Herpetologie

Forschung

Anthropogene Auswirkungen auf die Biodiversität

Ausgewählte Projekte

Amphibien auf dem neusten Stand der Technik

Nach dem Millennium Ecosystem Assessment (MEA) hat die Veränderung der Lebensräume einen wachsenden Einfluss auf die Ökosysteme der tropischen Wälder. Die umweltschädliche Waldrodung zählt zu den direkten Ursachen der Schädigung des Ökosystems Wald. Tatsächlich ist die Abholzung von tropischen Wäldern derzeit der häufigste kommerzielle Nutzen und ist eine der größten Bedrohungen für die globale Wirbeltiervielfalt. Aufgrund der Veränderung der Ökosysteme der Tropenwälder werden Diskussionen über Biodiversität und die Entwicklung neuer Konzepte immer relevanter, um die zunehmende Waldrodung zu stoppen.

Tropische Amphibien sind eine vielfältige Wirbeltiergruppe, die von mehreren Faktoren bedroht wird. Seit ihrem ersten Auftreten vor etwa 299-251 Millionen Jahren hat sich diese Gruppe zu einer der vielfältigsten Gruppen von Landwirbeltieren entwickelt; derzeit sind mehr als 7. 000 Amphibienarten anerkannt. Seit Mitte der 1980er Jahre ist die Gesamtzahl der entdeckten Arten um über 60% gestiegen und angesichts dieser Vielzahl neuer Beschreibungen könnten Amphibien in den nächsten Jahren möglicherweise die Anzahl der Vogel- und Reptilienarten übertreffen. Trotz dieser vermeintlich evolutionären Erfolgsgeschichte stehen viele Amphibienarten auf der ganzen Welt vor einem starken Bevölkerungsrückgang oder gar Aussterben. Aufgrund ihrer Physiologie, meist kurzlebiger Generationen und eines überwiegend biphasischen Lebenszyklus sind Amphibien besonders empfindlich gegenüber Lebensraumveränderungen und veränderbarer mikroklimatischer Bedingungen.

Im Rahmen mehrerer Projekte in Brasilien, Guyana, Surinam und Westafrika beschäftigen wir uns mit der Frage, ob und wie sich anthropogene Lebensraumveränderungen, wie z. B. die Abholzung, auf die Diversität komplexer tropischer Amphibiengemeinschaften auswirken. Wir konzentrieren uns insbesondere auf funktionale Aspekte der Vielfalt und auf Interaktionen zwischen verschiedenen Diversitätsstufen (Arten, funktionale, trophische Vielfalt) auf verschiedenen Skalen (lokal, regional, überregional). Unser allgemeines Ziel ist es, die Wechselwirkungen zwischen Biodiversität und Ökosystemen in komplexen tropischen Systemen unter dem Einfluss menschlicher Veränderungen aufzuklären.

In Kombination mit zusätzlichen amphibischen Gemeinschaftsdatensätzen aus anderen wichtigen Regionen, z. B. Südostasien, werden diese Datensätze in groß angelegten Metaanalysen verwendet. Das Ziel dabei ist es, Modelle für Ökosystemmängel und -zerfall zu etablieren, die empirische Muster des Diversitätswandels und potenzielle ökologische Kaskadierungen berücksichtigen.

Tropische Agrarökosysteme im Hinblick auf Landnutzung und den Klimawandel

Menschliche Eingriffe in die globale Umwelt, einschließlich in den anthropogenen Klimawandel und die Veränderung des Lebensraums durch Landnutzung, hat das sechste große Aussterbeereignis in der Geschichte des Lebens ausgelöst. Diese Veränderungen in der Biodiversität verändern Ökosystemprozesse und ändern die Widerstandsfähigkeit von Ökosystemen gegenüber Umweltveränderungen. Dies hat tiefgreifende Folgen für Dienstleistungen, die der Mensch aus Ökosystemen bezieht. Neuere Studien deuten darauf hin, dass der Rückgang der Biodiversität und die Veränderung der Lebensräume die zukünftige Funktionsfähigkeit von Ökosystemen beeinflussen. Amphibien spielen eine zentrale Rolle in Ökosystemen und unterstützen viele Ökosystemdienstleistungen, insbesondere in Regionen, in denen dramatische Landnutzungsänderungen vorgefallen sind. Gleichzeitig ist diese vielfältige Wirbeltiergruppe besonders anfällig für Umweltzerstörungen und erlebt einen dramatischen Rückgang in der Weltbevölkerung. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten bi-nationalen interdisziplinären Projekts INNOVATE untersuchen wir die Auswirkungen von Landnutzung und Klimawandel auf die amphibische Vielfalt des Itaparica-Stausees, der sich in einem stark betroffenen Caatinga-Gebiet im Nordosten Brasiliens befindet.

