ruhiger und in lauter Umgebung brüten. Der zweiten Gruppe spielten sie während der gesamten Brutzeit tagsüber den Verkehrslärm von mehrspurigen Münchner Straßen vor. Auch nachts hörten die Vögel die Straße, dann allerdings den nächtlich aufgenommenen, ruhigeren Verkehr.
Einige Zeit nach dem Ende der ersten Jungenaufzucht wechselten die Lärmbedingungen für die Gruppen und dieselben Elterntiere brüteten erneut. Die Wissenschaftler*innen bestimmten bei den Elternvögeln die Menge an Kortikosteron, des so genannten Stresshormons im Blut jeweils vor, während und nach der Brutzeit. Außerdem wurden ihre Immunfunktion, ihr Fortpflanzungserfolg sowie die Wachstumsraten ihrer Küken gemessen.
Auf das Immunsystem der Elterntiere hatte die Beschallung keinen Einfluss, chronischem Verkehrslärm ausgesetzte Zebrafinken hatten jedoch während des Brütens weniger Stresshormone im Blut als jene Tiere, die ihre Jungtiere in ruhiger Umgebung aufzogen. Das ist überraschend, da Stress oft zu einer höheren Konzentration von Kortikosteron führt, denn das Hormon hilft dem Organismus bei der Regulierung von stressigen Situationen. „Der Pegel an Stresshormonen stieg bei den Tieren, die während der Brutzeit Lärm ausgesetzt waren, gar nicht erst an“, sagt Sue Anne Zollinger, Erstautorin der Studie. „Es ist also nicht so, dass sich die Vögel mit der Zeit an den Lärm gewöhnten. Wir gehen vielmehr davon aus, dass der Organismus der Tiere von vorne herein gegensteuerte, um die negativen Auswirkungen eines erhöhten Stresshormonpegels auf das Immunsystem zu vermeiden.“
Küken, die mit Straßenlärm aufwuchsen, waren kleiner als Küken, die einen ruhigen Nistplatz hatten. Später in der Brutzeit, wenn die Küken das Nest verlassen hatten und selbst Futter suchten, holten sie den Rückstand zwar wieder auf, die Wissenschaftler*innen schließen Langzeitfolgen jedoch nicht aus. In einer früheren Studie haben sie nämlich herausgefunden, dass sich unter Verkehrslärm die Enden der Chromosomen, die sogenannten Telomere, schneller verkürzen. Dies wirkt sich vermutlich auf die Lebensdauer der Küken aus. Die Anzahl der Küken in den Nestern wurde vom Lärm jedoch nicht beeinflusst.
Die Studie wurde mit Tieren in Volieren durchgeführt, um sämtliche andere Faktoren auszuschließen, die meist mit Straßenverkehr verbunden sind. Diese sind zum Beispiel die chemische Verschmutzung und das künstliche Nachtlicht. Aber auch andere Einflüsse einer städtischen Umgebung, wie die Dichte und Zusammensetzung der lokalen Vogelgemeinschaft, die Struktur des Lebensraums, Veränderungen im Mikroklima oder auch die Nahrungsverfügbarkeit sollten keine Rolle spielen. „Unsere Studie zeigt, dass der Verkehrslärm alleine, ohne die ganzen anderen Störungen, bei Vögeln zu Veränderungen in der Physiologie führen und sich auf das Wachstum auswirken“, sagt Henrik Brumm, Forschungsgruppenleiter in Seewiesen. Das bedeutet, dass selbst Vogelarten, die in Städten scheinbar gut zu Recht kommen, durch chronischen Verkehrslärm beeinträchtigt werden könnten.
Originalpublikation:
Sue Anne Zollinger, Adriana Dorado-Correa, Wolfgang Goymann, Wolfgang Forstmeier, Ulrich Knief, AnaMaria Bastidas, Henrik Brumm (2019). Traffic noise exposure depresses plasma corticosterone and delays offspring growth in breeding zebra finches. Conservation Physiology (DOI: 10.1093/conphys/coz056)
14.10.2019, Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie
Viele Köche verderben nicht den Brei: Hohe Symbiontenvielfalt wappnet den Wirt für alle Fälle.
