06.01.2020, GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel
Wie geht es eigentlich Leierfisch, Petermännchen und Steinpicker?
Neue Bewertungsmethode zeigt erstmals Auswirkung der Fischerei auf Beifangarten
Eine neu entwickelte Methode zur Bewertung von datenarmen Fischbeständen hat ergeben, dass viele Beifangarten in den Weltmeeren weit unter den international vereinbarten Mindestniveaus liegen und dringend einer nachhaltigen Bewirtschaftung bedürfen. Die Studie eines internationalen Teams von Forschenden unter der Leitung des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel wurde kürzlich in der Fachzeitschrift ICES Journal of Marine Science veröffentlicht.
Weltweit geraten viele Fischbestände durch Überfischung, Erwärmung und Verschmutzung zunehmend unter Druck. Mit Hilfe von international abgestimmten Maßnahmen wie Fangmengenbeschränkungen und -verboten oder Ausweisung von Schutzgebieten wird seit einigen Jahren versucht, aktiv gegenzusteuern. Sind diese Maßnahmen ausreichend, um eine nachhaltige Nutzung der Fischbestände langfristig sicher zu stellen? Ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter Führung des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel und der „Sea Around Us“-Initiative an der Universität von British Columbia, Kanada hat nun eine neue, effiziente Prüfmethode entwickelt, um dies besser zu beurteilen. Sie kommen dabei zu dem Schluss, dass eine Reihe von unerwünschten aber regelmäßig beigefangenen Arten weitaus gefährdeter sind, als bisher angenommen.
Die Methode, bekannt als „Abundance Maximum Sustainable Yields“ oder AMSY, benötigt nur einen Bruchteil der sonst erforderlichen Daten zur Abschätzung der Bestandsgröße und des Befischungsgrades: die Größenverteilung der gefangenen Fische und die Fangmenge pro Tag oder Stunde reichen aus. „Unsere Methode verwendet Zufallsverfahren und hohen Rechenaufwand, um die Kombination von Bestandsgröße und Befischung zu finden, die am besten mit den verfügbaren Informationen kompatibel ist“, sagt Rainer Froese, Hauptautor der Studie vom GEOMAR. „Es gibt keine Entschuldigung mehr dafür, die Fischerei nicht so zu managen, dass gesunde Bestände gesunde Fänge produzieren“.
Gegenwärtig sind Größe und Befischungsgrad nur für etwa ein Viertel der weltweit befischten Bestände bekannt, vor allem weil die für die traditionellen Bestandsabschätzungsmethoden erforderlichen Daten fehlen. „Wir haben festgestellt, dass von 38 Beständen, die wir analysiert haben, 24 oder 63 Prozent überfischt werden“, sagte Dr. Froese. „Die meisten von ihnen, wie z.B. der Leierfisch, der Steinpicker oder das kleine Petermännchen, die als Beifang in der Nordsee vorkommen, wurden noch nie bewertet, weil es nicht möglich war, traditionelle Bestandsabschätzungen durchzuführen“.
Die neue „AMSY-Methode“ liefert auch erste Abschätzungen für viele, weltweit kommerziell genutzte Arten. Einige Länder wie Indien und China, die die Ozeane als eine wichtige Proteinquelle betrachten, setzen den AMSY-Ansatz bereits um. Laut Daniel Pauly, dem leitenden Wissenschaftler bei „Sea Around Us“, werde der Fischereisektor dieser Länder von den neuen Analysen sehr profitieren, weil die neuen Methode eine einfache, aber strenge Bewertung der Fischerei ermögliche und gewissenmaßen eine Revolution in der Fischereiwissenschaft darstelle.
Originalpublikation:
Froese, R. H. Winker, G, Coro, N. Demirel, A. C. Tsikliras, D. Dimarchopoulou, G. Scarcella, M. Lourdes D. Palomares, M. Dureuil, and D. Pauly, 2019: Estimating stock status from relative abundance and resilience. ICES Journal of Marine Science, fsz230, https://doi.org/10.1093/icesjms/fsz230
07.01.2020, Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen
Von der Vergangenheit eingeholt: Landnutzung hat langfristige Auswirkung auf biologische Vielfalt
Die Vergangenheit lässt die Biodiversität in Agrarlandschaften nicht los – das zeigt eine aktuelle Studie von Wissenschaftler*innen des Senckenberg Biodiversität und Klima Forschungszentrums in „Proceedings of the National Academy of Sciences”. Anhand einer Agrarlandschaft in Südwest-Frankreich belegte das Team, dass eine Zwischennutzung von Wiesen und Weiden als Acker auch nach 20 Jahren die Eigenschaften zur Bewegung und Nahrungssuche innerhalb einzelner Artengemeinschaften auf heutigen Wiesen und Weiden homogenisiert. Bestehende Wiesen und Weiden in Agrarlandschaften sollten daher langfristig erhalten werden, um Arten eine Zuflucht zu bieten, die durch Umbruch in Äcker verloren gehen.
