28.03.2022, Deutsches Primatenzentrum GmbH – Leibniz-Institut für Primatenforschung
Töne zum Anfassen
Weißbüschelaffen lösen Hörtests am Touchscreen
Nach Schätzungen der Weltgesundheitsorganisation (WHO) sind mehr als fünf Prozent der Weltbevölkerung von Schwerhörigkeit und Taubheit betroffen, die meist durch den Verlust von Haarzellen im Ohr verursacht werden. Für die künftige Behandlung setzen Forschende auf Optogenetik, eine gentechnische Methode, mit der sie die Hörnervenzellen der Betroffenen lichtempfindlich machen wollen. Die am Göttingen Campus entwickelten optischen Cochlea-Implantate, die die Schallwellen in Licht anstatt in Strom umwandeln, könnten ein deutlich differenzierteres Lautspektrum vermitteln und so einen Höreindruck ermöglichen, der dem natürlichen Hören sehr viel näher kommt als dies bei bisherigen Cochlea-Implantaten der Fall ist. Vor der klinischen Erprobung in Patienten ist allerdings der Test im Tierversuch, auch mit Affen, nötig. Ein Forscherteam unter der Leitung von Marcus Jeschke am Deutschen Primatenzentrum – Leibniz-Institut für Primatenforschung (DPZ) und am Institut für Auditorische Neurowissenschaften unter der Leitung von Tobias Moser am Universitätsklinikum Göttingen hat ein automatisiertes Hör-Trainingsprogramm entwickelt, an dem Weißbüschelaffen freiwillig und in gewohnter Umgebung teilnehmen können. Dem Team ist es gelungen, dass die Tiere eine Reihe von Tests absolvieren, in der sie verschieden Laute hören und dann durch Klicken auf einen Touchscreen den passenden, zuvor erlernten visuellen Reizen zuordnen. Dadurch können die Wissenschaftler nachvollziehen, welche Laute die Tiere hören und unterscheiden können. Ob, wann und wie lange die Affen an einem Hörtest teilnehmen, entscheiden sie dabei selbst (Nature Communications).
Weißbüschelaffen kommunizieren mittels verschiedener Laute, darunter Zwitschern, Fiepen und Trillern. Ihr umfangreiches Lautrepertoire macht sie zu einem sehr geeigneten Tiermodell zur Erforschung des Hörsystems und zur Behandlung von Schwerhörigkeit. Nach der Erprobung in Nagetieren und vor der Anwendung bei Menschen müssen bei einem so komplexen Forschungsunterfangen wie der Entwicklung eines optischen Cochlea-Implantats, die Wirksamkeit und Sicherheit auch in Affen überprüft werden, da sie dem Menschen ähnlicher und daher die Ergebnisse besser übertragbar sind. Dabei liegt ein besonderes Augenmerk der Forschenden am DPZ auf dem Tierwohl und damit auch auf der Verbesserung der experimentellen Methoden. Beim jetzt am DPZ entwickelten Trainingsprogramm kann jeder Weißbüschelaffe die Hörtests in seiner gewohnten Umgebung in Gesellschaft seines Sozialpartners durchführen. Dazu wird ein am Göttingen Campus entwickeltes Gerät an den Käfig gehängt. Die Tiere werden schrittweise zunächst an das Gerät selbst, dann an die Interaktion mit dem Gerät und schließlich die Aufgaben herangeführt. Dabei wird die natürliche Neugier der Tiere genutzt, die neue Gegenstände aufgeschlossen inspizieren. Die Interaktion mit dem Bildschirm wird mittels positiver Verstärkung trainiert, wobei die Tiere für das richtige Verhalten oder das korrekte Lösen einer Aufgabe mit einem Leckerbissen belohnt werden.
„Zunächst haben wir den Weißbüschelaffen beigebracht, einen artspezifischen Laut und einen künstlichen Laut zwei verschiedenen Bildern zuzuordnen. Dann ersetzten wir die bekannten Laute durch neue Töne, um zu testen, ob Tiere vom bisher Gelernten abstrahieren können. Auch dies gelang,“ erklärt Jorge Cabrera Moreno, einer der Erstautoren. Antonino Calapai ergänzt: „In früheren Studien hatte sich oft gezeigt, dass Affen zwar schwierige visuelle Aufgaben lösen können, im auditorischen Bereich aber auch bei scheinbar einfachen Aufgaben scheitern. Beispielsweise gelingt es Pavianen, Nahrungsmittel auf der Grundlage visueller, aber nicht akustischer Hinweise zu lokalisieren.“ Dass Weißbüschelaffen akustische Aufgaben so gut bewältigen können, macht sie zu idealen Modelltieren für die Erforschung des Hörsystems.
Zunächst lernen die Tiere, dass sie durch Berühren des Bildschirms eine Belohnung erhalten. Hierbei werden sie von den Forschenden mittels Videoübertragung überwacht. Später läuft das Training vollautomatisch ab. Dabei trainiert jedes Tier entsprechend seines individuellen Lerntempos in vielen fein justierten Schritten. Die Programmierung sorgt dafür, dass jedes Tier Aufgaben präsentiert bekommt, die es in der Lage ist zu lösen. Erst wenn dies sicher funktioniert, bekommt es die nächste Aufgabe. Dabei ist der jeweilige Lernstand der Tiere gespeichert, sodass ein Tier nach Pausen immer auf dem jeweils erreichten Level wieder einsteigen kann. So kann das Training durch die kognitive Beschäftigung auch zum psychischen Wohlbefinden der Tiere beitragen. Ob, wann und wie lange die Tiere sich an dem Gerät beschäftigen, entscheiden sie stets selbst.
„Unsere Ergebnisse zeigten, dass Weißbüschelaffen, auch als das Gerät längst vertraut war, immer wieder aus eigenem Antrieb und mit hohem Engagement an den psychoakustischen Verhaltensexperimenten teilnahmen. Mit dieser Methode kann eine Person mehrere Tiere parallel trainieren und die Ergebnisse sind so hochwertig, dass wir diese Trainings- und Testmethode zukünftig für unsere Forschung an optischen Cochlea-Implantaten nutzen können,“ schließt Studienleiter Marcus Jeschke.
Originalpublikation:
Calapai, A., Cabrera-Moreno, J., Moser, T. et al. Flexible auditory training, psychophysics, and enrichment of common marmosets with an automated, touchscreen-based system. Nat Commun 13, 1648 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29185-9
28.03.2022, Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz (in Gründung)
Zebrafinken singen in unterschiedlichen Dialekten
Zebrafinken-Männchen lernen ihren Gesang durch das Nachahmen von Artgenossen. Um in der Masse aufzufallen, entwickelt jedes Männchen dabei seinen ganz individuellen Gesang. Aufgrund dieser Bandbreite an unterschiedlichen Gesängen wurde lange angenommen, dass sich bei Zebrafinken keine Dialekte bilden. Forschende am Max-Planck-Institut für Ornithologie (nun MPI für biologische Intelligenz, in Gründung) konnten nun jedoch mit Hilfe von künstlicher Intelligenz die Gesänge von vier verschiedenen Zebrafink-Populationen unterscheiden. Überraschenderweise sind die neu entdeckten Dialekte ausschlaggebend für die Partnerwahl der Weibchen – und nicht wie zuvor angenommen primär das Aussehen.
Für uns hört sich Vogelgesang meist einfach nur schön an. Möchten wir jedoch verstehen, warum Vögel singen, wird es kompliziert, denn der Gesang erfüllt mehrere Funktionen. Zum einen muss erkennbar sein zu welcher Art der Sänger gehört, zum anderen spielt auch die individuelle Erkennbarkeit des Gesangs eine wichtige Rolle bei der Kommunikation. Die Gesänge können sich sowohl an rivalisierende Nachbarmännchen richten, als auch zum Anlocken von Weibchen dienen.
Eng mit der Funktion verknüpft sind die unterschiedlichen Gesangstypen, die es darüber hinaus zu unterscheiden gilt. Bei einigen der über 5000 Singvogelarten sind die Männchen richtige „Virtuosen“. Sie lernen ständig neue Laute und variieren ihren Gesang, vermutlich weil dies die Weibchen beeindruckt. Vögel, die hauptsächlich ihre Artzugehörigkeit kommunizieren, kopieren hingegen so genau wie möglich die Lautäußerungen von Artgenossen. Bei solchen Uniformisten wurde gezeigt, dass über größere regionale Distanzen Unterschiede auftreten können: Zum Beispiel singen die Goldammern überall in Europa „Ich bin eine Goldammer“ – allerdings in regional unterschiedlichen Dialekten.