Tiefseemuscheln, die sich mit Hilfe bakterieller Symbionten ernähren, beherbergen überraschend viele Untermieter: Bis zu 16 verschiedene Bakterienstämme wohnen in den Kiemen der Muschel, jeder mit eigenen Fähigkeiten und Stärken. Dank dieser Vielfalt an symbiotischen Partnerbakterien ist die Muschel für alle Eventualitäten gewappnet. Dabei schnürt sich die Muschel ein Rundum-Sorglos-Paket, berichtet nun in der Fachzeitschrift Nature Microbiology eine deutsch-österreichische ForscherInnengruppe um Rebecca Ansorge und Nicole Dubilier vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen und Jillian Petersen von der Universität Wien.
Heiße Quellen in der Tiefsee sind faszinierende und reichhaltige Lebensräume. In der scheinbar lebensfeindlichen Umwelt gedeihen beispielsweise Muscheln, indem sie in ihren Kiemen Bakterien als Untermieter beherbergen. Diese Bakterien, sogenannte chemosynthetische Symbionten, wandeln für Tiere nicht nutzbare Stoffe aus den heißen Quellen in schmack¬haf¬te Nahrung für ihren Muschel-Wirt um. Dabei schnürt sich die Muschel ein Rundum-Sorglos-Paket, berichtet nun in der Fachzeitschrift Nature Microbiology eine deutsch-österreichische ForscherInnengruppe um Rebecca Ansorge vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen.
Auf mehreren Forschungsfahrten sammelten Ansorge und ihre KollegInnen an Schwarzen Rauchern – hoch aufragende Schlote, an denen heißes, mineralreiches Wasser aus dem Meeresgrund strömt – Bathymodiolus-Muscheln, entfernte Verwandte der essbaren Miesmuschel. Im Labor in Bremen und Wien analysierten sie dann im Detail die Genome der bakteriellen Bewohner dieser Muscheln. Bislang war man der Meinung, dass die Muschel nur ein oder zwei Arten von Symbionten beheimatet. Doch offensichtlich ist Bathymodiolus deutlich gastfreundlicher. „Tatsächlich finden wir in einer einzigen Muschel bis zu 16 verschiedene Bakterienstämme“, so Ansorge.
Vielfalt lohnt sich
Die einzelnen Bakterienstämme sorgen dafür, dass die Muschel für alle Eventualitäten gewappnet ist. Denn sie erfüllen jeweils verschiedene Funktionen, helfen bei unterschiedlichen Stoffumsetzungen, haben unterschiedliche Fähigkeiten. „Verschiedene Symbionten können beispielsweise unterschiedliche Stoffe und Energiequellen aus dem Umgebungswasser nutzen und damit die Muscheln ernähren“, erklärt Ansorge. Andere wiederum sind besonders widerstandsfähig gegen Viren oder Parasiten.
„Wir vermuten, dass die große Vielfalt ihrer Untermieter die Muschel sehr wandlungsfähig macht“, fügt Jillian Petersen hinzu, die Leiterin des an der Studie beteiligten Labors der Universität Wien. Wenn sich ihre Umwelt verändert – was in einem so dynamischen Lebensraum wie einem Schwarzen Raucher häufig der Fall ist –, kann sich die Muschel schnell anpassen. Jene Bakterienstämme, die unter den neuen Bedingungen besonders gut gewachsen sind, treten dann in den Vordergrund. Auch wenn die Muschel neue Lebensräume besiedeln möchte, ist sie mit diesem Mosaik an Symbionten gut vorbereitet. Die vielen Köche verderben der Muschel also nicht den Brei, vielmehr kann sie für jeden Fall genau den richtigen Brei zubereiten.
„Eine solche Vielfalt an Symbionten passt nicht zu gängigen Evolutionstheorien, nach der so ähnliche Organismen wie diese symbiotischen Bakterien nicht nebeneinander existieren können“, erklärt Nicole Dubilier, Projektleiterin der Studie und Direktorin am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie. Das liegt an einer Besonderheit der Tiefseesymbiosen: Die Muschel ernährt ihre Untermieter nicht direkt, sondern sorgt nur dafür, dass sie nahe ihrer Futterquelle an den Schwarzen Rauchern leben. Ihre Nahrung beziehen die Symbionten dann aus dem Umgebungswasser. „Dadurch kann es sich die Muschel erlauben, auch solche Köche zu beherbergen, die gerade nicht optimal arbeiten. Man weiß ja nie, wann sie noch nützlich werden.“
Von Lucky Strike bis Lilliput
Lucky Strike, Semenov, Wideawake, Clueless, Lilliput – so heißen die Hydrothermalfelder, an denen Ansorge und ihre KollegInnen die gastfreundlichen Tiefseemuscheln bisher gefunden haben. Diese Felder sind verteilt entlang des gesamten Mittelatlantischen Rückens, von den Azoren bis weit in den Südatlantik, Tausende Meter unter der Meeresoberfläche. An allen untersuchten Stellen fanden die Forschenden das gleiche Muster einer unerwartet hohen Symbiontenvielfalt mit geringfügigen Unterschieden in den einzelnen Fähigkeiten, die vermutlich auf die jeweiligen Bedingungen vor Ort abgestimmt sind.
