Senckenberg Forschung

Kryptische Biodiversität und Klima

Köcherfliegen-Ausbeute eines Lichtfangs
Köcherfliegen-Ausbeute eines Lichtfangs.

 

Kryptische Biodiversität ist für menschliche Sinne unsichtbar und dennoch von immenser Bedeutung für den Fortbestand der Arten. Welchen Einfluss hat der Klimawandel darauf?  Häufig keinen günstigen – schließen Wissenschaftler des Biodiversität und Klima Forschungszentrum (Bik-F) aus einer neuen Übersichtsstudie.

Genetische Diversität als fundamentale Ebene der Biodiversität

Kryptische Diversität umfasst die für den Menschen nicht unmittelbar erkennbare biologische Vielfalt. Dabei spielt vor allem die genetische Diversität eine bedeutende Rolle. Genetische Diversität beschreibt die Vielfalt genetischer Varianten innerhalb von Arten und ist die fundamentale Ebene biologischer Diversität. Da genetische Diversität in Unterschieden in den Nukleinsäureabfolgen der DNA festgelegt ist, bleibt sie den menschlichen Sinnen verborgen. Sie ist also kryptisch und nur mit Hilfe moderner Technik erkennbar.

Steffen Pauls bei Lichtfang in den Pyrenäen
Steffen Pauls beim Lichtfang in den Pyrenäen. Hier wurden gezielt
Arten für populationsgenetische Studien gesammelt.

Genetische Diversität ist deswegen so wichtig, weil sie die Basis für die Variabilität aller Merkmale von Individuen einer Art oder von Populationen ist. Somit ist sie die Grundlage für natürliche Selektion, Evolution und Anpassung an sich verändernde Umweltbedingungen und spielt für die Fitness von Individuen und die Stressresistenz von Populationen eine entscheidende Rolle. Deshalb hat die UN molekulare Diversität schon 1992 neben der Diversität von Arten und Ökosystemen zu einem essenziellen Baustein der Biodiversität erklärt.

Ungeachtet dessen spielt diese Ebene bislang nur eine untergeordnete Rolle in der Erforschung der Interaktionen zwischen Biodiversität und Klima. Am BiK-F wird daher gezielt untersucht, welche Bedeutung genetische Vielfalt für Biodiversitätsprognosen unter Klimawandelbedingungen hat, welche Auswirkungen die zu erwartenden Arealverschiebungen auf die genetische Vielfalt von Populationen und Arten haben, und inwieweit der Verlust genetischer Vielfalt die Überlebensfähigkeit von Organismen langfristig reduziert.

Genetische Diversität und Arealverschiebung

Versuchsaufbau eines Temperaturexperimentes mit Zuckmücken
Versuchsaufbau eines Temperaturexperiments mit dem Modell-
organismus Chironomus riparius (Zuckmücke). Die Tiere werden in
Aquarien verschiedenen Temperaturverläufen ausgesetzt, die
heutigen Bedingungen oder aber berechneten Wassertemperatur-
verläufen unter Klimawandelbedingungen entsprechen.

Klima wirkt sich auf sehr unterschiedliche Art und Weise auf die Zusammensetzung innerartlicher genetischer Diversität aus. Steffen Pauls und Kollegen zeigen in einer neuen, zusammenfassenden Übersichtsstudie, dass die meisten durch den Klimawandel ausgelösten Prozesse die genetische Diversität betroffener Arten verringern werden. Es ist z. B. bereits dokumentiert, dass die Verbreitung von Arten und Populationen stark vom Klima beeinflusst wird und dass sowohl historische Klimaänderungen, z. B. während der letzten Eiszeiten im Pleistozän, als auch die gegenwärtige Klimaveränderung zur Verschiebung bzw. Veränderung von Verbreitungsgebieten von Arten führt. Zudem wissen wir, dass genetische Diversität nicht gleichmäßig innerhalb von Arten oder Population verteilt ist, und dass somit Arealveränderungen starke Auswirkungen auf die genetische Diversität von Arten haben können. So sind zum Beispiel die Populationen an der Ausbreitungsfront oft genetisch verarmt, was an der Süßwasserschnecke Radix balthica gezeigt werden konnte. Die Bestände am hinteren Ende der sich verschiebenden Areale sind dagegen oft genetisch divers und bestehen aus hochgradig differenzierten, alten Linien. Genau diese Linien tragen jedoch oft wenig zu einer Arealerweiterung bei, was das langfristige Anpassungspotenzial einer Art an sich ändernde Bedingungen aufgrund der geringen genetischen Variabilität an der Ausbreitungsfront herabsetzen kann.