Zebrafinken gehören einem dritten Gesangstyp an. Die Männchen erlernen ihren Gesang auch von Artgenossen, aber sie tun dies auf sehr individuelle Art und Weise. So entwickelt jedes Männchen seinen ganz persönlichen Gesang – als ob sie ihren Namen kundtun möchten. Aufgrund der individuell unterschiedlichen Gesänge wurde lange Zeit angenommen, dass eine Dialektbildung wie bei der Goldammer, beim Zebrafinken nicht möglich ist. Zusammen mit ihren Kollaborateuren, konnten der Doktorand Daiping Wang und Forschende aus dem Team von Wolfgang Forstmeier und Bart Kempenaers nun jedoch mit Hilfe von künstlicher Intelligenz Dialekte im Zebrafink-Gesang nachweisen.
Dazu trainierten sie einen „Sound Classifier“ mit den Gesängen von Männchen aus vier verschiedenen, voneinander getrennten Zebrafink-Populationen. Als die Wissenschaftler*innen dem Programm die Gesänge nachfolgender Generationen vorspielten, ordnete es diese recht zuverlässig den richtigen Populationen zu. Wolfgang Forstmeier, einer der beiden Erstautoren der Studie erklärt: „Über dieses Ergebnis waren wir sehr erstaunt. Bei Zebrafinken gibt es somit ganz klar Dialekte, die von konventionellen Analysemethoden bisher nicht erkannt wurden.“
Interessanterweise spielen diese Dialekte eine Schlüsselrolle bei der Partnerwahl. Die Forschenden führten sogenannte „Cross-Fostering“-Experimente durch, um die Effekte genetischer Vererbung von denen kultureller Weitergabe zu trennen. Dazu wurden Zebrafink-Küken einer Population von Zebrafinken anderer Populationen aufgezogen. Über drei Generationen entwickelten sich so Vögel mit unterschiedlichen Kombinationen aus genetischen Merkmalen (z.B. Körpergröße) und sozial erworbenen Merkmalen (z.B. Dialekt). Nachdem die Wissenschaftler*innen diese Tiere zusammenbrachten, zeichneten sie mit Hilfe eines QR-Codes auf einem kleinen Rucksack automatisiert alle sozialen Interaktionen auf. Es stellte sich heraus, dass Weibchen Partner bevorzugen, die den gleichen Dialekt singen wie Tiere, mit denen sie aufgewachsen sind. Der Effekt der akustischen Verständigung war demnach wesentlich stärker als die Tendenz einen Partner nach dem Aussehen der Zieheltern zu wählen.
„Für mich ist die Studie eine besonders spannende Anwendung von künstlicher Intelligenz, da sie nicht nur dazu dient, bestehendes Wissen zu bestätigten. Der Sound Classifier verhalf uns als Art Dolmetscher zu völlig neuen Erkenntnissen über den Gesang von Zebrafinken“, sagt Wolfgang Forstmeier. „Dies ist umso bemerkenswerter, da der Zebrafink seit Jahrzehnten das meist untersuchte Modellsystem zum Gesangslernen ist“, fügt Bart Kempenaers hinzu. „Nur weil wir diese Dialekte nicht unterscheiden können, heißt es also noch lange nicht, dass es sie nicht gibt.“
Originalpublikation:
Machine learning reveals cryptic dialects that explain mate choice in a songbird.
Daiping Wang*, Wolfgang Forstmeier*, Damien R. Farine, Adriana A. Maldonado-Chaparro, Katrin Martin, Yifan Pei, Gustavo Alarcón-Nieto, James A. Klarevas-Irby, Shouwen Ma, Lucy M. Aplin, Bart Kempenaers
Nature Communications, online 28.03.2022
* shared co-first authors
DOI: 10.1038/s41467-022-28881-w
28.03.2022, Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns
Afrikanische Killifische: Weniger Antikörpervielfalt im Alter
Wenn wir älter werden, funktioniert unser Immunsystem schlechter. Wir werden anfälliger für Infektionen, und Impfungen wirken nicht mehr so effektiv. Ein Forscherteam unter der Leitung von Dario Riccardo Valenzano hat an kurzlebigen Killifischen untersucht, ob das Immunsystem altert. Tatsächlich fanden sie heraus, dass alte Killifische im Vergleich zu jüngeren Fischen weniger verschiedene zirkulierende Antikörper haben. Dies könnte zu einer allgemeinen Verschlechterung der Abwehrkräfte beitragen.
Das Immunsystem muss ständig auf neue Angriffe von Krankheitserregern reagieren und sich diese einprägen, um bei der nächsten Infektion geschützt zu sein. Zu diesem Zweck bauen die B-Zellen einen Informationsspeicher auf und produzieren eine Vielzahl von Antikörpern, die die Krankheitserreger direkt erkennen können.
„Wir wollten wissen, wie es um das Antikörperrepertoire im Alter bestellt ist“, erklärt Dario Riccardo Valenzano, der die Studie leitete. „Es ist schwierig das Immunsystem eines Menschen über sein gesamtes Leben zu untersuchen, da Menschen sehr lange leben. Außerdem kann man beim Menschen nur die Antikörper im peripheren Blut untersuchen, da es problematisch ist Proben aus anderen Geweben zu bekommen. Aus diesem Grund haben wir den Killifisch verwendet. Er ist sehr kurzlebig und wir können Proben von verschiedenen Geweben gewinnen.“
Killifische sind die am kürzesten lebenden Wirbeltiere, die im Labor gehalten werden können. Sie leben nur drei bis vier Monate, altern im Zeitraffer und sind aufgrund dieser Eigenschaften in den letzten Jahren in den Mittelpunkt der Alternsforschung gerückt.
Weniger Antikörpervielfalt
Die Forscher konnten alle Antikörper, die Killifische produzieren, mit hoher Genauigkeit charakterisieren. Sie stellten fest, dass ältere Killifische andere Typen von Antikörpern in ihrem Blut haben als jüngere Fische. Außerdem wiesen sie eine geringere Vielfalt an Antikörpern in ihrem Körper auf.
„Wenn wir mit zunehmendem Alter weniger verschiedene Antikörper haben, könnte dies zu einer geringeren Fähigkeit führen, auf Infektionen zu reagieren. Wir wollen nun weiter untersuchen, warum die B-Zellen ihre Fähigkeit verlieren, verschiedene Antikörper zu produzieren, und ob sie beim Killifisch möglicherweise verjüngt werden können, um diese Fähigkeit wiederzuerlangen“, sagt Valenzano.
Die Forschung für diese Studie wurde am Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns durchgeführt und vom CECAD Exzellenzcluster für Alternsforschung und dem Sonderforschungsbereich 1310 der Universität zu Köln gefördert. Dario Riccardo Valenzano ist jetzt Leiter der Forschungsgruppe „Evolutionsbiologie / Mikrobiom-Wirt-Interaktionen beim Altern“ am Leibniz-Institut für Alternsforschung – Fritz-Lipmann-Institut (FLI) und Professor an der Friedrich-Schiller-Universität Jena.
Originalpublikation:
Originalveröffentlichung:
William J Bradshaw, Michael Poeschla, Aleksandra Placzek, Samuel Kean, Dario Riccardo Valenzano
Extensive age-dependent loss of antibody diversity in naturally short-lived turquoise killifish
eLife, February 7th, 2022
https://elifesciences.org/articles/65117
30.03.2022, Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen
Die Biodiversität am Meeresboden wird maßgeblich von der Wassertiefe bestimmt – nicht von der Temperatur
Senckenberg-Wissenschaftler*innen haben in einer Übersichtsstudie im Fachjournal „Frontiers in Marine Science“ die Zusammensetzung der Flachwasser- und Tiefseefauna entlang des Nordwestpazifiks und des Arktischen Ozeans untersucht. Sie zeigen anhand von 18.668 Daten bodenlebender Meerestiere, dass der steuernde Faktor für die Artengemeinschaften die Wassertiefe ist. Bislang galt die Wassertemperatur als ausschlaggebend. Die Forscher*innen plädieren dafür die Unterschiede zwischen den am Meeresboden lebenden Gemeinschaften bei der Reaktion auf künftige Klima- und Umweltveränderungen zu berücksichtigen.