„Als nächstes wollen wir erforschen, ob diese Vielfalt auch in anderen Tiefseesymbiosen existiert, zum Beispiel in Schwämmen oder anderen Muscheln “, sagt Ansorge. „Auch, ob unsere Beobachtungen typisch für Symbiosen sind oder auch in nah verwandten und sehr weit verbreiteten frei lebenden Bakterien vorkommen, wollen wir unter die Lupe nehmen.“ Die ForscherInnen erwarten, dass ihre hier vorgestellten Ergebnisse keine Ausnahme darstellen und eine solche Vielfalt bakterieller Symbionten auch in anderen vergleichbaren Systemen üblich ist. Das würde bedeuten, dass wir unsere aktuellen evolutionären Theorien über symbiotische Beziehungen überarbeiten müssen.
Originalpublikation:
Rebecca Ansorge, Stefano Romano, Lizbeth Sayavedra, Miguel Ángel González Porras, Anne Kupczok, Halina E. Tegetmeyer, Nicole Dubilier, Jillian Petersen: Functional diversity enables multiple symbiont strains to coexist in deep-sea mussels. Nature Microbiology. DOI: 10.1038/s41564-019-0572-9
15.10.2019, Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen
Bodentiere: 365 Tage unter Wasser // Transport von Bodenlebewesen über Fließgewässer nachgewiesen
Forschende des Senckenberg Museums für Naturkunde Görlitz haben die Verbreitungswege von bodenlebenden Milben und Springschwänzen untersucht. Mit kombinierten Feld- und Labormethoden konnten sie nachweisen, dass sich die winzigen Bodenorganismen unter anderem über Fließgewässer zu neuen Lebensräumen transportieren lassen. Einige Arten überleben dabei bis zu 365 Tage unter Wasser. Die Studie erschien kürzlich im Fachjournal „Movement Ecology“.
Etwa 5 Zentimeter können bodenlebende Hornmilben (Oribatida) aus eigener Körperkraft pro Tag zurücklegen; bei Springschwänzen (Collembola) ist es immerhin ein knapper halber Meter. „Trotz ihrer eingeschränkten Mobilität haben diese winzigen Tiere eine sehr große räumliche, zum Teil sogar weltweite Verbreitung – sie müssen demnach andere Wege für ihre Ausbreitung gefunden haben“, erklärt Meike Schuppenhauer vom Senckenberg Museum für Naturkunde in Görlitz und fährt fort: „Bereits bekannt ist, dass sich Bodentiere mit dem Wind verfrachten lassen oder von anderen Tieren verbreitet werden.“
Nun hat die Doktorandin mit ihren Görlitzer Kolleg*innen Dr. Ricarda Lehmitz und Prof. Dr. Willi Xylander ein weiteres potentielles Transportmittel unter die Lupe genommen. „Wir haben untersucht, ob und wie sich Hornmilben und Springschwänze über Fließgewässer verbreiten können. Anders als bei Vögeln oder Säugetieren konnten wir diese winzigen Bodenlebewesen aber natürlich nicht einfach mit GPS-Sendern ausstatten“, erzählt Schuppenhauer.
Das Team hat daher in aufwendigen Laborversuchen etwa 200 Milben-Individuen beobachtet, um herauszufinden, ob die Tiere auf der Oberfläche von Fließgewässern treiben können und wie lange sie unter Wasser überleben. Zudem wurden bei Feldforschungen die Fähigkeit zur Neubesiedlung am „Zielort“ untersucht und knapp 300 Milben – und Springschwanz-Individuen im Fließgewässer nachgewiesen.
„Der erfolgreiche Wassertransport ist vermutlich davon abhängig, ob es den Bodentieren gelingt für einige Stunden an der Wasseroberfläche zu treiben und wie lange sie untergetaucht überleben können. Unsere Ergebnisse zeigen, dass dies von Art zu Art unterschiedlich ist und die Tiere in ‚Schwimmer’ und ‚Taucher’ eingeteilt werden können“, fasst Schuppenhauer die Versuche zusammen.