In den vergangenen zwanzig Jahren sind die Wiesen- und Weideflächen in Europa dramatisch geschrumpft; vielfach wurden aus ihnen Ackerflächen gemacht. Das Val-de-Sèvre im Südwesten Frankreichs ist hierfür ein typisches Beispiel: Heute gibt es dort 30 Prozent weniger Grünlandflächen als noch in 1994. Wie Wissenschaftler*innen des Senckenberg Biodiversität und Klima Forschungszentrum herausgefunden haben, beeinflusst eine solche, wechselnde Landnutzung in Agrarlandschaften langfristig – also bis heute – die Bandbreite der Eigenschaften der dort anzutreffenden Arten.
“Wir wissen bisher nur wenig über das Verhältnis zwischen der Landnutzung in der Vergangenheit und der heutigen biologischen Vielfalt in Agrarlandschaften. Die Forschung hat bereits gezeigt, dass biologische Vielfalt in der Agrarlandschaft maßgeblich durch die heutige Bewirtschaftung und den Anteil naturnaher Landnutzung beeinflusst wird. Wir konnten nun zeigen, dass die Landnutzung in der Vergangenheit mindestens einen genauso so großen Einfluss hat“, so die Leiterin der Studie, Dr. Gaëtane Le Provost, Wissenschaftlerin am Senckenberg Biodiversität und Klima Forschungszentrum in Frankfurt.
Le Provost und ihr Team untersuchten 75 Wiesen- und Weidenflächen im Val-de-Sèvre für die detaillierte Angaben zur Landnutzung zwischen 1994 und 2014 verfügbar waren. Daraus leitete das Team ab, wie lange naheliegende Flächen bereits Ackerland gewesen sind, wie lange die Wiese oder Weide bereits besteht und wie oft die Fläche zwischen den Nutzungsarten Acker oder Wiese und Weide gewechselt hat. Zusätzlich erhoben die Forschenden, welche Pflanzen, Wildbienen, Schwebfliegen, Grashüpfer, Laufkäfer, Spinnen und Vogelarten auf den Flächen im Jahr 2014 zu finden waren.
“Auf den von uns untersuchten Wiesen und Weiden sind Artengemeinschaften der Flächen, die lange als Äcker genutzt wurden und in deren Umgebung es kein Dauergrünland gibt, hinsichtlich ihrer funktionalen Eigenschaften deutlich homogener. Es gibt auf diesen Flächen also heute nicht zwangsläufig weniger Arten, sondern die Arten gleichen sich funktional sehr, insbesondere was ihre Strategien zur Bewegung und Nahrungssuche angeht. Wenn Wiesen in Äcker umgewandelt werden, verschwinden langfristig die Spezialisten unter den Arten – man kann daher sagen, dass eine veränderte Landnutzung eine Aussterbeschuld trägt, die oft erst nach vielen Jahren sichtbar wird”, sagt der Ko-Autor der Studie, Dr. Peter Manning, Nachwuchsgruppenleiter am Senckenberg Biodiversität und Klima Forschungszentrum.
Dass der Umbruch in Ackerland die Artengemeinschaft homogener macht, bringt eine Reihe von Risiken mit sich. Eine Agrarlandschaft ist dadurch schlechter in der Lage, Schädlinge ohne Hilfe einzudämmen oder den Verlust einzelner Arten abzupuffern. Das Team fand auch heraus, dass die Landnutzung in der Vergangenheit besonders für Arten am unteren Ende der Nahrungskette, wie die in der Studie untersuchten Grashüpfer, Bienen und Schwebfliegen, relevant ist. Ihre Sorge ist daher, dass eine verzögerte Reaktion auf die veränderte Landnutzung am oberen Ende zu einer zeitlichen Diskrepanz zwischen interagierenden Ebenen der Nahrungskette führen könnte.
Den Autor*innen nach liegt im Rückblick zugleich der Schlüssel zur Zukunft. „Eine Erkenntnis der Studie lautet: Wenn in Agrarlandschaften ausreichend Dauergrünland in Form von Wiesen und Weiden vorhanden sind, mildert dies den Verlust von Arten, die nur bedingt mobil sind und spezielle Nahrungsvorlieben haben, ab. Dauergrünland bietet diesen Arten nämlich Zuflucht. Daher sollte es alleroberste Priorität haben, die noch bestehenden Wiesen und Weiden in ländlichen Räumen zu schützen. Davon profitiert das gesamte Agrarökosystem“ schließt Le Provost.
Originalpublikation:
Le Provost, G., Badenhausser, I., Le Bagousse-Pinguet, Y. et al. (2020): Land-use history impacts functional diversity across multiple trophic groups. PNAS, doi: 10.1073/pnas.1910023117
07.01.2020, Georg-August-Universität Göttingen
Fahrplan gegen das Insektensterben: Forschungsteam mit Göttinger Beteiligung stellt Maßnahmen vor
Immer mehr Studien zeigen, dass die Anzahl von Insekten und deren Artenvielfalt weltweit abnimmt. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung des Niederländischen Instituts für Ökologie und mit Beteiligung der Universität Göttingen hat einen Fahrplan zum Insektenschutz entwickelt. Der Fahrplan umfasst Sofortmaßnahmen sowie langfristige Finanzierungspartnerschaften und globale Monitoringprogramme, die dazu beitragen können, das Insektensterben aufzuhalten, indem sie deren Lebensräume schützen. Die Studie ist in der Fachzeitschrift Nature Ecology & Evolution erschienen.