Das größte Massenaussterben der Erdgeschichte ereignete sich vor etwa 252 Millionen Jahren. Es markiert das Ende des Erdzeitalters Perm und den Beginn der Trias-Epoche. Schätzungen gehen davon aus, dass damals 95 Prozent des Lebens im Ozean innerhalb weniger tausend Jahre verschwanden. „Auslöser dieses verheerenden Aussterbeereignisses waren die damalige Erderwärmung und die mit dem CO2-Anstieg verbundene Ozeanversauerung, die zu einer lebensfeindlichen Umgebung für die Meeresfauna führte“, erklärt Dr. Hanieh Saeedi, Erstautorin der Studie vom Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum Frankfurt und gibt zu bedenken: „In Anbetracht der vielen marinen Arten, die in den letzten Jahrhunderten und Jahrtausenden ausgestorben sind, sowie der Vorhersagen über ein mögliches zukünftiges Artensterben als Folge der globalen Erwärmung, ist aktuell möglicherweise ein weiteres Massenaussterben in den Meeren im Gange.“
Saeedi hat daher mit ihren Senckenberg-Kolleg*innen Prof. Dr. Angelika Brandt und Dr. Dan Warren in einer neuen Studie eine grundlegende Bewertung des Biodiversitätsstatus und der Gemeinschaftszusammensetzung der Flachwasser- und Tiefseefauna entlang des Nordwestpazifiks und des Arktischen Ozeans vorgenommen – unter Verwendung eigener Stichproben sowie aller frei zugänglicher Daten. „Uns hat insbesondere interessiert, welche Umweltfaktoren die Zusammensetzung benthischer, also am Meeresboden lebender, Organismen beeinflussen“, so Saeedi. Anhand von 18.668 Proben von 11.029 bodenlebenden Arten aus Wassertiefen von 0 bis 10.900 Metern Tiefe stellt das Team einen Trend zu abnehmendem Artenreichtum in höheren Breiten und tieferen Gewässern fest, der in den Küstengewässern der östlichen Philippinen seinen Höhepunkt erreicht. „Erstaunlicherweise ist der Hauptfaktor für die Zusammensetzung der Faunengemeinschaften im Nordwestpazifik und den angrenzenden arktischen Meeren die Tiefe und nicht die Temperatur!“, erläutert die Frankfurter Meeresforscherin die Ergebnisse und ergänzt: „Darauf folgen die Faktoren Silikatgehalt, Licht und Strömungen.“
Die Forscher*innen schlussfolgern in ihrer Veröffentlichung, dass verschiedene benthische Gemeinschaften aufgrund taxonspezifischer biologischer, physiologischer und ökologischer Merkmale unterschiedlich auf künftige klimatische Veränderungen reagieren könnten. Internationale Schutzbemühungen und die Erhaltung von Lebensräumen sollten daher einen adaptiven Ansatz verfolgen und Maßnahmen anwenden, welche die Unterschiede zwischen den benthischen Gemeinschaften bei der Reaktion auf künftige Klimaveränderungen berücksichtigen.
„Dies wird die Umsetzung geeigneter Schutzmanagementstrategien und die nachhaltige Nutzung der marinen Ökosysteme im Nordwestpazifik und in der Arktis erleichtern – auch um einem Massenaussterben wie an der Perm-Trias-Grenze zuvorzukommen“, schließt Saeedi.
Originalpublikation:
Saeedi Hanieh, Warren Dan, Brandt Angelika (2022): The Environmental Drivers of Benthic Fauna Diversity and Community Composition. Frontiers in Marine Science, 9.
DOI: 10.3389/fmars.2022.804019
30.03.2022, Deutsches Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig
Europäische Regenwürmer verringern Insektenbestände in Wäldern Nordamerikas
Nach Nordamerika eingeschleppte Regenwürmer beeinträchtigen die oberirdisch lebende Insektenfauna. Diese Beobachtung beschreiben Bodenökologinnen und -ökologen unter Leitung des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) und der Universität Leipzig in der Fachzeitschrift Biology Letters. Dies gilt sowohl für die Häufigkeit und Biomasse als auch die Artenzahl der Insekten. Die Ergebnisse zeigen, dass Veränderungen von Artengemeinschaften wie etwa Insekten bisher noch wenig beachtete Ursachen haben können. Diese sollten zum Schutz und Management der Insektengemeinschaften stärker berücksichtigt werden.
Mindestens seit der letzten Eiszeit vor ca. 10.000 Jahren gab es im nördlichen Teil Nordamerikas so gut wie keine Regenwürmer. Allerdings wurden sie in den letzten Jahrhunderten, vermutlich über Erd- und Pflanzentransporte aus Europa, wieder eingeführt. Seitdem breiten sie sich aus und verändern den Boden erheblich – mit tiefgreifenden Folgen für das Bodenökosystem. Welche Auswirkungen die Invasoren, also nicht-heimischen Eindringlinge, jedoch auf die oberirdische Welt haben, wurde bislang wenig untersucht.
In einem Waldstück nahe Calgary in Kanada, in dem es sowohl von Regenwürmern besiedelte als auch nicht-besiedelte Teile gibt, fingen die Forschenden mit Insektensaugern die oberirdischen Insekten und verglichen die Fänge. Dabei stellten sie fest, dass sich die Häufigkeit, Biomasse und auch Artenzahl auf Flächen, die von Regenwürmern besiedelt waren, von solchen ohne Reenwürmer erheblich unterschieden. Auf den regenwurmreichsten Flächen ging die Zahl der Insektenindividuen um 61 Prozent zurück, ihre Biomasse um 27 Prozent und die Artenzahl um 18 Prozent.
„Wir hatten erwartet, dass Regenwürmer auch Auswirkungen auf oberirdische Insekten haben würden“, sagt Erstautor Dr. Malte Jochum von iDiv und der Universität Leipzig. „Ich war aber doch überrascht, wie stark diese Auswirkungen waren und dass sowohl die Häufigkeit als auch die Biomasse und die Artenzahl betroffen waren.“
Über welche Mechanismen die Regenwürmer die Insekten beeinflussen, ist jedoch noch unklar. „Möglich wäre, dass die Würmer oberirdisch lebenden Insekten, die totes Pflanzenmaterial zersetzen, wie etwa Käfer und Fliegenlarven, die Nahrung und ihren Lebensraum wegfressen“, meint Jochum. Da Insekten zu einem Großteil Pflanzenfresser sind, läge auch die Vermutung nahe, dass der beobachtete Insektenrückgang auf eine Veränderung der Vegetation zurückzuführen ist, ausgelöst durch Veränderungen im Boden. Eine signifikante Veränderung der Pflanzen-Artenzahl oder -Deckung konnten die Forscherinnen und Forscher jedoch in diesem Fall nicht feststellen. „Damit ist der Einfluss über die Pflanzen jedoch nicht ausgeschlossen“, sagt Jochum. Die Daten zur Artenzusammensetzung und zu weiteren Eigenschaften der Pflanzengemeinschaften müssen jedoch erst noch ausgewertet werden.
Auffällig war auch die Zunahme der Prädatoren, also der räuberisch lebenden Insektenarten und der Spinnen. Sie scheinen von den Veränderungen zu profitieren.
„Als Erklärung für die globalen Veränderungen der Insektengemeinschaften werden bisher nur wenige Ursachen herangezogen, allen vorweg Lebensraumveränderungen über der Erde“, sagt Senior-Autor Prof. Nico Eisenhauer von iDiv und der Universität Leipzig. „Die neuen Ergebnisse zeigen, dass Biodiversitätsverlust aber durchaus auch weitere, bisher kaum beachtete Ursachen haben kann, die bei entsprechenden Naturschutzmaßnahmen berücksichtigt werden müssen.“
Eingeschleppte Regenwurmarten gibt es nicht nur in Nordamerika, sie kommen auf fast allen Kontinenten vor. Da in Nordamerika jedoch für sehr lange Zeit nur sehr wenige Regenwürmer vorhanden waren, ist ihr Effekt hier besonders groß. „Für Regionen wie Mitteleuropa, wo die heimischen Artengemeinschaften sich gemeinsam mit den Regenwürmern entwickelt haben, sind Probleme durch neue Regenwurmarten deshalb kaum zu erwarten“, meint Jochum. „Ganz im Gegenteil. Hier sind sie bedeutende Lebensraumingenieure, von denen viele wichtige Ökosystemfunktionen abhängen.“
Die Studie entstand im Rahmen des EcoWorm Projektes und wurde aus Mitteln des Europäischen Forschungsrates (Horizon 2020) und der DFG (FZT 118) gefördert.