Während etwa 80 Prozent der Milbenarten über den gesamten Verlauf des Experiments permanent an der Wasseroberfläche treibend transportiert wurden, sanken einige Arten schon innerhalb weniger Stunden unter Wasser. Schuppenhauer hierzu: „Dabei gab es auch echte Überlebenskünstler unter den winzigen Bodenorganismen: Die Hornmilbenarten Carabodes subarcticus und Carabodes ornatus können mindestens 365 Tage unter Wasser überleben!“
In einem Quadratmeter Auenboden leben zwischen 3.000 und 37.000 Hornmilben. Auch Springschwänze treten in den teilweise überfluteten Gebieten mit bis zu 12.000 Individuen pro Quadratmeter auf. „Flüsse und Bäche durchziehen das ganze Bundesgebiet mit einer Gesamtlänge von 400.000 Kilometern – sie sind damit die idealen Transportwege für diese weniger mobilen Organismen!“, unterstreicht Prof. Dr. Willi Xylander die Studienergebnisse.
Originalpublikation:
Schuppenhauer MM, Lehmitz R, Xylander WER. 2019. Slow-moving soil organisms on a water highway: aquatic dispersal and survival potential of Oribatida and Collembola in running water. Movement Ecology. 7(1):20.
https://doi.org/10.1186/s40462-019-0165-5
16.10.2019, Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Artenvielfalt nutzt der Landwirtschaft
Rund 20 Prozent der Agrarflächen weltweit bringen heute weniger Erträge als vor 20 Jahren. Schuld daran sei der Mensch, so die Welternährungsorganisation FAO: Er habe nicht genug für den Schutz des Artenreichtums getan.
Die Natur ist in vielerlei Hinsicht eine herausragende Dienstleisterin für die Landwirtschaft. Bienen und Hummeln bestäuben Obstbäume und andere Nutzpflanzen. Schlupfwespen und Raubkäfer fressen Schädlinge, die sich sonst über die Ackerfrüchte hermachen würden. Dazu kommen viele weitere Tierarten, die gratis für den Menschen arbeiten.
Die positiven Effekte der natürlichen Dienstleister fallen umso größer aus, je höher die Artenvielfalt und je kleinteiliger die Agrarlandschaft gestaltet ist. Wo dagegen riesige, monoton bepflanzte Flächen vorherrschen, sind Vielfalt und Menge der nützlichen Lebewesen deutlich verringert. Und das wirkt sich am Ende auch negativ auf die Erträge aus.
Erkenntnis aus 89 Studien gewonnen
Der Mensch müsse für eine möglichst große Biodiversität sorgen, um sich die Gratis-Dienstleistungen der Natur nachhaltig zu sichern. Es genüge nicht, auf einige wenige Arten als Bestäuber oder Schädlingsbekämpfer zu vertrauen. Dieses Fazit zieht nun auch ein internationales Forschungsteam im Magazin Science Advances.
Die mehr als 100 beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben 89 Studien ausgewertet, in denen der Zusammenhang zwischen Landnutzung, Biodiversität und den Gratis-Dienstleistungen der Ökosysteme erforscht wurde. Die Studien fanden an fast 1500 Standorten weltweit statt – von Maisäckern in den USA über Rapsfelder in Südschweden, Kaffeeplantagen in Indien und Mangoplantagen in Südafrika bis hin zu Weizenfeldern im Alpenraum.
Team vom Biozentrum federführend
Durchgeführt wurde diese Untersuchung von Matteo Dainese (jetzt Eurac Research, Bozen), Emily Martin und Ingolf Steffan-Dewenter vom Biozentrum der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg. Der JMU-Professor und sein Team haben in den vergangenen Jahren viele einschlägige Studien zu Artenvielfalt und Ökosystemdienstleistungen durchgeführt – in der Umgebung von Würzburg, aber auch am Kilimandscharo und in Südkorea.
Die weltweiten Analysen belegen erstmals in einer einheitlichen Auswertung, dass der Verlust von Artenvielfalt wesentlich für die geringere biologische Schädlingskontrolle und Bestäubungsleistungen in ausgeräumten Agrarlandschaften ist. Ungefähr die Hälfte der Verluste lassen sich nur durch die geringere Artenvielfalt, und nicht durch eine geringere Menge von Bestäubern oder Gegenspielern erklären. Weiterhin zeigt die Studie erstmals für beide Ökosystem-Dienstleistungen, dass ihr Ausfall zu einer deutlichen Ertragsreduktion führt.