„Insekten übernehmen in natürlichen und landwirtschaftlich geprägten Ökosystemen zentrale Funktionen, wie beispielsweise Zersetzungsprozesse im Boden, die für die Bereitstellung von Nährstoffen von großer Bedeutung sind. Die landwirtschaftliche Produktion profitiert zudem von Ökosystemleistungen der Insekten, dazu zählen die natürliche Schädlingskontrolle und Bestäubung“, sagt die Göttinger Agrarwissenschaftlerin Prof. Dr. Catrin Westphal. Um die vielfältigen Ursachen des Insektensterbens besser zu verstehen und Maßnahmen gezielt einzusetzen, schlagen die Forscherinnen und Forscher aus 21 Ländern ein zeitlich abgestuftes Vorgehen vor.
„Zu den Sofortmaßnahmen gehören Schutzkonzepte für bedrohte Arten, aber auch Agrarumwelt- und Naturschutzprogramme, um Lebensräume und strukturreichen Landschaften zu fördern und wiederherzustellen“, betont der Göttinger Agarökologe Prof. Dr. Teja Tscharntke. Mittelfristig sind Forschungsprogramme nötig, die vorhandene Daten zusammentragen und die komplexen Wechselwirkungen der verschiedenen Ursachen des Insektensterbens mit innovativen Ansätzen untersuchen. Dabei sollen auch durch Menschen entstandene Ursachen wie z.B. Klimawandel und intensivere Landnutzung in den Blick genommen werden. Öffentlich-private Partnerschaften und nachhaltige Finanzierungsinitiativen können dazu beitragen, Lebensräume für Insekten zu schaffen, wiederherzustellen und langfristig zu sichern. Der Erfolg dieser Maßnahmen soll global mit standardisierten Methoden überprüft werden.
„Da das Insektensterben die Funktionsfähigkeit unserer Ökosysteme beeinträchtigen kann, dürfen Maßnahmen zum Insektenschutz nicht weiter aufgeschoben werden. Der vorgeschlagene Fahrplan sollte auch im deutschen Aktionsprogramm Insektenschutz berücksichtigt und von Interessensgruppen wie Politik, Landwirtschaft, Naturschutz, Gesellschaft und Wissenschaft umgesetzt werden“, schlussfolgern Tscharntke und Westphal.
Originalpublikation:
Jeffrey A. Harvey et al. International scientists formulate a roadmap for insect conservation and recovery. Nature Ecology & Evolution (2020). DOI: http://dx.doi.org/10.1038/s41559-019-1079-8
08.01.2020, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau
Die Ruhe der Rehe
Forschende untersuchen, wie sich das Verhalten der Wildtiere durch den Einfluss von Luchsen und Menschen verändert
„Der Mensch kann das Verhalten von Wildtieren und sogar deren Tag-und-Nachtrhythmus stark beeinflussen“, sagt Naturschutzbiologe Privatdozent Dr. Marco Heurich von der Universität Freiburg. Ein Team um Nadège C. Bonnot vom französischen Nationalen Forschungsinstitut für Wissenschaft und Technologie für Umwelt und Landwirtschaft (INRAE) hat nun untersucht, wie sich die gezielte Wiederansiedlung von Luchsen in ganz Europa auf das Verhalten von Rehen, den Hauptbeutetieren von Luchsen, auswirkt und welche Rolle menschliche Aktivitäten bei den Veränderungen spielen. Ihre Ergebnisse haben Bonnot, Heurich und die weiteren beteiligten Forschenden in der Fachzeitschrift „Journal of Animal Ecology“ veröffentlicht.
Der Luchs ist ein nachtaktives Raubtier. Durch menschliche Störungen wie die Jagd verlagere sich auch das Aktivitätsmuster von Huftieren vermehrt auf die Nacht oder Morgendämmerung, so die der Studie vorausgegangene Annahme der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Als Grundlage dienten ihnen elf Millionen Bewegungsaufzeichnungen von knapp 430 einzeln mit GPS überwachten Rehen, die in zwölf Populationen innerhalb der im EURODEER-Netzwerk verzeichneten Regionen leben. Anhand dieser Daten untersuchten die Forschenden, wie sich das Verhalten des Luchses in Kombination mit menschlichen Einflüssen auf die Tageszeit, zu der Rehe aktiv sind, auswirkt.
Dabei stellten die Wissenschaftler fest, dass ausgeprägte Veränderungen in den Aktivitätsmustern von Rehen als Reaktion auf räumlich-zeitliche Risikoschwankungen eintreten, die hauptsächlich auf menschliche Störungen zurückzuführen sind. Rehe verringerten ihre Bewegungen bei Tageslicht um den Faktor 1,37, wenn die allgemeinen menschlichen Störungen, wie durch Siedlungen oder Straßenverkehr, gleichbleibend hoch waren. Die Bejagung verschärfte diesen Effekt: Während der Jagdsaison stellten Rehe den größten Teil ihrer Aktivität auf die Nacht und in geringerem Maße auf die Morgendämmerung um, um den Menschen tagsüber auszuweichen. In Regionen mit Luchsen jedoch zeigte sich ein anderes Aktivitätsmuster: In Anwesenheit ihres nachtaktiven Feinds blieben Rehe eher tagaktiv. Die Studie zeigt damit, dass der Einfluss der jagenden Menschen deutlich stärker ist als jener der Luchse.