Genetische Diversität und Anpassungspotenzial

Die Reduzierung genetischer Diversität wird durch zusätzliche anthropogene Belastungsfaktoren noch verstärkt. Ein Verlust an genetischer Diversität geht aber vielfach mit einer Verringerung der Fitness und einem verminderten Anpassungspotenzial an wechselnde Umweltbedingungen einher. So wird klimawandelbedingter Verlust genetischer Vielfalt in vielen Fällen zu einer verringerten Anpassungsfähigkeit an weitere Umweltveränderungen führen. Allerdings sind die konkreten Auswirkungen von veränderten Umweltbedingungen – inklusive jener, die durch den Klimawandel beeinflusst werden, z. B. Temperaturverläufe im Jahre, Extremtemperaturen, Niederschlagsdynamik – auf die genetische Diversität von Arten bislang wenig untersucht.

Montane Köcherfliege auf einem Blatt
Die montane Köcherfliege Drusus discolor könnte
klimawandelbedingt große Teile ihres Areals und damit
verbunden ihrer genetischen Vielfalt in Mitteleuropa
verlieren. (Foto: Astrid Schmidt-Kloiber, Wolfram Graf)

Am BiK-F wird zu diesem Thema intensiv geforscht. Dabei wird vor allem die heimische Zuckmückenart Chironomus riparius als Modellart verwendet. Eine positive Korrelation zwischen hoher genetischer Diversität und Temperatur- sowie Schadstofftoleranz konnte durch eine Serie von experimentellen Chironomus-Studien belegt werden. Darauf aufbauend wurden in einer gerade abgeschlossenen BiK-F-Studie genetisch diverse und verarmte Mückenpopulationen in einem Laborexperiment simulierten Klimawandelbedingungen ausgesetzt, um zu untersuchen, inwieweit genetische Diversität die Überlebensfähigkeit von Populationen unter Klimawandelbedingungen beeinflusst. Unter „heutigen“ simulierten Temperaturprofilen überlebten sowohl genetisch diverse als auch verarmte Populationen. Wassertemperaturen, wie sie durch Klimamodelle bis zum Ende dieses Jahrhunderts vorhergesagt werden, führten zum Aussterben aller getesteten genetisch verarmten Linien während der extremen Sommertemperaturmaxima, während einige genetisch diverse Stämme diese Extrembedingungen überlebten und sich weiter erfolgreich fortpflanzten. Dieses Ergebnis zeigt, dass eine hohe genetische Diversität für das Überleben von Populationen und Arten zukünftig von besonderer Bedeutung sein könnte.

In einem weiteren experimentellen Ansatz konnten Sabrina Nemec und Kollegen zeigen, dass Populationen der Zuckmücke C. riparius über einen europaweiten Gradienten hinweg an lokale Klimabedingungen angepasst sind. Mitteleuropäische Mücken reagieren also gegenüber starken Wassertemperaturerhöhungen sensibler, was zeigt, dass sich der Klimawandel nicht nur aufgrund unterschiedlicher Auswirkungen auf das Regionalklima, sondern auch aufgrund der unterschiedlichen genetischen Ausstattung der lokalen Populationen regional verschieden auf die Biodiversität auswirken wird. Wie schnell Änderungen der Umweltbedingungen zu genetischen Diversitätsänderungen führen können, ist bislang wenig erforscht. Carsten Nowak und Kollegen stellten im Rahmen von Laborexperimenten fest, dass eine Pestizidbelastung im umweltrelevanten Bereich die genetische Diversität von Zuckmückenpopulationen innerhalb weniger Generationen signifikant verringern kann. Zu ähnlichen Resultaten kommt auch die Arbeitsgruppe um Ruth Müller für experimentelle Populationen derselben Zuckmückenart, die unter Klimawandelbedingungen ebenfalls eine Verringerung der genetischen Vielfalt innerhalb weniger Generationen zeigte.

 

 

Grafik: Einfluss des Klimawandels auf genetisch verarmte Zuckmücken-Populationen
Einfluss des Klimawandels auf die Fitness von genetisch verarmten Populationen. Im Temperaturexperiment  produzieren genetisch verarmte Zuckmücken (Gen-) unter Klimawandelbedingungen (Z) signifikant weniger  Nachkommen als genetisch diverse Populationen. Der Effekt ist nicht immer zu sehen, sondern tritt lediglich bei Erreichen von Temperaturmaxima im Sommer auf (rechts), während unter heutigen Wassertemperaturbedingungen (H) oder konstanten Kontrollbedingungen (K) keine Unterschiede messbar sind.