Matteo Dainese, Erstautor der Studie erklärt: „Zum Beispiel sind Landwirte weniger auf den Einsatz von Insektiziden angewiesen, wenn eine natürliche Schädlingskontrolle durch eine hohe Biodiversität in Argarökosystemen gewährleistet ist.“ Politik und Gesellschaft sollten sich einer weiteren Verarmung der Agrarökosysteme entgegenstemmen, so Steffan-Dewenter: „Wir brauchen eine Flurbereicherung“, sagt der Würzburger Ökologe. „Eine möglichst große Biodiversität in den Agrarökosystemen wird zunehmend wichtig sein, um Erträge zu sichern und die Auswirkungen des globalen Wandels abzufedern.“
Zweitautorin Dr. Emily Martin von der JMU: „Es wird kontrovers diskutiert, ob einige wenige, dominante Arten ausreichen, um Bestäubung und natürliche Schädlingsbekämpfung zu gewährleisten. Unsere Untersuchung deutet stark darauf hin, dass eine große Zahl von Arten nötig ist, um die Dienstleistungen der Natur und gute Erträge aufrecht zu erhalten.“
Die Studie wurde im Rahmen der Projektverbünde EU-FP7 LIBERATION (311781) und Biodiversa-FACCE ECODEAL (PCIN-2014–048) finanziell gefördert.
Originalpublikation:
A global synthesis reveals biodiversity-mediated benefits for crop production. Dainese et al., Science Advances, 16. Oktober 2019, DOI 10.1126/sciadv.aax0121
17.10.2019, Universität Ulm
Die schnellste Ameise der Welt – Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination
Silberameisen gelten als schnellste Ameisen der Welt – obwohl ihre Beine verhältnismäßig kurz sind. Daher haben Forschende der Universität Ulm den besonderen Laufstil dieses „Wüstenflitzers“ auf einer Ameisen-Rennstrecke ergründet. Veröffentlicht wurde diese Entdeckung jüngst im „Journal of Experimental Biology“.
Sie geht auf Nahrungssuche, wenn andere Siesta halten: Die saharische Silberameise macht vor allem in der Mittagshitze der Sahara und in den Wüsten der arabischen Halbinsel Beute. In dieser lebensfeindlichen Umgebung kommen ihr ihre exzellente Navigationsfähigkeit und ihr großes Lauftalent zugute. Das Insekt gilt sogar als schnellste Ameise der Welt: Mit Geschwindigkeiten von bis zu einem knappen Meter pro Sekunde flitzen sie über den oft mehr als 60 Grad Celsius heißen Sand und lassen ihre deutlich langbeinigeren Verwandten „Cataglyphis fortis“ weit hinter sich. Im „Journal of Experimental Biology“ ergründen Ulmer Forschende um Professor Harald Wolf und Dr. Sarah Pfeffer das Geheimnis der Silberameisen.
Um als Ameise in der Mittagshitze der Sahara zu überleben, sind besondere Fähigkeiten nötig: Die Insekten müssen oft lange Strecken zurücklegen, wenn sie die raren Nahrungsquellen – dabei handelt es sich meist um in der Hitze verendete Insekten – aufspüren wollen. Zudem brauchen sie einen ausgeprägten Orientierungssinn, um nach dem Beutezug zurück ins Schatten spendende Nest zu finden. Als wahre Wüstenflitzer und schnellste Ameisenart der Welt hat sich die saharische Silberameise (Cataglyphis bombycina) herausgestellt: Obwohl es ihr gedrungener Körperbau nicht vermuten lässt, erreicht sie deutlich höhere Geschwindigkeiten als verwandte, größere Wüstenameisenarten. Mittels Videoaufzeichnungen haben Ulmer Forschende um den Leiter des Instituts für Neurobiologie, Professor Harald Wolf, den Laufstil der Silberameisen unter verschiedenen Bedingungen analysiert.