Originalpublikation:
Bonnot, N. C., Couriot, O., Berger, A., Cagnacci, F., Ciuti, S., De Groeve, J., Gehr, B., Heurich, M., Kjellander, P., Kröschel, M., Morellet, N., Soennichsen, M., Hewison, A.M.J. (2019): Fear of the dark? Contrasting impacts of humans versus lynx on diel activity of roe deer across Europe. In: Journal of Animal Ecology. DOI: 10.1111/1365-2656.13161
08.01.2020 ,Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen
Fossiler Krokodilverwandter entdeckt
Tübinger Senckenberg-Wissenschaftler haben eine neue fossile Gruppe innerhalb der Krokodilverwandten entdeckt. Anhand von knapp 30 Fossilfunden aus der eozänen Fundstelle Na Duong in Vietnam konnten die Forschenden den neuen Abstammungszweig beschreiben. Die zwischen 39 und 35 Millionen Jahre alten Fossilien geben zudem Auskunft über die Verbreitung der damaligen Krokodilverwandtschaft. Die Studie erschien kürzlich im Fachjournal „PeerJ “.
Die bis zu sechs Meter langen Mississippi-Alligatoren und die südamerikanischen Kaimane gelten als typische heutige Vertreter der Gruppe der Alligatoroidea – einer Überfamilie innerhalb der Krokodile. Diese Krokodilverwandten haben ihren Ursprung in der späten Kreidezeit und breiteten sich von Nordamerika nach Europa, Asien und Südamerika aus.
„Die genauen Verwandtschaftsverhältnisse der Alligatoroidea untereinander sind aber bislang nicht eindeutig geklärt“, erklärt Tobias Massonne vom Senckenberg Centre for Human Evolution and Palaeoenvironment an der Universität Tübingen und fährt fort: „Wir konnten nun eine neue fossile Gruppe der Alligatoroidea bestimmen und damit dem ‚Familienpuzzle’ ein weiteres Teil hinzufügen.“
Insgesamt 29 gut erhaltene Schädelfossilien grub das Team unter der Leitung von Prof. Dr. Madelaine Böhme während Grabungskampagnen in den Jahren 2009 und 2012 im „asiatischen Messel“ aus, einer fossilienreichen Fundstelle im nördlichen Vietnam. „Die Kombination verschiedener morphologischer Merkmale, wie beispielsweise ein vergrößerter fünfter Zahn im Oberkiefer der Tiere oder Knochenwülste entlang des Nasenbeins, lässt uns darauf schließen, dass die Fossilien zu einer bislang unbekannten Gruppe aus der Zeit des Eozäns vor 39 bis 35 Millionen Jahren gehören“, so Massonne.
Die neuentdeckte Gruppe Orientalosuchina gelangte laut der Studie bereits in der späten Kreidezeit nach Asien und breitete sich dort aus. „Wir gehen daher von mindestens zwei getrennten Ausbreitungsereignissen der Reptilien von Nordamerika nach Asien aus. Die bereits bekannte und noch heute lebende Linie Alligator sinensis kam erst später, während des Känozoikums (vermutlich vor etwa 20 Millionen Jahren), auf den asiatischen Kontinent“, resümiert Massonne.
Originalpublikation:
Massonne T, Vasilyan D, Rabi M, Böhme M. 2019. A new alligatoroid from the Eocene of Vietnam highlights an
extinct Asian clade independent from extant Alligator sinensis. PeerJ 7:e7562 DOI 10.7717/peerj.7562
09.01.2020, Deutsche Wildtier Stiftung
Gekommen, um zu bleiben
Deutsche Wildtier Stiftung: Der milde Januar bietet gefiederten Wintergästen aus dem Hohen Norden optimale Bedingungen
Der Besuch ist da! Endlich wieder was los in Feld und Flur. Während die Pflanzen jetzt im Winterschlaf liegen und Botaniker vor dem Kamin die Bücher studieren, sind viele Ornithologen mit dem Fernglas bewaffnet draußen in der Natur unterwegs. „Mittlerweile sind jede Menge Wintergäste eingetroffen – ein echtes Highlight für alle Vogelfreunde“, sagt Michael Tetzlaff von der Deutschen Wildtier Stiftung.
In Tetzlaffs Streifgebiet, dem Wildtierland in Klepelshagen in Mecklenburg-Vorpommern, wurden die ersten bunten Seidenschwänze schon in der ersten Januarwoche gesichtet. Nun lautet die spannende Frage: Werden es bis Februar noch mehr werden? Wild und verwegen ihr Anblick mit Federhaube, Stirnband und Augenstreif! Die „schöne Bande“ kommt in Trupps angeflogen. Erwartungsvoll sitzt sie nun mit aufgeplusterten Federn in den Zweigen der Bäume und Sträucher und hält Ausschau nach den letzten Beeren, die die Natur für sie bereithält. Vor allem Mistel- und Ebereschenbeeren sowie die Früchte von Schneeball, Hundsrose und Liguster sind ein Schmaus für die Weichfutterer aus der russischen Taiga. „Ans Futterhaus kommt diese Vogelart leider nur selten“, sagt Tetzlaff. „Wer sie anlocken möchte, kann es aber mit getrockneten Beeren oder Äpfeln versuchen“, rät er.