 

 

Biodiversitätsprojektionen und kryptische Diversität

Die meisten gängigen Studien und Ansätze zur Abschätzung der Auswirkung des Klimawandels auf die Tier- und Pflanzenwelt konzentrieren sich auf „klassisch“ beschriebene Arten, also Gruppen von Organismen, die morphologisch klar voneinander getrennt sind . Die Vielfalt genetischer Variationen und Abweichungen innerhalb beschriebener Arten, also die kryptische Biodiversität, wurde bislang jedoch nicht berücksichtigt.

Eintagsfliegen
Frisch geschlüpfte Eintagsfliegen (Adulte und Subadulte). Adulte
unterschiedlicher Eintagsfliegenarten sind  morphologisch oft nicht
zu unterscheiden, d. h. sie sind kryptisch. Sie können oft nur im
Larvenstadium oder mittels genetischer Analysen klar unterschieden
werden.

Dies wurde am BiK-F in zwei Pilotstudien an Wasserinsekten demonstriert. Bisherige Studien zur Populationsgenetik von montanen Wasserinsekten haben gezeigt, dass diese inselartig verbreiteten Arten in der Regel eine recht geringe Ausbreitungsfähigkeit aufweisen. Alle bisher untersuchten Arten weisen ein hohes Maß an genetischer Differenzierung zwischen den einzelnen Mittelgebirgen auf und zeigen oft auch eine starke genetische Differenzierung zwischen Gewässern innerhalb von Gebirgen. Dies bedeutet, dass diese Arten unter schnellen Klimawandelbedingungen nur beschränkt fähig sein werden, neue Areale zu besiedeln. Ihre limitierte Ausbreitungsfähigkeit, kleine Populationsgrößen und mögliche Adaptation an kalte Lebensräume bedingen ihre inselartige Verbreitung und erhöhen das Aussterberisiko unter veränderten Klimabedingungen.

 

Ram Devi Tachamo Shah sammelt Insektenlarven für genetische Studien vor dem 7200 m hohen Berg Langtang (Nepal)
Ram Devi Tachamo Shah sammelt Insektenlarven für genetische
Studien vor dem 7200m hohen Berg Langtang (Nepal).

In beiden Pilotstudien wurden Prognosen berechnet, wo im Jahr 2080 für die untersuchten Wasserinsekten klimatisch geeignete Gebiete zu erwarten sind. Das Ergebnis war eindeutig. Das Vorkommen von klimatisch geeigneten Gebieten wird für die meisten dieser kälteliebenden Arten stark verringert werden. In manchen Regionen, in denen die Arten heute vorkommen, z. B. im Zentralmassiv Frankreichs oder den deutschen Mittelgebirgen, wird es nach den heutigen Klimaszenarien im Jahr 2080 keine geeigneten klimatischen Bedingungen mehr für diese Arten geben. Vorkommensschwerpunkte werden dann wahrscheinlich nur noch hohe Gebirgszüge (Alpen) und nördliche Regionen (Skandinavien) sein. Ein Aussterben regionaler Populationen geht mit dem Verlust aller genetischen Varianten einher, die nur in diesen Regionen existieren. Viele dieser Varianten bilden sogenannte evolutiv unabhängige Linien, also Populationen, die möglicherweise auf dem Weg der Artbildung sind. Die Pilotstudien konnten so zeigen, dass wir den potenziellen Verlust von Biodiversität stark unterschätzen könnten, wenn wir uns nur auf die „klassischen“, morphologisch beschriebenen Arten konzentrieren und die genetische Vielfalt außer Acht lassen.