Originalpublikation:
Jochum, M., Thouvenot, L., Ferlian, O., Zeiss, R., Klarner, B., Pruschitzki, U., Johnson, E. A., Eisenhauer, N. (2022). Aboveground impacts of a belowground invader: how invasive earthworms alter aboveground arthropod communities in a northern North American forest. Biology Letters, https://dx.doi.org/10.1098/rsbl.2021.0636
31.03.2022, Universität Zürich
Ein einziges Gen steuert die Artenvielfalt in einem Ökosystem
Ein einzelnes Gen kann ein ganzes Ökosystem beeinflussen. Das zeigt ein Forscherteam der Universität Zürich in einem Laborexperiment mit einer Pflanze und dem dazugehörigen Ökosystem von Insekten. So fördern Pflanzen mit einer Mutation in einem bestimmten Gen Ökosysteme mit mehr Insektenarten. Die Entdeckung eines solchen «Schlüsselgens» könnte die derzeitigen Strategien zur Erhaltung der biologischen Vielfalt verändern.
Vor mehr als fünfzig Jahren entdeckte der amerikanische Ökologe Robert Paine an der Küste eines felsigen Gezeitenbeckens, dass Struktur und Funktion eines Ökosystems dramatisch verändert werden können, wenn eine einzige Art entfernt wird. Paine hatte herausgefunden, dass Seesterne als Schlüsselart fungieren, da ihre Anwesenheit und ihre Rolle als Raubtier zuoberst in der Nahrungskette die Koexistenz verschiedener Arten im felsigen Ökosystem aufrechterhalten.
Pflanzen-Abwehrgene in vereinfachtem Labor-Ökosystem getestet
Nun berichtet ein Team von Ökologen und Genetikern der Universität Zürich (UZH) und der University of California in Science, dass auch eine Mutation in einem einzigen Gen die Struktur und Funktion eines Ökosystems dramatisch verändern kann. Ein Gen enthält somit nicht nur Informationen, die für die Fitness eines Organismus entscheidend sind, sondern kann auch das Fortbestehen von interagierenden Arten in einer ökologischen Gemeinschaft beeinflussen. Die Entdeckung von Jordi Bascompte, UZH-Professor am Departement für Evolutionsbiologie und Umweltwissenschaften, und seinem Team wurde anhand eines experimentellen Ökosystems im Labor mit einem Räuber (einer parasitären Wespe), zwei Pflanzenfressern (Blattläusen) und der Pflanze Arabidopsis thaliana – einem genetischen Modellorganismus – gemacht.
Schlüsselgen bewahrt Ökosystem vor Zusammenbruch
Die Wissenschaftler testeten die Wirkung von drei Pflanzengenen, die das natürliche Arsenal der chemischen Abwehrkräfte der Pflanze gegen Frassinsekten steuern. Sie fanden heraus, dass die Pflanzenfresser und Raubtiere in ihrer Versuchsgemeinschaft eher auf Pflanzen mit einer Mutation an einem einzigen Gen namens AOP2 überlebten. «Diese natürliche Mutation im AOP2-Gen beeinflusste nicht nur die Chemie der Pflanze, sondern liess sie auch schneller wachsen. Das wiederum förderte die Koexistenz von Pflanzenfressern und Raubtieren und verhinderte so den Zusammenbruch des Ökosystems», sagt UZH-Wissenschaftler und Erstautor Matt Barbour. Ähnlich wie bei einer Schlüsselart wie dem Seestern fungiert AOP2 als «Schlüsselgen», das für das Überleben des experimentellen Ökosystems unerlässlich ist.
Auswirkungen auf Schutz der biologischen Vielfalt
Die Entdeckung eines solchen Schlüsselgens dürfte Auswirkungen darauf haben, wie die biologische Vielfalt in einer sich verändernden Welt erhalten werden kann. «Insbesondere sollte das Wissen aus der Genetik und den ökologischen Netzwerken integriert werden, um die Folgen genetischer Veränderungen für den Fortbestand der biologischen Vielfalt auf verschiedenen Ebenen vorherzusagen», sagt Barbour. Einerseits könnten Individuen mit verschiedenen Varianten eines Gens oder sogar genetisch veränderte Organismen zu bestehenden Populationen hinzugefügt werden, um vielfältigere und widerstandsfähigere Ökosysteme zu fördern. Andererseits könnte eine scheinbar kleine genetische Veränderung eine Kaskade unbeabsichtigter Folgen für die Ökosysteme auslösen, wenn diese nicht vorher eingehend untersucht werden.
«Wir fangen gerade erst an zu verstehen, welche Folgen genetische Veränderungen für das Zusammenspiel und die Koexistenz von Arten haben. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der derzeitige Verlust der genetischen Vielfalt kaskadenartige Auswirkungen haben kann, die zu abrupten und katastrophalen Veränderungen im Fortbestand und in der Funktionsweise von Land-Ökosystemem führen können», so Barbour.
Originalpublikation:
Matthew A. Barbour, Daniel J. Kliebenstein, Jordi Bascompte. A keystone gene underlies the persistence of an experimental food web. Science. March 31, 2022. DOI: 10.1126/science.abf2232
31.03.2022, Universitätsklinikum Heidelberg
Weil´s schnell gehen muss – die ungewöhnliche Vermehrung der Malariaerreger
Forschende des Universitätsklinikums Heidelberg berichten in „Science Advances“, wie es Malariaerregern gelingt, sich in nährstoffarmen Blutzellen rasant zu vermehren / Studie aus dem Sonderforschungsbereich 1129 unter Heidelberger Federführung beleuchtet wichtigen Aspekt im Lebenszyklus der Parasiten
Einen neuen Einblick in den ungewöhnlichen Vermehrungszyklus des Malaria-Erregers Plasmodium haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Universitätsklinikums (UKHD) und der Universität Heidelberg aktuell im Fachmagazin „Science Advances“ veröffentlicht: Die Forschungsergebnisse liefern eine Erklärung, warum sich die parasitischen Einzeller in befallenen roten Blutkörperchen nicht einfach mehrmals in Folge verdoppeln, wie dies die meisten anderen Zellen tun. Stattdessen teilen sie zunächst scheinbar unkoordiniert und asynchron ihre Zellkerne, die das Erbgut des Erregers enthalten, erst dann bilden sich um diese herum die Tochterzellen. Die Wissenschaftler vermuten, dass sich die neu entstehenden Zellkerne durch die fehlende Synchronisation nicht gegenseitig die knappen Ressourcen in den nährstoffarmen Blutzellen streitig machen und sich die Parasiten daher schneller vermehren können. Die Ergebnisse helfen dabei, die Vermehrungsmechanismen des weit verbreiteten und bislang schwer einzudämmenden Erregers besser zu verstehen.
Der Entwicklungszyklus des Malaria-Erregers, der aus nur einer einzelnen Zelle besteht, ist komplex: Durch einen Mückenstich übertragen, wandern die Parasiten von der Einstichstelle in die Blutgefäße und von dort weiter in die Leber, wo sie sich vermehren, dann die Leber verlassen, rote Blutkörperchen befallen und sich dort erneut rasant vermehren. Befall und Zerstörung der Blutzellen verursacht Fieberschübe, Gefäßverschlüsse und Gewebeschäden. Viele Details der einzelnen Entwicklungsschritte stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bis heute vor Rätsel – darunter die ungewöhnliche Vermehrung in den Blutzellen: In der Regel vermehren sich einzelne Zellen, indem sie sich in zwei Tochterzellen teilen. Beim Malariaerreger teilt sich zunächst nur der Zellkern, in dem das Erbgut gelagert ist, und zwar gleich mehrmals, bis rund 20 Zellkerne in einer einzigen Zelle entstanden sind. Erst dann werden sie in neue Parasiten verpackt, platzen aus der Blutzelle und befallen die nächsten roten Blutkörperchen.