Noch mehr Vögel aus Sibirien sind jetzt gern bei uns zu Gast. Im Naturschutzgebiet Galenbecker See und in der angrenzenden Friedländer Großen Wiese, beides nahe des Stiftungsgutes der Deutschen Wildtier Stiftung gelegen, nutzen sibirische Singschwäne – etwas kleiner als der hierzulande heimische Höckerschwan – das hier noch reichhaltige Nahrungsangebot. „Der bisher sehr milde Winter bietet den Wintergästen und auch Hiergebliebenen optimale Bedingungen“, berichtet Michael Tetzlaff. „3.150 nordische Gänse, 1.175 Kraniche und über 400 Singschwäne: das ist das Ergebnis der letzten Schlafplatzzählung. So viele Durchzügler hatten wir im Januar hier noch nie.“ Die Vögel versuchen so viel Energie wie möglich zu sparen. Der Weiterflug in südlichere Gebiete wird daher so lange wie möglich vermieden.
Welche Gäste aus dem hohen Norden erwarten die Ornithologen im Winter 2020 noch? Raufußbussarde, Kornweihen und Raubwürger aus Skandinavien nutzen das hiesige Vorkommen von Mäusen. In ihrer Brutheimat wären diese jetzt unter einer dicken Schneedecke verborgen und für die Vögel nur schwer zu erreichen. Nordische Wacholderdrosseln fallen jetzt über das Fallobst in unseren Gärten her. Mit den hier ebenfalls überwinternden und verwandten Rotdrosseln lassen sie sich aber auch die Beeren unserer heimischen Sträucher schmecken, können daher auch gut mit Rosinen und getrockneten Beeren an eine Futterstelle im heimischen Garten gelockt werden. Rotbehelmte Taigabirken- und grüngelb gefärbte Erlenzeisige werden ebenfalls von den Ornithologen schon sehnsüchtig erwartet! Sie sind auf die Samen der frühblühenden Bäume wie Erle und Birke aus.
09.01.2020, Max-Planck-Institut für Neurobiologie
Alles relativ: Wie Fliegen die Welt sehen
Unser Sehsystem ist extrem gut im Erkennen von Objekten unter den verschiedensten Bedingungen. Wir nehmen beispielsweise Fußgänger am Straßenrand bei strahlendem Sonnenschein ebenso wie an bewölkten Tagen wahr und können ihre Bewegungsrichtung vor einer Hauswand genauso wie vor dem Getümmel an einer Bushaltestelle erkennen. Was Auge und Gehirn scheinbar mit Leichtigkeit tun, ist eine große Herausforderung für automatisierte Systeme mit computergestützter Bildverarbeitung. Max-Planck Neurobiologen haben nun herausgefunden, wie das Fliegenhirn dieses Problem angeht: Die Nervenzellen verändern ihre Empfindlichkeit konstant in Abhängigkeit vom aktuellen Umgebungskontrast.
Ein Fliegenhirn besitzt rund 100.000 Nervenzellen, wovon zirka 25.000 Zellen am Bewegungssehen beteiligt sind. Im Vergleich zu Wirbeltiergehirnen ist das überschaubar, doch trotzdem gibt es viele Parallelen zwischen dem Sehsystem von Fliegen und zum Beispiel Mäusen. Der Vorteil der Fliege ist jedoch, dass Neurobiologen das System Zelle für Zelle entschlüsseln können.
Doch worauf reagieren einzelne Nervenzellen im Fliegenhirn? Um das zu untersuchen haben Forscher aus der Abteilung von Alexander Borst am Max-Planck-Institut für Neurobiologie ein Panoramakino für Fruchtfliegen gebaut. Während hier „Filme“ laufen, nehmen die Neurobiologen die Aktivität der Nervenzellen im Gehirn der Fliegen auf. Dank solcher Untersuchungen ist das Bewegungssehen von Fliegen heute einer der am besten verstandenen Nervenzellschaltkreise auf zellulärer Ebene.
Trotzdem versagten Computermodelle des Fliegen-Bewegungssehens bisher, sobald die Forscher den Modellen statt künstlicher Streifenmuster fotorealistische Bilder von natürlichen Umgebungen zeigten. Natürliche Bilder bestehen aus vielen unterschiedlichen Objekten, die in Helligkeit und Kontrast stark variieren können. Diese natürliche Komplexität stellt Computermodelle vor große Herausforderungen.
Um besser zu verstehen, wie das Fliegenhirn es dem Tier ermöglicht sich auch in komplexen natürlichen Umgebungen zurechtzufinden, haben Michael Drews und Aljoscha Leonhardt ein Großaufgebot moderner neurobiologischer Methoden eingesetzt: Von der Elektrophysiologie über bildgebende Verfahren und Verhaltensstudien bis hin zur Modellanalyse mit Künstlicher Intelligenz.