Die Methoden der Pilotstudien wurden seither weiter verbessert und statistisch erweitert. Das Besondere dieser Methoden liegt darin, dass sie nicht nur für künftige Studien anwendbar sind, sondern auch bereits vorhandene Datensätze damit entsprechend ausgewertet werden können. Durch die Anwendung von Methoden, wie sie am BiK-F entwickelt werden, wird es möglich, abzuschätzen abzuschätzen, welche Arten und Populationen besonders von einem klimawandel-induzierten Verlust an genetischer Diversität betroffen sein könnten. Hier liegt auch die Chance, die genetische Vielfalt zu nutzen, um den Natur- und Umweltschutz effizienter zu machen. Ein derzeit viel diskutiertes Thema ist der Umgang mit Schutzgebieten unter Klimawandelbedingungen. Wenn man die genetische Vielfalt einer Zielart des Naturschutzes kennt, kann man Schutzgebiete auch danach ausrichten, wo in Zukunft sowohl geeigneter Lebensraum für die Art als auch ein hohes Maß an innerartlicher genetischer Diversität erhalten werden könnten. Dieser Ansatz wurde jüngst im Rahmen einer BiK-F- Studie am Beispiel des Wald-Storchschnabels (Geranium sylvaticum) im Taunus erfolgreich durchgeführt und damit die Praxistauglichkeit des Ansatzes belegt.

Im Naturschutz ist die Zeit gekommen, Biodiversität nicht als eine starre Anhäufung von Arten zu begreifen, sondern als eine Vielzahl evolutionärer Linien, die in ständiger Änderung begriffen sind. Der Verlust einer solchen Linie, egal ob sie heute als eigene „Art“ definiert ist oder nicht, kann einen zum jetzigen Zeitpunkt nicht abschätzbaren zukünftigen Biodiversitätsverlust bedeuten. Moderne, an den Klimawandel angepasste Naturschutzstrategien sollten daher den Erhalt der genetischen Vielfalt innerhalb von Arten berücksichtigen.

 

 Autoren

 Dr. Carsten Nowak

Dr. Carsten Nowak, geboren 1977, studierte und promovierte an der Goethe-Universität Frankfurt am Main. Nach einem Postdoc-Aufenthalt an der University of Notre Dame, Indiana, übernahm er die Leitung des Fachgebiets Naturschutzgenetik bei Senckenberg und erforscht dort an aquatischen Invertebraten die Bedeutung genetischer Diversität für die Überlebensfähigkeit von Populationen sowie den Einfluss von Umweltfaktoren auf die genetische Diversität. Daneben spielt die Wildtiergenetik als Schlüsselstelle zwischen Wissenschaft und angewandtem Artenschutz eine immer größere Rolle im Fachgebiet Naturschutzgenetik.

 
  

Dr. Steffen Pauls

Dr. Steffen Pauls, geboren 1975, studierte Ökologie an der Universität Duisburg-Essen. Er promovierte 2004 in der Abteilung Hydrobiologie der Universität Duisburg-Essen in Kooperation mit dem Forschungsinstitut Senckenberg mit einer Arbeit zur Phylogeografie montaner Wasserinsekten. Nach Postdoc-Stipendien am Field Museum in Chicago (DAAD, 2005-2006) und an der University of Minnesota (Leopoldina, 2007-2010) arbeite t er seit 2010 als Nachwuchsgruppenleiter ‚Aquatische Evolutionsökologie‘ am Biodiversität und Klima Forschungszentrum (BiK-F). Er untersucht die Populationsgenetik, Phylogeografie und molekulare Systematik von Wasserinsekten unter Berücksichtigung von historischem und rezentem Klimawandel.


Dr. Miklos Bálint

Dr. Miklos Bálint, geboren am 29.09.1980, studierte und promovierte in Cluj, Rumänien. Seit 2010 hält er eine Postdoc-Stelle am Biodiversität und Klima Forschungszentrum (BiK-F) inne. Dort beschäftigt er sich mit dem Einfluss des Klimawandels auf die genetische Vielfalt von aquatischen Insekten. Gegenwärtig befasst er sich zudem mit Diversität und Komposition mikrobieller Pilzgemeinschaften. Dabei nutzt er „next-generation“-DNS-Sequenzierungsmethoden.

 


 

Prof. Dr. Markus Pfenninger

Prof. Dr. Markus Pfenninger, geboren 1967, studierte Biologie an der Goethe-Universität. Nach  einem Postdoc-Aufenthalt in Frankreich (NATO, 1997/98) arbeitete er als Assistent in der Gruppe von Prof. Streit (Goethe-Universität), wo er 2003 habilitierte. Von der Stelle als Laborleiter bei BiK-F wurde er als Professor für Molekulare Ökologie an die Goethe Universität berufen. Die Frage nach den ultimaten und proximaten Gründen für die Verbreitung von Arten unter der besonderen Berücksichtigung des Klimas bearbeitet er mit Methoden der Ökologie, Phylogenie, Populationsgenetik und Genomik.

 

https://die-welt-baut-ihr-museum.de