Von leuchtenden Plasmodien unter dem Mikroskop zum mathematischen Modell
„Einzigartig ist dabei vor allem die Autonomie der Zellkerne: Obwohl sie sich in einer einzigen Zelle befinden, teilen sich die Zellkerne nicht synchron auf ein zentrales Signal hin, sondern scheinbar unabhängig voneinander. Die Frage nach dem `Warum´ haben wir nun erstmals dank einer Kombination von modernen mikroskopischen Methoden und mathematischen Modellen beantwortet“, erläutert Seniorautor Dr. Markus Ganter, Arbeitsgruppenleiter in der Abteilung für Parasitologie, Zentrum für Infektiologie am UKHD. Die veröffentlichte Arbeit ist ein gemeinsames Projekt von Arbeitsgruppen des UKHD, der Universität Heidelberg und des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) um Dr. Ganter, Professor Dr. Friedrich Frischknecht, Abteilung für Parasitologie am Zentrum für Infektiologie, Professor Dr. Ulrich Schwarz, BioQuant und Institut für Theoretische Physik, Universität Heidelberg, sowie Professor Dr. Thomas Höfer, Leiter der Abteilung Theoretische Systembiologie am DKFZ, die im Rahmen des von Heidelberg aus koordinierten Sonderforschungsbereichs „Integrative Analyse der Reproduktion und Ausbreitung von pathogenen Erregern (SFB 1129)“ zusammenarbeiten.
Nacheinander kommt jeder besser ans Buffet als alle gleichzeitig
Mit Hilfe eines fluoreszierenden Parasitenstamms analysierten die Forschenden die Dynamik der ersten Kernteilungen in lebenden Zellen unter dem Mikroskop und entwickelten daraus ein mathematisches Modell, um die Kernteilung über den gesamten Entwicklungsschritt zu simulieren. Dabei fanden sie heraus: Die Teilung der Parasitenkerne verläuft nur anfangs scheinbar unkoordiniert. Die Mutterzelle zählt mit und stoppt die Teilungen bei ungefähr 20 Kernen, so dass alle Kerne gleichzeitig in neue Tochterzellen verpackt werden können. Darüber hinaus verlangsamt sich die Teilungsgeschwindigkeit mit der Anzahl der Kerne. „Der Grund dafür sind wahrscheinlich die begrenzten Ressourcen in den Blutzellen“, erläutert Ganter. „Je mehr Kerne es gibt, desto häufiger kommt es vor, dass sich zwei oder mehr von ihnen zufällig zur selben Zeit teilen und gleichzeitig bestimmte, nur begrenzt zur Verfügung stehende Stoffe benötigen. Die Abläufe verlangsamen sich. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass die Vermehrung schneller geht, wenn sich die Kerne nicht zur gleichen Zeit verdoppeln. Diese Teilungsstrategie könnte also der Notwendigkeit einer schnellen Vermehrung geschuldet sein.“ Weitere Experimente konnten diese Vorhersage bestätigen.
Originalpublikation:
Klaus S, Binder P, Kim J, Machado M, Funaya C, Schaaf V, Klaschka D, Kudulyte A, Cyrklaff M, Laketa V, Höfer T, Guizetti J, Becker NB, Frischknecht F, Schwarz US, Ganter M. Asynchronous nuclear cycles in multinucleated Plasmodium falciparum facilitate rapid proliferation. Sci Adv. 2022 Apr;8(13):eabj5362. doi: 10.1126/sciadv.abj5362. Epub 2022 Mar 30. PMID: 35353560
31.03.2022, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Wie lässt sich die Artenvielfalt in Europa besser überwachen?
Zu wenig Koordination, mangelhafte technische und finanzielle Ressourcen und unklare Zielvorgaben: Die nationalen Programme zum Monitoring der Artenvielfalt in Europa stehen vor vielen Herausforderungen. Zu diesem Schluss kommt ein erster Report des europaweiten Projekts „EuropaBON“. In die Analyse eingeflossen sind Angaben von mehr als 350 Expertinnen und Experten aus Politik, Wissenschaft und Umweltschutzpraxis. Das Projekt-Team entwirft zudem einen Vorschlag für ein länderübergreifendes Monitoring der Artenvielfalt und Ökosysteme Europas.
Die europäische Datenlandschaft ist im Bereich der Artenvielfalt stark fragmentiert. Eine Vielzahl an unterschiedlichen Methoden zu Datenerhebung und -analyse macht es oft unmöglich, die gewonnenen Informationen länderübergreifend zu vergleichen. „Außerdem haben viele Länder Schwierigkeiten damit, überhaupt das von der Europäischen Kommission geforderte Minimum an Biodiversitätsmonitoring zu erfüllen“, sagt Prof. Dr. Henrique Pereira, der an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) sowie dem Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig forscht und das Projekt „EuropaBON“ (Europa Biodiversity Observation Network) leitet. Die Gründe dafür sind vielfältig: zu geringe finanzielle Mittel, ungenügende technische Kapazitäten, ein Mangel an Unterstützung durch langfristige politische Ziele, Unzugänglichkeit von Daten aus den Landwirtschafts-, Energie- und Fischereisektoren, aber auch eine gewisse Skepsis davor, bestehende Methoden zu verändern.
Dabei hätten Monitoringdaten ein großes Potenzial, politische Strategien und Richtlinien evidenzbasiert mitzugestalten, wie der erste Policy Report des Projekts „EuropaBON“ zeigt. Das europaweite Projekt ist im November 2020 mit der Aufgabe gestartet, ein einheitliches, umfangreiches und gleichermaßen praktikables Vorgehen zur Überwachung der Artenvielfalt und Ökosysteme Europas zu entwickeln. Seitdem hat das Team Umfragen, Interviews und Workshops mit mehr als 350 Vertreterinnen und Vertretern aus Wissenschaft, Politik und Umweltschutzpraxis durchgeführt. Konkret ging es dabei darum, einen Überblick über bisherige Monitoring-Maßnahmen und ihre Probleme zu erhalten sowie erste Ansätze für einen gemeinsamen Standard zu finden. „Wir freuen uns über die Antworten der Stakeholder, die ein umfassendes Bild der aktuellen Lage in vielen europäischen Ländern zeichnen. Sie dienen uns nun als Grundlage für das Design eines neuen, länderübergreifenden Biodiversitätsmonitoring-Netzwerks in Europa“, sagt Prof. Dr. Aletta Bonn, leitende Autorin des Berichts, vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ), der Friedrich-Schiller-Universität Jena und iDiv.
Einheitliche, hochwertige Daten zur Biodiversität sind nötig, um die Ziele der EU-Biodiversitätsstrategie für das Jahr 2030 zu erreichen. Darin verpflichten sich die Mitgliedsstaaten, bedrohte oder bereits zerstörte Ökosysteme bis zum Jahr 2030 wiederherzustellen und den Verlust der Artenvielfalt zu stoppen. „Die EU-Biodiversitätsstrategie für 2030 stellt derzeit den Kern integrierter Politiken dar. Doch um ihre Ziele zu erreichen, brauchen europäische Länder und die Europäische Kommission robustere, vergleichbare Daten auf allen Ebenen“, sagt Dr. Ian McCallum, Ko-Leiter des Berichts, vom Internationalen Institut für angewandte Systemanalyse in Österreich. Diese Daten würden Politik und Wissenschaft dabei unterstützen, evidenzbasierte Ziele und deren Fortschrittsbewertungen zum Erhalt und der Wiederherstellung von Ökosystemen und ihren Dienstleistungen zu erarbeiten.
Eine bestimmte Methode zeigt sich als besonders vielversprechend für die Harmonisierung der unterschiedlichen Ansätze in Europa: die Bestimmung sogenannter „Essenzieller Biodiversitätsvariablen“ und „Essenzieller Ökosystemleistungsvariablen“. In dem Bericht stellt das „EuropaBON“-Team eine Rangliste der 15 am höchsten bewerteten Variablen vor, die für einen gemeinsamen Ansatz genutzt werden könnten. Diese decken ein breites Spektrum von der Artenvielfalt von Vögeln und Meeresfischen über die Verteilung von Pflanzen und invasiven Arten bis hin zu Landnutzungsveränderungen ab. Die meisten dieser 15 Variablen werden allerdings derzeit gar nicht oder nicht ausreichend überwacht.