In der tunesischen Wüste mussten die Biologinnen und Biologen zunächst einmal ihren eigenen Spürsinn unter Beweis stellen. „Wir haben nach grabenden Silberameisen Ausschau gehalten oder sind jagenden Tieren zurück zum Nest gefolgt“, erinnert sich die Erstautorin Dr. Sarah Pfeffer. War der Eingang zur Ameisen-Behausung erst einmal gefunden, brachten die Forschenden einen mit Sand ausgelegten Aluminiumsteg an und lockten die Ameisen mit Mehlwürmern. Nun brauchten sie lediglich eine Videokamera zu montieren, um die Bewegungen der Silberameisen unter verschiedenen Bedingungen aufzuzeichnen. Dabei maßen die Forschenden in der heißen Wüstensonne Spitzengeschwindigkeiten von bis zu 0,855 Meter pro Sekunde (m s-1). Somit legen die Silberameisen pro Sekunde 108 Mal ihre eigene Körperlänge zurück! Im auf bis zu zehn Grad heruntergekühlten Labor an der Universität Ulm waren es nur noch 0,057 m s-1.
Mit dieser exzellenten Laufleistung sichern sich die Insekten einen Platz unter den schnellsten Tieren der Welt – neben einer australischen Sandlaufkäferart und einer in Kalifornien vorkommenden Milbe. Die Wüstenameisenart „Cataglyphis fortis, die nur etwa 50 Körperlängen pro Sekunde schafft, kann hier nicht mithalten. Dabei hatten die Forschenden um Wolf und Pfeffer eine erhebliche Beinlängendifferenz festgestellt – mit 4,3 bis 6,8 mm sind die Gliedmaße der Silberameise um fast 20 Prozent kürzer als bei der langbeinigen Verwandtschaft. „Diesen offensichtlichen Nachteil müssen die Silberameisen durch einen besonderen Laufstil wettmachen“, mutmaßen die Forschenden. Und tatsächlich stellten sie in der Videoanalyse fest, dass diese Ameisenart bis zu 47 Schritte in der Sekunde macht und ihre Beine mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1400 mm s-1 in der Sekunde schwingt. Sie verfallen in eine Art Galopp, wobei sich zeitweise alle Beine gleichzeitig in der Luft befinden. Wenn die Silberameisen anziehen, können sie ihre Schrittlänge sogar vervielfachen. „Insgesamt zeigen die Silberameisen eine annähernd perfekte Koordination: Die drei zusammengehörigen Beine arbeiten beinahe synchron, wodurch die Körpermasse gleichmäßig verteilt wird. Jedes Bein berührt den Boden nur 7 Millisekunden lang“, resümiert Dr. Sarah Pfeffer.
Dieser besondere Laufstil mag sich durch den Lebensraum der Silberameisen erklären: Sie bewegen sich auf Sanddünen und müssen das Risiko minimieren, einzusinken. Hierfür scheinen die schnellen, jedoch perfekt koordinierten Bewegungen von Vorteil zu sein. Die verwandte Ameisenart Cataglyphis fortis lebt hingegen in der Salztonebene auf einem „festgebackenen“, völlig ebenen Untergrund und musste ihren Laufstil wohl deutlich weniger anpassen. Die Ulmer Forschenden wollen die Wüstenflitzer in jedem Fall weiter ergründen – und dabei vor allem die Muskelkontraktion der schnellsten Ameise der Welt in den Blick nehmen.
Bei ihren Forschungsarbeiten in der nordafrikanischen Wüste und im Labor sind die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von der Universität Ulm unterstützt worden.
Originalpublikation:
Pfeffer, S. E., Wahl, V. L., Wittlinger, M. and Wolf, H. (2019) High-speed locomotion in the Saharan silver ant, Cataglyphis bombycina. J. Exp. Biol. 222, jeb198705. doi:10.1242/jeb.213660
18.10.2019, Universität zu Köln
Insekten teilen den gleichen Signalweg zur dreidimensionalen Entwicklung ihres Körpers
Zoologe zeigt, dass auch Käfer, Grillen und Wanzen ihre Gestaltbildung durch den Fog-Signalweg steuern / Publikation in eLife
Ein Signalweg, der in der Fruchtfliege Drosophila melanogaster die Morphogenese, also die Ausbildung der dreidimensionalen Körpergestalt des Fliegenkörpers reguliert, ist auch von zentraler Bedeutung für die frühe Entwicklung des Embryos in anderen Insekten wie Käfern, Grillen und Wanzen. Bei diesen Insekten wird der Signalweg sogar für die Ausbildung der primären Zellschicht des Embryos benötigt. Der Nachweis dieser weiteren Funktion in stammesgeschichtlich weit voneinander entfernten Insekten lässt vermuten, dass der „Fog“-Signalweg (Folded gastrulation) in allen Insekten eine zentrale entwicklungsbiologische Funktion erfüllt und somit zum evolutiven Ursprungsrepertoire der Insekten gehört. Das ist das Ergebnis einer grundlagenwissenschaftlichen Studie von einem Team um Professor Dr. Siegfried Roth vom Institut für Zoologie der Universität zu Köln, die unter dem Titel „Fog signaling has diverse roles in epithelial morphogenesis in insects“ in eLife veröffentlicht ist.
