Die Pflanzenfresser, die die afrikanische Savanne durchstreifen, sind riesig, und sie fressen viel. Doch irgendwie schaffen sie es alle, ungefähr am gleichen Ort zu leben, unterstützt von der gleichen spärlichen Vegetation. Im Jahr 2013 wollten Ökologen genau wissen, wie das funktioniert. Da Elefanten, Zebras, Büffel und Impalas jedoch viele Kilometer weit wandern, um zu fressen, und es nicht mögen, wenn neugierige Menschen sie beim Fressen beobachten, war es fast unmöglich, ihre Ernährungsgewohnheiten herauszufinden.
Den Forschern blieb, wie so oft, nichts anderes übrig, als den Kot unter die Lupe zu nehmen. Doch die verdauten Pflanzen waren mit menschlichen Augen allein nicht zu identifizieren. Also wandten sie sich für dieses Rätsel an eine relativ neue genetische Technik: DNA-Barcoding.
Die Ökologen nahmen Proben mit ins Labor und untersuchten die DNA der Pflanzenreste auf ein bestimmtes Gen, die Cytochrom c-Oxidase I. Aufgrund seiner Lage in den Mitochondrien der Zelle hat das Gen, kurz COI genannt, eine etwa dreimal so hohe Mutationsrate wie andere Formen der DNA. Das bedeutet, dass es die genetischen Unterschiede zwischen sogar sehr eng verwandten Organismen deutlicher aufzeigt, was es zu einem nützlichen Mittel macht, um Arten in Gruppen von Vögeln bis Schmetterlingen zu unterscheiden – wie das Etikett auf der Innenseite Ihres Hemdes oder ein Strichcode im Supermarkt.
Für diese geniale Methode, die treffend als DNA-Barcoding bezeichnet wird, können wir einem Genetiker danken, der die „anstrengenden“ und zeitraubenden Methoden der traditionellen Taxonomie satt hatte. Paul Hebert, Molekularbiologe an der Universität von Guelph in Kanada, erinnert sich an eine nasse, wolkenverhangene Nacht, in der er als Postdoktorand in Neuguinea Insekten in einem Bettlaken sammelte.
„Als wir sie am nächsten Tag morphologisch sortierten, stellten wir fest, dass es Tausende von Arten waren“, sagt Hebert. Viele davon waren, soweit er das beurteilen konnte, von der Wissenschaft noch nie beschrieben worden. „Mir wurde in dieser einen Nacht klar, dass ich genug Exemplare gefunden hatte, um mich für den Rest meines Lebens zu beschäftigen“, sagt er.
Hebert fährt fort: „In diesem Moment wurde mir so ziemlich … klar, dass die morphologische Taxonomie nicht der Weg sein kann, um das Leben auf unserem Planeten zu erfassen.“ Er gab seine Probensammlungen weg und widmete sich anderen Forschungen in der arktischen Evolutionsbiologie – den „Lebensräumen mit der geringsten Artenvielfalt, die ich finden konnte“, wie er sagt -, aber das Thema der Messung der Artenvielfalt der Erde blieb immer in seinem Hinterkopf.
Mitte der 1990er Jahre machte die Technologie weitere Fortschritte, so dass Forscher immer kleinere DNA-Stücke isolieren und analysieren konnten. Hebert, der als Gastforscher in Australien arbeitete, beschloss, mit der Sequenzierung der DNA verschiedener Organismen „herumzuspielen“ und nach einer einzigen Sequenz zu suchen, die sich leicht isolieren und zur schnellen Unterscheidung von Arten verwenden ließ. „Ich entschied mich für diese eine mitochondriale Genregion, die sich in vielen Fällen als effektiv erwies“, sagt er. Das war COI.
Hebert beschloss, seine Methode in seinem eigenen Garten zu testen, indem er Dutzende von Insekten sammelte und sie mit Barcodes versah. Er stellte fest, dass er die Käfer leicht unterscheiden konnte. „Ich dachte: ‚Hey, wenn es bei 200 Arten in meinem Garten funktioniert, warum sollte es dann nicht auf dem ganzen Planeten funktionieren?‘
Und mit einigen Ausnahmen hat es funktioniert.