Das Projekt „EuropaBON“ hat das Ziel, ein länderübergreifendes System für die Überwachung der Artenvielfalt und Ökosysteme in Europa zu entwickeln. Es wird von der MLU und iDiv geleitet, beteiligt sind 15 Partnereinrichtungen aus Belgien, Bulgarien, Deutschland, Estland, Großbritannien, den Niederlanden, Norwegen, Österreich, Portugal und Spanien. Die EU fördert das Projekt mit drei Millionen Euro.
Weitere Informationen unter: https://europabon.org/
Originalpublikation:
Report: Moersberger H., Martin J.G.C., Junker J., Georgieva I., Bauer S., Beja P., Breeze T.D., Brotons L., Bruelheide H., Fernández N., Fernandez M., Jandt U., Langer C., Lyche Solheim A.L., Maes J., Moreira F., Pe’er G., Santana J., Shamoun-Baranes J., Smets B., Valdez J., McCallum I., Pereira H.M. & Bonn A. (2022) EuropaBON: User and Policy Needs Assessment. EuropaBON/German Centre of Biodiversity Research (iDiv). doi: 10.3897/arphapreprints.e84517
https://preprints.arphahub.com/article/84517/
31.03.2022, Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung (IZW) im Forschungsverbund Berlin e.V.
Deutsche und österreichische Hirsche bislang von SARS-CoV-2-Infektionen verschont – anders als in Nordamerika
In Nordamerika hat sich SARS-CoV-2 vom Menschen auf Weißwedelhirsche übertragen. Die Hirsche gelten nun als SARS-CoV-2-Reservoir und könnten das Virus sogar auf den Menschen übertragen. Ein Wissenschaftsteam unter Leitung des Leibniz-Instituts für Zoo- und Wildtierforschung (Leibniz-IZW) und der Charité hat nun gezeigt, dass dies in Deutschland und Österreich nicht der Fall ist, da alle getesteten Rehe, Rothirsche und Damhirsche negativ auf SARS-CoV-2-Antikörper reagierten. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Microorganisms“ in einer Sonderausgabe über Viren von Wildsäugetieren veröffentlicht.
SARS-CoV-2 (Severe acute respiratory syndrome coronavirus type 2) ist ein Virus, das 2020 als Auslöser der COVID-19 Erkrankung identifiziert wurde. Es hat sich gezeigt, dass innerhalb der Gesamtpopulation der Weißwedelhirsche in Nordamerika die Infektion mit den vom Menschen stammenden SARS-CoV-2-Varianten weit verbreitet ist. Es gibt erste Hinweise darauf, dass SARS-CoV-2 von den Weißwedelhirschen auf den Menschen übertragen werden kann. Dies ist besorgniserregend, da sich neue Varianten in ihrem neuen Wirt, den Hirschartigen, entwickeln und schließlich mit unvorhersehbaren Folgen auf den Menschen übergehen könnten. Weißwedelhirsche sind zwar eine nordamerikanische Art, aber Hirsche sind weltweit verbreitet und werden in Mitteleuropa wie in Nordamerika stark bejagt und bewirtschaftet.
Ein Wissenschaftsteam des Leibniz-IZW, des Instituts für Virologie der Charité, des österreichischen Forschungsinstituts für Wildtierkunde und Ökologie (FIWI) und des Bundesinstituts für Risikobewertung (BfR) untersuchte Seren von 433 Rehen, Rot- und Damhirschen, die sowohl vor der Pandemie als auch während der Pandemie gesammelt worden waren, auf SARS-CoV-2-Antikörper mit einem Test, der zuvor Antikörpertiter bei nordamerikanischen Hirschen bestätigt hatte. Keine der Hirscharten aus Deutschland oder Österreich war positiv. Das Team verglich auch die Details des zellulären SARS-CoV-2-Rezeptor bei Hirschen (das ACE2-Gen) und stellte fest, dass mit Ausnahme einer Veränderung, die möglicherweise Rothirsche etwas resistenter gegen eine Infektion macht, keine Veränderungen im Rezeptor gefunden wurden, die den drastischen Unterschied in den Ergebnissen zwischen mitteleuropäischen und nordamerikanischen Hirschen erklären könnten.
Eine Erklärung für die Unterschiede könnte in der Verteilung und Bewirtschaftung der Hirscharten in Nordamerika und Mitteleuropa liegen. In Nordamerika sind Hirsche häufig in Stadtrandgebieten und Städten anzutreffen, wo sie potenziell häufig mit Menschen und menschlichen Abfällen in Kontakt kommen. Die Bewirtschaftung von Hirschen erfolgt hauptsächlich durch die nordamerikanische Bundesregierung. In Deutschland und Österreich sind die verschiedenen Hirscharten im Allgemeinen nicht am Stadtrand oder in städtischen Gebieten anzutreffen. Zudem ist hier das Reviersystem vorherrschend, bei dem die Hirscharten in einem bestimmten Gebiet lokal bewirtschaftet werden. Die Revierstrukturen verhindern wahrscheinlich den Kontakt zwischen Mensch und Wild und behindern auch die Ausbreitung von Krankheitserregern innerhalb und zwischen den Populationen der verschiedenen Hirscharten.
„Es sollten alle Anstrengungen unternommen werden, um den Kontakt zwischen Mensch und Wildtier in Mitteleuropa zu verhindern, damit sich Hirsche nicht als SARS-CoV-2-Reservoir etablieren“, sagt Prof. Alex D. Greenwood, Abteilungsleiter Wildtierkrankheiten am Leibniz-IZW.
Originalpublikation:
Moreira-Soto A, Walzer C, Czirják GÁ, Richter MH, Marino SF, Posautz A, Yebra Rodo P De, McEwen GK, Drexler JF, Greenwood AD (2022): Serological evidence that SARS-CoV-2 has not emerged in deer in Germany or Austria during the COVID-19 pandemic. MICROORGANISMS 10, 748; https://doi.org/10.3390/microorganisms10040748.
31.03.2022, Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung e. V.
Insektenschwund: Raumanalyse zeigt Bedarf an Pufferzonen zwischen Ackerflächen und Naturschutz-Arealen
Mehr als 440 Quadratkilometer Ackerfläche befinden sich in Naturschutzgebieten, fast 1.300 sind es in FFH-Gebieten*. Dies zeigt eine Studie, die in der April-Ausgabe der Fachzeitschrift „Naturschutz und Landschaftsplanung“ erschienen ist. Mit einer Raumanalyse zu Größe und Lage von Ackerflächen in Schutzgebieten liefert das Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung (IÖR) wichtige Grundlagen für die Diskussion zu Insektenschutz, Pestizidbelastungen in Schutzgebieten und möglichen Pufferzonen. Die Studie ist Teil des interdisziplinären Forschungsprojektes „DINA – Diversität von Insekten in Naturschutz-Arealen“, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird.
Studien belegen, dass die Insekten-Biomasse in deutschen Naturschutzgebieten*, also die Masse aller dort lebenden Insekten, in den vergangenen 30 Jahren um 75 Prozent zurückgegangen ist. Die vom Weltbiodiversitätsrat (IPBES) beschriebene Krise der biologischen Vielfalt hat in Deutschland also längst auch die Schutzgebiete erreicht – mit bedenklichen Folgen. Ohne Insekten brechen Ökosysteme zusammen. Sie fehlen zum Beispiel als wichtige Nahrungsgrundlage für andere Tiere. Als eine der Hauptursachen für den dramatischen Rückgang vermuten Experten Pestizide.
Das Fatale: Ackerflächen, die in Deutschland zum Großteil konventionell, also mit Pestizideinsatz bewirtschaftet werden, liegen mitten in Schutzgebieten oder ragen in diese hinein. Das zeigt nun eine vom IÖR durchgeführte Raumanalyse. Sie liefert erstmals konkrete Zahlen zu Größe und Lage von Ackerflächen in und in der unmittelbaren Umgebung von Naturschutz- und Fauna-Flora-Habitat-Gebieten (FFH-Gebiete).