Für die Erforschung von Entwicklungsgenen bei Drosophila erhielten Christiane Nüsslein-Volhard, Eric Wieschaus und Edward B. Lewis 1995 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Manche dieser Gene sind im ganzen Tierreich – von der Fruchtfliege bis zum Menschen hin – erhalten geblieben, andere Entwicklungsgene scheinen spezifisch an die schnelle Entwicklung des Drosophila-Embryos angepasst zu sein. Bisher wurde der Fog-Signalweg zu diesen Drosophila spezifischen Komponenten gezählt.
Die Arbeitsgruppe des Kölner Zoologen Roth fand nun heraus, dass Fog keinesfalls exklusiv in Drosophila-Embryonen wirkt. Die Gruppe konnte mithilfe von echtzeitlicher molekularer Bildgebung außerdem zeigen, dass der Signalweg auch Funktionen hat, die von Drosophila nicht bekannt sind. So wird „Fog“ im Käfer-Embryo auch für die Wanderung der Geschlechtszellen, für die Ausbildung der extraembryonalen Hüllen („Serosa“ und „Amnion“) und für die am Beginn der Embryonalentwicklung stehende Bildung der primären Zellschicht gebraucht. Da gerade die letztere Funktion auch in Vertretern stammesgeschichtlich älterer Gruppen wie Wanzen und Grillen vorhanden ist, könnte sie die ursprüngliche Funktion des Signalwegs darstellen.
„Unsere Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis bei, woher die in allen Lehrbüchern beschriebenen Eigenschaften der Drosophila-Entwicklung kommen und wie sich diese Entwicklungsprozesse selbst in der Evolution verändert haben. Der Vergleich mit anderen Insekten zeigt, dass der Signalweg in der Evolutionslinie, die zu Drosophila führt, Funktionen verloren hat“, so Professor Roth. „Der Fog-Signalweg spielt demnach eine uralte Rolle bei der frühen Morphogenese bei Insekten und kann vielfältige Funktionen bei der Ausbildung und Faltung von Zellschichten erfüllen.“
Die Studie wurde im Rahmen des Kölner Sonderforschungsbereichs 680 „Molekulare Grundlagen evolutionärer Innovationen“ initiiert, der von 2006 bis 2017 an der Universität zu Köln eingerichtet war.
https://elifesciences.org/articles/47346
17.10.2019, Deutsches Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig
Veränderung der Arten-Zusammensetzung in Ökosystemen weltweit
An vielen Orten auf der ganzen Welt finden rasante Veränderungen der Biodiversität statt. Während sich die Arten in lokalen Gemeinschaften stark verändern, bleibt ihre Zahl im Durchschnitt oft gleich. Daher spiegeln die Veränderungen auf lokaler Ebene nicht immer den globalen Artenverlust wider. Zu diesem Ergebnis kommt ein Forscherteam vom Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung, der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und der Universität St. Andrews. Ihre Studie im Fachmagazin Science zeigt, dass sich die Zusammensetzung der Arten in marinen Ökosystemen stärker verändert als an Land. Dabei unterliegen insbesondere die marinen Tropen extremen Veränderungen.
Der Mensch hat einen starken Einfluss auf die biologische Vielfalt. Die Zahl der Arten nimmt weltweit ab, doch diesem Rückgang stehen sehr unterschiedliche Entwicklungen auf lokaler Ebene gegenüber. Internationale Wissenschaftler führender Universitäten aus Europa, den USA und Kanada haben nun die geografischen Unterschiede bei diesen Veränderungen genauer erforscht. Sie untersuchten, wie sich Artenreichtum (Anzahl der Arten) und Artenzusammensetzung (Identität der einzelnen Arten) mit der Zeit verändern. Dafür nutzten sie die Daten von weltweit über 50.000 Biodiversitäts-Zeitreihen, die sie der Datenbank BioTIME der Universität St. Andrews entnahmen. Sie analysierten auch, wo sich die biologische Vielfalt am stärksten verändert.