Informationsverarbeitung ist Teamwork
In einem wichtigen Teil ihrer Untersuchungen ließen die Forscher unterschiedlich kontrastreiche Landschaftsbilder um die Fliegen rotieren. Dank eines angeborenen Verhaltens reagieren die Fliegen auf den optischen Fluss der Bilder mit einer Drehbewegung in entsprechender Richtung und Geschwindigkeit. „Die Fliegen haben uns durch ihr Drehverhalten daher direkt gezeigt, ob sie die Bewegung und Geschwindigkeit der Umgebungsbilder noch auflösen können“, erklärt Drews. „So konnten wir untersuchen, welche Nervenzellen wie auf die verschiedenen Kontrastverhältnisse reagieren.“
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass das Fliegenhirn gleich zu Beginn der Lichtreiz-Verarbeitung eine Feedbackschleife zum Kontrastvergleich eingebaut hat. Nimmt eine Nervenzelle einen hohen Kontrast wahr, vergleicht sie diesen Wert zunächst mit dem ihrer Nachbarzellen. Ist der Umgebungskontrast im Vergleich gering, antwortet die Nervenzelle stark. Ist der Umgebungskontrast dagegen größer, so schwächt die Zelle ihre Antwort ab.
Kontrast wird im Sehsystem der Fliege also immer nur relativ zum Umgebungskontrast kodiert. „Durch diesen Mechanismus passt das Sehsystem seine Kontrastempfindlichkeit ständig an den gegebenen Umgebungskontrast an,“ erklärt Leonhardt. „So entsteht eine robuste Informationsübertragung, die unter beinahe allen Bedingungen gleich gut funktioniert.“
Künstliche Intelligenz lernt Sehen
Um die Funktion des neuen Schaltkreises zu überprüfen, haben die Forscher das Sehsystem im Computermodell nachgebaut – einmal mit und einmal ohne die Feedbackschleife. Tatsächlich konnten künstliche neuronale Netzwerke, die mit dem erweiterten Schaltkreis „Sehen“ gelernt haben, deutlich besser reagieren, als mit dem einfachen Schaltkreis trainierte Netzwerke. Entscheidend dabei: Der erweiterte Schaltkreis kommt auch mit natürlichen Umgebungsbildern gut klar.
Die Wissenschaftler haben somit in der Fliege einen sehr einfachen aber effektiven Algorithmus gefunden, der Bewegungen auch bei variierenden Kontrastverhältnissen berechnen kann. Ähnliche Verschaltungen werden zu Beispiel auch im Gehirn von Mäusen vermutet. So kann die Fliege uns helfen, die Gehirne anderer Tiere besser zu verstehen oder künstliche und computergestützte Sehsysteme vielleicht noch effizienter zu machen.
Originalpublikation:
Michael S. Drews*, Aljoscha Leonhardt*, Nadezhda Pirogova, Florian G. Richter, Anna Schuetzenberger, Lukas Braun, Etienne Serbe, Alexander Borst (*equal contribution)
Dynamic signal compression for robust motion vision in flies
Current Biology, online am 09 Januar 2019
DOI: 0.1016/j.cub.2019.10.035
09.01.2020, Max-Planck-Institut für Ornithologie
Hilfsbereite und tolerante Papageien
Dr. Sabine Spehn Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Papageien sind außerordentlich intelligent. So konnte der Graupapagei Alex, der mit rund 500 Wörtern kommunizierte, Fragen beantworten und spontan Objekte klassifizieren. Forscherinnen der Außenstelle Teneriffa des Max-Planck-Instituts für Ornithologie in Seewiesen haben nun nachgewiesen, dass sie auch ein hohes Maß sozialer Intelligenz und Hilfsbereitschaft aufweisen. Die Vögel helfen Artgenossen, selbst wenn sie keine sofortige Gegenleistung für ihre Hilfe erhalten. Darüber hinaus erwidern sie Gefallen und reagieren nicht mit Neid, wenn Artgenossen eine größere Belohnung erhalten als sie selbst. Geistig sind Papageien damit auf dem Niveau von Rabenvögeln, Delfinen und Primaten.
Im Labor der Außenstelle auf Teneriffa bekommt das Graupapageien-Weibchen Bella in ihrer Plexiglas-Kammer ein paar Metallmarken zugeschoben. Sie hat gelernt: Sie kann die Wertmarken mit einer der Forscherinnen tauschen – und so eine leckere Futterration einheimsen. Es gibt nur ein Problem: Das Loch in ihrer Plexiglaskammer, durch das der Tauschhandel stattfindet, wurde versperrt.
In der direkt benachbarten Testkammer allerdings wartet ihre Freundin Kimmi. Ihre Öffnung für den Austausch Marke gegen Futter ist offen. Aber Bella sieht, dass Kimmi keine Wertmarken bekommt. Was wird sie tun?