Als Datenbasis diente dabei das Digitale Landbedeckungsmodell 2018 (LBM-DE) des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie (BKG), in dem Ackerflächen ausgewiesen sind. Innerhalb von Naturschutzgebieten haben die Forschenden des IÖR rund 440 Quadratkilometer Ackerfläche ermittelt (entspricht rund 61.000 Fußballfeldern), in FFH-Gebieten waren es 1.283 Quadratkilometer (entspricht der Hälfte der Fläche des Saarlandes). Ackerflächen grenzen auf mehr als 11.000 Kilometer Länge unmittelbar an Naturschutzgebiete. Bei den FFH-Gebieten beläuft sich diese Kontaktlinie sogar auf rund 21.100 Kilometer. Damit ist diese Linie länger als die Luftlinie zwischen Nord- und Südpol – ein Indiz dafür, wie stark Ackerflächen Naturschutzgebiete beeinflussen können.
Doch nicht nur Ackerflächen, die direkt in den Schutzgebieten liegen, stellen ein Problem dar. Auch von Flächen in der Umgebung geht Gefahr für Insekten aus, beispielsweise durch die Abdrift von Pestiziden. Eine frühere Raumanalyse des IÖR im Projekt DINA hatte zudem gezeigt, dass viele Insekten mit großem Flugradius Pestizide auf Ackerflächen in einem Umkreis von bis zu zwei Kilometern aufnehmen.
Deshalb haben die Forschenden auch bei der aktuellen Analyse das Untersuchungsgebiet erweitert. Das Ergebnis: In einem Radius von zwei Kilometern um die Naturschutzgebiete finden sich fast 38.500 Quadratkilometer Ackerflächen (entspricht mehr als der Fläche von Baden-Württemberg). Davon grenzen rund 23.200 Quadratkilometer unmittelbar an ein Naturschutzgebiet oder reichen in dieses hinein. Bei den FFH-Gebieten liegen rund 63.000 Quadratkilometer Ackerfläche, mehr als das Doppelte der Fläche von Brandenburg, innerhalb des untersuchten Zwei-Kilometer-Radius. Mehr als 41.600 Quadratkilometer davon grenzen direkt an die FFH-Gebiete oder reichen in diese hinein.
„Würde man den Pestizideinsatz auf Ackerflächen in Naturschutzgebieten verbieten, so würde dies rund 0,36 Prozent der gesamten Ackerfläche in Deutschland betreffen“, erläutert Lisa Eichler vom IÖR, die die Analyse durchgeführt hat. Mit Blick auf die FFH-Gebiete beträfe ein solches Verbot rund ein Prozent der Gesamtackerfläche. „Um Insekten aber effektiver vor Pestiziden zu schützen, legen unsere Untersuchungen nahe, dass Pufferzonen um Schutzgebiete etabliert werden müssten. Würde man bei einem Verbot von Pestiziden eine Pufferzone mit einem Radius von zwei Kilometern berücksichtigen, beträfe dies bei den Naturschutzgebieten weitere rund 31 Prozent und bei den FFH-Gebieten rund 51 Prozent der Gesamtackerfläche Deutschlands“, erläutert Lisa Eichler. Addieren ließen sich die Zahlen für die Naturschutz- und FFH-Gebiete nicht, da sich beide Schutzgebiet-Kategorien häufig überlappen.
Auf eine wichtige Einschränkung der nun vorliegenden Daten weisen die Forschenden hin: Die aktuelle Raumanalyse erlaubt derzeit noch keine Differenzierung zwischen Öko-Landbau und konventionell bewirtschafteten Flächen, da hierzu raumscharfe Daten fehlen. Im Jahr 2020 betrug der Anteil ökologisch bewirtschafteter Flächen allerdings unter zehn Prozent an der gesamten landwirtschaftlich genutzten Fläche.
Hintergrund
Die Untersuchungen fanden im Rahmen des Projekts DINA (Diversity of Insects in Nature protected Areas), einem Verbundforschungsvorhaben zum Insektenschwund in Naturschutz-Arealen, statt. Von 2019 bis 2023 erfassen und dokumentieren neun Partner die Insektenvielfalt in 21 repräsentativen Naturschutzgebieten in Deutschland. Ziel ist es, Datengrundlagen zu optimieren, die für einen besseren Schutz der Insektenvielfalt dringend erforderlich sind. Das Projekt wird vom NABU (Naturschutzbund Deutschland e. V.) geleitet. Zum Projektverbund gehören neben dem Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung, der Entomologische Verein Krefeld e. V., das Internationale Zentrum für Nachhaltige Entwicklung an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg, die Justus-Liebig-Universität Gießen/AG Spezielle Botanik, die Universität Koblenz-Landau/Institut für Umweltwissenschaften, das Zoologische Forschungsmuseum Alexander Koenig – Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere, das Institut für sozial-ökologische Forschung sowie die TIEM Integrierte Umweltüberwachung GbR, Bremen.
Gefördert wird DINA durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der FONA-Strategie (Forschung für nachhaltige Entwicklung).
* Begriffserläuterung
Naturschutzgebiete (NSG) sind rechtsverbindlich festgesetzte Gebiete, in denen ein besonderer Schutz von Natur und Landschaft in ihrer Ganzheit oder in einzelnen Teilen erforderlich ist. Es handelt sich um eine Schutzkategorie des gesetzlichen gebietsbezogenen Naturschutzes, der im Bundesnaturschutzgesetz (BNatSchG) geregelt ist. Naturschutzgebiete sind im Rahmen der Bauleitplanung verbindlich und müssen berücksichtigt werden. Die Schutzgebietskategorie gibt es seit 1920.
FFH-Gebiete werden zum Schutz von Tieren (Fauna), Pflanzen (Flora) und Lebensraumtypen (Habitat) nach der europäischen Fauna-Flora-Habitat-Richtlinie ausgewiesen. Sie sind ein Teil des Natura 2000-Netzwerkes, eines länderübergreifenden Netzes von Schutzgebieten, das die biologische Vielfalt in Europa schützen und erhalten soll. Die FFH-Richtlinie wurde 1992 durch die europäischen Staaten beschlossen und im Jahr 2013 aktualisiert.
Beide Schutzgebietskategorien können sich räumlich überlagern oder sind in wenigen Einzelfällen sogar deckungsgleich.
Originalpublikation:
Eichler, Lisa; Meinel, Gotthard; Hörren, Thomas; Sorg, Martin; Köthe, Sebastian; Lehmann, Gerlind; Mühlethaler, Roland: Raumanalyse der ackerbaulichen Flächennutzung in Naturschutz- und FFH-Gebieten in Deutschland. Ein Beitrag zur Minderung von Biodiversitätsschäden in Schutzgebieten. In: Naturschutz und Landschaftsplanung 54 (2022) 04, S. 30-36.
https://doi.org/10.1399/NuL.2022.04.03
Ergänzende Publikation
Brühl, C. A.; Bakanov, N.; Köthe, S.; Eichler, L.; Sorg, M.; Hörren, T.; Mühlethaler, R.; Meinel, G.; Lehmann, G. U. C.: Direct pesticide exposure of insects in nature conservation areas in Germany. In: Scientific Reports 11 (2021): 24144.
https://doi.org/10.1038/s41598-021-03366-w
01.04.2022, Deutsche Wildtier Stiftung
Nesträubern auf der Spur
Deutsche Wildtier Stiftung unterstützt Schutzprojekt für den Austernfischer im nordfriesischen Wattenmeer
Jetzt beginnt die Balzzeit der Austernfischer. Auf den drei Halligen Hooge, Langeneß oder Oland im nordfriesischen Wattenmeer sind die Liebeslockrufe der Männchen nach einem Weibchen derzeit nicht zu überhören. Mit seiner Trillerbalz beeindruckt der Austernfischer nicht nur potenzielle Vogel-Partnerinnen, sondern auch die menschlichen Halligbewohner. Wegen seiner roten Beine und dem langen roten Schnabel wird er auch Kleiner Halligstorch genannt. Aber das alljährliche Schauspiel könnte schon bald zur Seltenheit werden: „Auch wenn der Austernfischer im Frühling sehr präsent scheint, so ist sein Bestand doch bedroht“, sagt Lea-Carina Mendel, Artenschützerin der Deutschen Wildtier Stiftung. Das liegt in erster Linie an den Fressfeinden, die seine Gelege und die Küken rauben.