Frühere Untersuchungen, die keine Nettoveränderung des Artenreichtums auf lokaler Ebene zeigten, erwiesen sich als höchst kontrovers. Die Forschergruppe wollte daher einen Konsens darüber erzielen, wie sich die Biodiversität global verändert. Die Treffen der Wissenschaftler fanden im Synthesezentrum sDiv am Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) statt. „sDiv hat es geschafft, dass sich Menschen mit ganz verschiedenen Hintergründen zusammensetzen und eine gemeinsame Lösung finden“, meint Prof. Jonathan Chase, Leiter der Forschungsgruppe Biodiversitätssynthese bei iDiv und der MLU.
Die nun veröffentlichten Ergebnisse zeigen die geografischen Abweichungen in der Veränderung der biologischen Vielfalt: In allen Ökosystemen verändert sich die Artenzusammensetzung (Arten-Fluktuation). Besonders starke Veränderungen des Artenreichtums sowie der Artenzusammensetzung zeigen sich in den marinen Ökosystemen. Hier ist die maximale Fluktuation doppelt so hoch wie die auf dem Land. Dies liegt möglicherweise daran, dass marine Arten empfindlicher auf die globale Erwärmung reagieren.
In den marinen Tropen sind die Veränderungen der biologischen Vielfalt am stärksten – hier sind sowohl extreme Arten-Gewinne, -Verluste als auch -Fluktuationen zu verzeichnen. „Wenn sich an diesen Entwicklungen nichts ändert, könnte das zu einer dramatischen Umstrukturierung der biologischen Vielfalt führen. Das hätte möglicherweise weitreichende Konsequenzen für die Funktionsweise der Ökosysteme“, meint Erstautor Dr. Shane Blowes, der bei iDiv und der MLU forscht. Die Tropen beherbergen den Großteil der biologischen Vielfalt und gelten als die Region, in der die Biodiversität am stärksten gefährdet ist. Angesichts des Klimawandels gibt es wahrscheinlich wenige Arten, die jene ersetzen können, die in den Tropen verlorengehen.
„Wenn heute in den Nachrichten von Biodiversität die Rede ist, dann geht es meistens um die Waldbrände im Amazonas oder ein globales Artensterben in den Korallenriffen. Das ist natürlich auch richtig und solche Meldungen sind sehr besorgniserregend“, sagt Letztautorin Dr. Maria Dornelas von der Universität St. Andrews. „Aber mitunter erholen sich die Ökosysteme auch, oftmals im Verborgenen, und an vielen Orten passiert auch gar nichts.“ Die neue Studie zeigt, dass der Artenreichtum an einigen Orten abnimmt, an anderen zunimmt. Die Veränderung der Artenzusammensetzung ist jedoch ein flächendeckendes Phänomen. Herauszufinden, wo sich die Biodiversität verändert – und wie – ist wichtig, um Schutz- und Bewirtschaftungsstrategien entsprechend zu planen.
Das Wissen, wie und wo sich die biologische Vielfalt verändert, hilft uns, Prioritäten für den Naturschutz zu setzen – zu erkennen, welche Regionen besonderen Schutz brauchen und welche sich mit etwas Hilfe von selbst erholen. Doch auch wenn in diese Studie bereits eine große Datenmenge eingeflossen ist, so fehlt es in vielen Regionen wie der Tiefsee oder den Tropen noch an einem umfassenden Monitoring – der systematischen Erfassung von Biodiversität und ihrer Veränderung. Die Studie zeigt, wie wichtig es ist, die räumliche Abdeckung des Biodiversitäsmonitorings zu verbessern. Nur so können wir besser verstehen, wie sich die Biodiversität auf der ganzen Welt verändert, und nur so können wir wirksame Maßnahmen zu ihrem Schutz ergreifen.
Originalpublikation:
Shane A. Blowes und Sarah R. Supp, Laura H. Antão, Amanda Bates, Helge Bruelheide, Jonathan M. Chase, Faye Moyes, Anne Magurran, Brian McGill, Isla Myers-Smith, Marten Winter, Anne D. Bjorkman, Diana Bowler, Jarrett E.K. Byrnes, Andrew Gonzalez, Jes Hines, Forest Isbell, Holly Jones, Laetitia M. Navarro, Patrick Thompson, Mark Vellend, Conor Waldock, Maria Dornelas (2019), The geography of biodiversity change in marine and terrestrial assemblages. Science.