Tatsächlich nimmt die Papageien-Dame Wertmarke für Wertmarke in den Schnabel und reicht sie Kimmi durch eine Öffnung zwischen beiden Kammern. Diese nimmt die Gaben sichtbar gerne an und verliert keine Zeit, sie gegen eine Nascherei einzutauschen. Gelassen beobachtet Bella, wie Kimmi von ihrer Großzügigkeit profitiert – ohne zu wissen, dass sie sich später vielleicht revanchieren kann.
Hilfe für Artgenossen
Nach bisherigen wissenschaftlichen Erkenntnissen verhalten sich neben dem Menschen nur Menschenaffen in vergleichbaren Situationen so scheinbar selbstlos. Alle anderen bislang getesteten Tiere achten nicht darauf, wie es ihren Artgenossen ergeht. Sie verhalten sich scheinbar gleichgültig oder handeln sogar eigensüchtig. „Unsere Papageien dagegen haben begriffen, dass ein anderes Individuum Hilfe braucht, um ein Ziel zu erreichen“, sagt Désirée Brucks, Erstautorin einer der Studie. War jedoch die Tauschöffnung von Kimmi ebenfalls versperrt, sparte Bella sich die Mühe und reichte keine Wertmarken hinüber. Die Graupapageien erkennen also, wann ein Artgenosse von ihrer Hilfe profitieren kann und wann nicht.
In einer zweiten Studie haben die Papageien die Fähigkeit bewiesen, auf das Wohl anderer zu achten. Außerdem können sie nach der Devise „Wie Du mir, so ich Dir“ handeln, beides wichtige Grundlagen für kooperatives Verhalten. Im Versuch mussten sich die Vögel zwischen einer Wertmarke entscheiden, die nur ihnen selbst zugutekommt, und einer Marke, die auch dem Nachbar Futter sichert. „Am Anfang trafen die Papageien ihre Wahl noch zufällig, ohne auf das Wohl des Nachbarn zu achten“, erklärt Anastasia Krasheninnikova, Erstautorin dieser Studie. „Sobald sie aber abwechselnd mit Ihrem Partner getestet wurden, lernten sie schnell die Wertmarken auszuwählen, von der auch jeweils der Andere profitierte.“
Kein Neid bei Benachteiligung
Darüber hinaus haben die Forscherinnen in einer weiteren Studie herausgefunden, dass Papageien offenbar nicht neidisch sind, wenn ein Artgenosse für die gleiche Leistung höher belohnt wird oder wenn er für die gleiche Belohnung weniger hart arbeiten muss. „Das kam überraschend, denn eigentlich gilt ein „Sinn für Fairness“ als Voraussetzung dafür, dass in der Evolution Zusammenarbeit entstehen kann“, sagt Auguste von Bayern, die am Max-Planck-Institut die Arbeitsgruppe Vergleichende Kognitionsforschung leitet. Wenn man tatsächlich merkt, wenn man benachteiligt wird, kann man Trittbrettfahrer entlarven und sich neue, fairere Partner suchen.
Primaten beispielsweise nehmen eine solche Ungleichbehandlung nicht klaglos hin. Papageien hingegen bleiben gelassen. Möglicherweise liegt das daran, dass sie in der Regel ein Leben lang mit einem Partner zusammenleben, während Primaten viele Partner gleichzeitig haben und sie außerdem schnell und häufig wechseln. „Wenn man so eng mit seinem Partner verbunden ist wie die Papageien, kommt es nicht darauf an, ob der andere einmal besser davonkommt. Was zählt, ist auf Dauer gemeinsam viel mehr zu erreichen als allein, und gemeinsam Junge aufzuziehen. Deshalb sind Papageien wahrscheinlich toleranter gegenüber Ungleichheit als nicht monogame Arten“, erklärt Auguste von Bayern.
Originalpublikation:
Désirée Brucks & Auguste von Bayern: Parrots voluntarily help each other to obtain food rewards.
Current Biology; 09 January, 2020
Anastasia Krasheninnikova, Désirée Brucks, Sigrid Blanc and Auguste M. P. von Bayern: Assessing African grey parrots‘ prosocial tendencies in a token choice paradigm.
R. Soc. open sci.; 11 Dec, 2019
Anastasia Krasheninnikova, Désirée Brucks, Nina Buffenoir, Dániel Rivas Blanco, Delphine Soulet & Auguste von Bayern: Parrots do not show inequity aversion.
Scientific Reports; 11 November, 2019
10.01.2020, Max-Planck-Institut für Ornithologie
Wenn du zwitscherst, bin ich still: Wie Neuronen abwechselndes Rufen bei Zebrafinken steuern
Zebrafinken wechseln sich beim Kommunizieren ab, ganz ähnlich wie Menschen das auch im Gespräch tun. Forscher*innen vom Max-Planck-Institut für Ornithologie in Seewiesen haben nun herausgefunden, was dabei im Vogelgehirn vorgeht. Sie konnten sowohl die Nervenzellen identifizieren, die am Auslösen eines Rufes beteiligt sind, als auch jene, die vor einem Ruf die Aktivität ihrer Nachbarzellen hemmen und damit kontrollieren, wann gerufen wird. Eine Störung der Aktivität beider Nervenzelltypen führte jeweils zu einer deutlichen Beeinträchtigung der Kommunikation.