Die Deutsche Wildtier Stiftung unterstützt den Naturschutzverein Schutzstation Wattenmeer e.V. dabei, den Nesträubern auf die Spur kommen: Durch das Aufstellen von automatischen Kameras an den Nestern können die Vogelschützer herausfinden, durch wen genau und in welchem Umfang die Brut der Austernfischer und anderer Küstenvögel gefährdet sind. Ein erster Zwischenbericht liegt bereits vor. „Die schlimmsten Eierdiebe sind Wanderratten. Sie räumen nachts die Nester aus und greifen sogar die Elternvögel gezielt an“, sagt Lea-Carina Mendel. Dann sieht man einen Altvogel am frühen Morgen statt auf vier Eiern sitzend allein am Nest hocken.
„Jeder Verlust, auch der eines einzelnen Eis, tut weh“, sagt Benjamin Gnep, Koordinator im Brutvogelmonitoring der Schutzstation Wattenmeer e.V. Im letzten Jahr beobachteten die Vogelschützer auf den Halligen 346 Nester und werteten über fünf Millionen Fotos der Gelege aus. Mindestens ein knappes Drittel – 109 Nester – wurde den Aufnahmen zufolge von Wanderratten geplündert; allein 86 davon auf der Hallig Hooge. Aber auch Steinmarder, Füchse oder Möwen haben es auf die Gelege abgesehen.
Das alles sind erste Erkenntnisse, um mehr über das Vorkommen und den Einfluss von tierischen Räubern auf die Bestände der Austernfischer und anderer Küstenvögel zu erfahren. Denn trotz der großen Bedeutung der Halligen als Brutgebiet ist darüber immer noch wenig bekannt. „Wir wollen mit unserer Arbeit diese Wissenslücke schließen, um dann geeignete Schutzmaßnahmen für die Hallig-Vögel entwickeln zu können“, sagt Gnep. So müssten vermutlich die Zugangsmöglichkeiten für standortfremde Fressfeinde, die etwa über Dämme auf die Halligen gelangen, eingeschränkt werden. „Wo das nicht möglich ist, werden wir um Entnahmen nicht herumkommen“, sagt der Artenschützer voraus.
01.04.2022, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
Studie zeigt: Fische können rechnen
Buntbarsche und Stachelrochen können im Zahlenraum bis Fünf einfache Additionen und Subtraktionen durchführen. Das zeigt eine aktuelle Studie der Universität Bonn, die nun in der Zeitschrift Scientific Reports erschienen ist. Wozu die Tiere ihre mathematischen Fähigkeiten benötigen, ist nicht bekannt.
Mal angenommen, auf der Tischplatte vor Ihnen liegen einige Münzen. Bei einer kleinen Anzahl können Sie auf Anhieb sagen, wieviele es genau sind. Sie müssen sie dazu nicht einmal zählen – ein einziger Blick reicht Ihnen. Buntbarsche und Stachelrochen sind uns in diesem Punkt erstaunlich ähnlich: Auch sie sind dazu in der Lage, kleine Mengen exakt zu erfassen – und zwar vermutlich ebenfalls ohne zu zählen. Sie lassen sich zum Beispiel so trainieren, dass sie zuverlässig Dreier- von Vierermengen unterscheiden.
Diese Tatsache ist schon seit einiger Zeit bekannt. Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Vera Schlüssel vom Institut für Zoologie der Universität Bonn hat nun aber gezeigt, dass beide Arten sogar rechnen können. „Wir haben den Tieren beigebracht, einfache Additionen und Subtraktionen durchzuführen“, erklärt Schlüssel. „Dabei mussten sie einen Ausgangswert um eins erhöhen oder vermindern.“
Blau heißt „addiere eins“, gelb „ziehe eins ab“
Doch wie fragt man einen Buntbarsch nach dem Ergebnis von „2+1“ oder „5-1“? Die Forschenden nutzten dazu eine Methode, mit der andere Arbeitsgruppen bereits erfolgreich die mathematischen Fähigkeiten von Bienen getestet hatten: Sie zeigten den Fischen eine Ansammlung geometrischer Formen – zum Beispiel vier Quadrate. Waren diese Objekte blau gefärbt, bedeutete das „addiere eins“. Gelb hieß dagegen „subtrahiere eins“.
Danach wurde die Aufgabe ausgeblendet. Stattdessen bekamen die Tiere zwei neue Abbildungen zu sehen – eine mit fünf und eine mit drei Quadraten. Schwammen sie zu dem richtigen Bild (also bei der „blauen“ Rechenaufgabe zu den fünf Quadraten), wurden sie mit Futter belohnt. Bei der falschen Antwort gingen sie leer aus. Mit der Zeit lernten sie so, die blaue Farbe mit der Erhöhung der anfangs gezeigten Menge um eins zu assoziieren, die gelbe Zahl dagegen mit ihrer Verminderung.
Doch konnten die Fische diese Erkenntnis auch auf neue Aufgaben anwenden? Hatten sie also tatsächlich die mathematische Regel hinter den Farben verinnerlicht? „Um das zu überprüfen, hatten wir beim Training einige Berechnungen absichtlich ausgelassen“, erklärt Schlüssel. „Und zwar 3+1 und 3-1. Nach der Lernphase bekamen die Tiere diese beiden Aufgaben zum ersten Mal zu sehen. Und auch in diesen Fällen schwammen sie meistens zu den korrekten Ergebnissen.“ Das galt sogar dann, wenn sie sich nach der Aufgabe „3+1“ zwischen vier und fünf Objekten entscheiden mussten – also zwei Resultaten, die beide größer waren als der Ausgangswert.
Rechnen ohne Großhirnrinde
Diese Leistung hat die Forschenden selbst überrascht – zumal die gestellten Aufgaben in der Realität sogar noch ein Stück schwieriger waren als eben geschildert. So bekamen die Fische nicht Objekte derselben Form gezeigt (also etwa vier Quadrate), sondern eine Kombination unterschiedlicher Formen. Eine „Vier“ konnte zum Beispiel durch einen kleinen und einen größeren Kreis, ein Quadrat und ein Dreieck repräsentiert werden, in einer anderen Berechnung dagegen durch drei unterschiedlich große Dreiecke und ein Quadrat.
„Die Tiere mussten also die Menge der abgebildeten Objekte erkennen und zugleich aus ihrer Farbe auf die Rechenvorschrift schließen“, sagt Schlüssel. „Sie mussten beides im Arbeitsgedächtnis behalten, als das ursprüngliche Bild gegen die beiden Ergebnisbilder ausgetauscht wurde. Und sie mussten sich danach für das richtige Resultat entscheiden. Insgesamt ist das eine Leistung, die komplexe Denkfähigkeiten erfordert.“
Das ist auch deshalb erstaunlich, weil Fische keinen Neocortex besitzen – den Teil des Gehirns, der auch als „Großhirnrinde“ bekannt ist und bei uns für die meisten komplexen kognitiven Aufgaben zuständig ist. Zudem ist von beiden Fischarten nicht bekannt, dass sie in ihrer ökologischen Nische ein besonders gutes Zahlenverständnis benötigen würden. Andere Arten mögen auf die Streifenzahl ihrer Sexualpartner achten oder die Menge der Eier in ihrem Gelege. „Von Stachelrochen und Buntbarsche kennt man das jedoch nicht“, betont die Zoologie-Professorin der Universität Bonn.
Sie sieht in dem Ergebnis der Experimente auch eine Bestätigung dafür, dass wir Menschen dazu neigen, andere Spezies zu unterschätzen – insbesondere solche, die nicht zu unserer engeren Verwandtschaft zählen. Fische sind zudem nicht besonders niedlich und haben auch kein kuschliges Fell oder Gefieder. „Entsprechend weit unten stehen sie in unserer Gunst – und entsprechend wenig scheren wir uns darum, wenn sie etwa im industriellen Fischfang qualvoll verenden“, sagt Vera Schlüssel.
Originalpublikation:
V. Schluessel, N. Kreuter, I. M. Gosemann & E. Schmidt: Cichlids and stingrays can add and subtract ‘one’ in the number space from one to five; Scientific Reports; https://doi.org/10.1038/s41598-022-07552-2