Mit dieser Technik konnten die Forscher in der Savannenstudie von 2013 die verschiedenen Ernährungsweisen dieser nebeneinander lebenden Tiere zusammensetzen. „Wir konnten alles, was die Tiere gefressen haben, anhand der Barcodierung ihres Kots erkennen“, sagt W. John Kress, Botanik-Kurator am Smithsonian’s National Museum of Natural History, der an der Studie mitgearbeitet hat. Indem sie Wildtiermanager und Wissenschaftler genau darüber informieren, von welchen Gräsern sich die einzelnen Tiere ernähren, könnten diese Ergebnisse „direkte Auswirkungen auf die Gestaltung neuer Schutzgebiete für diese Tiere haben“, so Kress.
Sie vermittelten den Ökologen auch ein umfassenderes Bild davon, wie das gesamte Ökosystem zusammenarbeitet. „Jetzt kann man sehen, wie diese Arten tatsächlich in der Savanne koexistieren“, sagt Kress. Heute ändert sich die Vorstellung davon, was eine Art ausmacht, dank der DNA-Barcodierung und anderer genetischer Techniken.
Seit den Tagen Darwins haben die Taxonomen die Arten auf der Grundlage ihrer Beobachtungen ausgesiebt. Das heißt, wenn sie wie eine Ente aussieht, wie eine Ente läuft und wie eine Ente klingt – dann gehört sie auf den Entenstapel. Mit der Einführung der DNA-Sequenzierung in den 1980er Jahren änderte sich das Spiel. Durch das Lesen des genetischen Codes, der einen Organismus zu dem macht, was er ist, konnten die Wissenschaftler neue Erkenntnisse über die Evolutionsgeschichte der Arten gewinnen. Der Vergleich der Millionen oder Milliarden von Basenpaaren, aus denen das Genom besteht, kann jedoch ein teures und zeitaufwändiges Unterfangen sein.
Mit einem Marker wie Cytochrom c-Oxidase I lassen sich diese Unterscheidungen schneller und effizienter treffen. Durch Barcoding kann man innerhalb weniger Stunden – so lange dauert die Sequenzierung eines DNA-Barcodes in einem gut ausgestatteten molekularbiologischen Labor – feststellen, dass zwei Arten, die äußerlich genau gleich aussehen, sich auf genetischer Ebene erheblich unterscheiden. Erst letztes Jahr haben Wissenschaftler in Chile mithilfe des DNA-Barcodes eine neue Bienenart identifiziert, die Insektenforscher in den letzten 160 Jahren übersehen hatten.
In Zusammenarbeit mit Hebert konnten Experten wie der Entomologie-Kurator des National Museum of Natural History, John Burns, viele Organismen unterscheiden, die früher für ein und dieselbe Art gehalten wurden. Dank der Fortschritte in der Technik können Forscher nun auch Museumsexemplare aus den 1800er Jahren mit Strichcodes versehen, so Burns, was die Möglichkeit eröffnet, lange festgelegte Artdefinitionen neu zu klassifizieren. Ein Jahr, nachdem Hebert die DNA-Barcodierung vorgestellt hatte, nutzte Burns sie selbst, um einen solchen Fall zu identifizieren – eine Schmetterlingsart, die um 1700 identifiziert wurde und sich in Wirklichkeit als 10 verschiedene Arten herausstellte.
Die Klärung undurchsichtiger Artdefinitionen hat auch außerhalb der akademischen Welt Auswirkungen. Es kann Wissenschaftlern und Gesetzgebern ein besseres Gefühl für die Anzahl und den Gesundheitszustand einer Art vermitteln, was für ihren Schutz von entscheidender Bedeutung ist, sagt Craig Hilton-Taylor, der die „Rote Liste“ der International Union for the Conservation of Nature leitet. Während sich die Organisation auf verschiedene Expertengruppen stützt, die aus unterschiedlichen Blickwinkeln darüber entscheiden, wie eine Art am besten zu definieren ist, hat die DNA-Barcodierung vielen dieser Gruppen geholfen, genauer zwischen verschiedenen Arten zu unterscheiden.
„Wir bitten sie, über all die neuen genetischen Beweise nachzudenken, die jetzt auftauchen“, sagt Hilton-Taylor über die heutigen Verfahren der IUCN.
Die ursprüngliche Barcoding-Technik war zwar innovativ, hatte aber auch ihre Grenzen. Sie funktionierte beispielsweise nur bei Tieren, nicht bei Pflanzen, weil das COI-Gen in Pflanzen nicht schnell genug mutiert. Im Jahr 2007 half Kress dabei, Heberts Technik zu erweitern, indem er andere Gene identifizierte, die in Pflanzen ähnlich schnell mutieren, wodurch Studien wie die in der Savanne möglich wurden.