„Ich bin ich und du bist du. Wenn ich rede, hörst du zu. Wenn du redest, bin ich still, weil ich dich verstehen will.“ Diese grundlegende Regel der Kommunikation lernen wir bereits im Kindergartenalter und halten daher die Fähigkeit, sich mit dem Gegenüber beim Sprechen abzuwechseln, für selbstverständlich. Diese Leistung erfordert jedoch aktive Zurückhaltung und die Verzögerung einer Antwort, bis die andere Person mit dem Sprechen aufhört. In anderen Worten: Was man hört, beeinflusst nicht nur, was man sagt, sondern auch, wann man es sagt.
Andere Tiere haben ebenfalls die Fähigkeit, Lautäußerungen koordiniert auszutauschen, die zugrundeliegenden neuronalen Mechanismen hierfür waren jedoch bislang noch nicht bekannt. Sowohl Menschen als auch Singvögel besitzen spezialisierte neuronale Schaltkreise, die für das Hören verantwortliche Gehirnareale mit den Sprachzentren verbinden. Somit ist denkbar, dass es auch Parallelen bei der Sprachsteuerung gibt, welche die Kommunikation koordiniert und so ein gegenseitiges Unterbrechen vermeidet.
Jonathan Benichov und Daniela Vallentin vom Max-Planck-Institut für Ornithologie haben diese Theorie nun an Zebrafinken, kleinen australischen Singvögeln, untersucht. Den arttypischen Gesang lernen nur die Männchen, allerdings nutzen sowohl Männchen als auch Weibchen einfache, angeborene Rufe um sich in der Gruppe zu verständigen. Dieses Verhalten konnten die Wissenschaftler*innen nutzten, um die neuronalen Grundlagen der Sprachsteuerung zu erforschen.
Bei Singvögeln ist vor allem eine Gehirnregion namens HVC für das Erlernen und die Produktion von Lautäußerungen wichtig. „Wir haben daher vermutet, dass wir in diesem sogenannten Gesangskontrollzentrum nach der Erklärung dafür suchen müssen, wie das abwechselnde Rufen koordiniert wird“, sagt Jonathan Benichov, Erstautor der Studie. So agiert diese Gehirnregion zum Beispiel wie ein Metronom, um das Tempo der aufwändigen Balzgesänge der Männchen zu kontrollieren.
Benichov und Vallentin konnten nun nachweisen, dass die Neuronen in dieser Gehirnregion auch eine wichtige Rolle spielen bei der zeitlichen Koordination der für das soziale Zusammenleben wichtigen angeborenen Rufe. In diesem Fall kann man sich die Gehirnregion in etwa wie eine Ampel vorstellen, die festlegt, wann gerufen wird und wann damit gewartet werden muss.
Mit Hilfe winziger Elektroden, etwa 50 Mal dünner als ein menschliches Haar, sowie am Kopf angebrachter Miniatursender konnten die Wissenschaftler*innen die Aktivität einzelner an diesem Prozess beteiligter Nervenzellen messen, ohne das natürliche Verhalten der Tiere zu beeinflussen. So konnten Vorgänge im Gehirn der sich in der Gruppe frei bewegenden Tiere während der Kommunikation mit echten Partnern sowie auch die Reaktion auf vorgespielte Rufe anderer Artgenossen aufgezeichnet und ausgewertet werden.
Einige Nervenzellen wurden bereits wenige Millisekunden vor der eigentlichen Lautäußerung eines Tieres aktiv, ein Hinweis dafür, dass diese Neuronen am Auslösen der Rufe beteiligt waren. Darüber hinaus fanden die Forscher*innen andere Nervenzelltypen, die ihre Aktivität schon früher als die anderen Zellen vor der Lautäußerung steigerten. „Deshalb haben wir auch diesen anderen Zelltyp untersucht, dessen Aufgabe es ist, Nachbarzellen ruhigzustellen“, erklärt Daniela Vallentin, Leiterin der Forschungsgruppe “Neuronale Grundlagen vokaler Kommunikation“. Dabei stellte sich heraus, dass diese hemmenden Zellen ihre Signale bereits vor den Neuronen, die die Rufe letztendlich auslösen, senden. Sie könnten somit also kontrollieren, wann genau das rufauslösende Signal gesendet wird und das Tier zu rufen beginnt; beziehungsweise beginnt, auf Rufe zu reagieren.
Um diese Annahme zu überprüfen, wurden die Signale dieser hemmenden Zellen von den Wissenschaftler*innen chemisch blockiert. Die für das Auslösen der Rufe verantwortlichen Nachbarzellen produzierten daraufhin früher stärkere Signale, was zu einer ungewöhnlich schnellen Reaktion dieser Vögel auf ihre Partner und sogar zum unbeabsichtigten „Dazwischen-Zwitschern“ führte.
Originalpublikation:
Jonathan I. Benichov, Daniela Vallentin (2020). Inhibition within a premotor circuit controls the timing of vocal turn-taking in zebra finches. Nature Communications, veröffentlicht am 10.01.2020 (DOI: 10.1038/s41467-019-13938-0)