Kress erinnert sich daran, wie er und sein ehemaliger Kollege, der Ökologe Carlos García-Robledo von der University of Connecticut, ab 2008 DNA-Barcoding einsetzten, um die verschiedenen Pflanzen zu vergleichen, von denen sich verschiedene Insektenarten im Regenwald von Costa Rica ernährten. Sie konnten Insekten sammeln, sie zerkleinern und schnell die DNA aus ihren Eingeweiden sequenzieren, um festzustellen, was sie gefressen haben.
Früher hätten García-Robledo und andere Wissenschaftler die Insekten mühsam verfolgen und ihre Ernährung dokumentieren müssen. „Es kann Jahre dauern, bis ein Forscher die Ernährung einer Gemeinschaft von Insektenfressern in einem tropischen Regenwald ohne die Hilfe von DNA-Barcodes vollständig verstanden hat“, sagte Garcá-Robledo in einem Interview mit Smithsonian Insider im Jahr 2013.
Inzwischen konnten sie diese Forschung ausweiten, indem sie untersuchten, wie sich die Anzahl der Arten und ihre Ernährung in verschiedenen Höhenlagen unterscheiden und wie sich steigende Temperaturen aufgrund des Klimawandels darauf auswirken könnten, da die Arten gezwungen sind, sich immer höher zu bewegen. „Wir haben ein ganzes, komplexes Netzwerk entwickelt, wie Insekten und Pflanzen interagieren, was vorher unmöglich war“, sagt Kress.
„Plötzlich konnten wir mit Hilfe der DNA auf viel einfachere Weise diese Experimente verfolgen, quantifizieren und wiederholen und diese Dinge auf viel detailliertere Weise verstehen“, fügt er hinzu. Kress und andere Forscher setzen das Barcoding jetzt auch ein, um Bodenproben auf die darin lebenden Organismengemeinschaften zu analysieren, sagt er. Barcoding ist auch ein vielversprechender Weg, um Reste von genetischem Material in der Umwelt zu identifizieren.
„Für Ökologen“, sagt Kress, „eröffnet das DNA-Barcoding wirklich eine ganz andere Möglichkeit, Dinge in Lebensräumen zu verfolgen, in denen wir sie vorher nicht verfolgen konnten.“
Dadurch, dass Wissenschaftler ein bestimmtes Gen unter die Lupe nehmen können, anstatt ganze Genome sequenzieren und vergleichen zu müssen, hatte Hebert gehofft, dass seine Methode genetische Analysen und Identifizierungen viel schneller und kostengünstiger als eine vollständige Sequenzierung ermöglichen würde. „Die letzten 14 Jahre haben gezeigt, dass es viel effektiver funktioniert und viel einfacher zu implementieren ist, als ich erwartet hatte“, sagt er jetzt.
Aber er sieht noch Raum für Fortschritte. „Wir haben wirklich mit unzureichenden Daten über die Häufigkeit und Verbreitung von Arten zu kämpfen“, sagt Hebert heute über die Naturschützer. Moderne Scanner sind bereits in der Lage, Hunderte von Millionen von Basenpaaren in wenigen Stunden zu lesen, verglichen mit den Tausenden von Basenpaaren, die mit früherer Technologie in derselben Zeit gelesen werden konnten.
Hebert stellt sich eine Zukunft vor, in der die DNA automatisch von Sensoren auf der ganzen Welt gesammelt und sequenziert wird, so dass Naturschützer und Taxonomen Zugang zu riesigen Datenmengen über den Zustand und die Verbreitung verschiedener Arten haben. Er arbeitet derzeit an einer weltweiten Bibliothek von DNA-Strichcodes, mit deren Hilfe Wissenschaftler ein unbekanntes Exemplar schnell identifizieren können – eine Art Pokedex im echten Leben.
„Wie würden Sie den Klimawandel vorhersagen, wenn Sie die Temperatur an einem Punkt des Planeten oder an einem Tag im Jahr messen würden?“ betont Hebert. „Wenn wir uns ernsthaft mit der Erhaltung der biologischen Vielfalt befassen wollen, müssen wir unsere Ansichten über den Umfang der Überwachung, die erforderlich ist, völlig ändern.