Wir berücksichtigen insbesondere die Auswirkungen von Landnutzungsänderungen auf Raubtier-Beute-Wechselwirkungen in Agrarökosystemen und die Auswirkungen von Agrochemikalien auf amphibische Populationen. Eine vorrangige Dienstleistung in diesen vom Menschen betroffenen Ökosystemen ist die biologische Schädlingsbekämpfung durch Wirbeltierprädatoren, im Falle des Caatinga-Bioms insbesondere meist opportunistische Amphibien- und Reptilienprädatoren. Wir werden daher die Zusammenhänge zwischen Amphibien- und Reptilienvielfalt und Arthropoden-Schädlingsarten entlang eines bestehenden Landnutzungsgradienten analysieren.

INNOVATE besteht aus 22 bi-national besetzten Forschungsmodulen, die zu sieben Teilprojekten (SP) gehören. Deutsche Partner sind die Technische Universität Berlin (TUB), die Universität Hohenheim (UHOH), die Fachhochschule Dresden (HTW), die Senckenberg Naturkundlichen Sammlungen Dresden (SNSD), das Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) und das Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK). Zu den brasilianischen Partnern gehören zwei Bundesuniversitäten in Recife (UFPE und UFRPE), das Agricultural Institute of Pernambuco State (IPA), das Technology Institute of Pernambuco (ITEP), der Bodenteil der Brasilianischen Agricultural Research Corporation (EMBRAPA Solos) und das National Institute of the Semi-Arid Region (INSA).

Biologische Ausbreitung und exotische Arten

Ausgewählte Projekte

Nicht-invasive Eindringlinge aus der Karibik

Der neotropische Frosch Eleutherodactylus johnstonei (Johnstone’s Whistling Frog) wurde aufgrund seiner weiten Verbreitung als hochinvasive Art bezeichnet und wird voraussichtlich seine Reichweite aufgrund neuerer Klimamodellannahmen deutlich erweitern. Der Frosch wurde in eine Reihe von südamerikanischen Festlandorten eingeführt, darunter Guyana, Französisch-Guayana, Venezuela und Kolumbien. Andere Arten der Gattung sind auf ozeanischen Inseln wie Hawaii invasiv geworden, wo sie schwerwiegende biologische und wirtschaftliche Probleme darstellen. In diesem Projekt bewerten wir den aktuellen Status und das Invasionspotenzial der eingeführten E. johnstonei anhand statistischer Lebensraum-analysen in Kombination mit Feldüberwachungsroutinen der eingeführten Populationen in Französisch-Guayana und Guyana. Feldbasierte Studien werden durch detaillierte quasi-experimentelle Studien über eingeführte Treibhauspopulationen in mehreren europäischen botanischen Gärten ergänzt, in denen Frösche sowohl bewusst als auch unbeabsichtigt über Pflanzen aus ursprünglichen Feldstandorten eingeführt wurden.

Dieses Projekt wird in Zusammenarbeit mit David Massemin (St. Laurent du Maroni, Fr. Guyana) und Ingo Kowarik (Ökosystemwissenschaften, Technische Universität Berlin, Deutschland), Heinz Schneider (Botanischer Garten und Institut, Universität Basel, Schweiz) geführt.

Populationsökologie und Naturschutz

Ausgewählte Projekte

Überbrückung der Lücke

Der einst im deutschen Tiefland weit verbreitete Laubfrosch (Hyla arborea) hat in den letzten Jahrzehnten einen enormen Bevölkerungsrückgang erlebt. Damit ist er zu einer der Vorzeige-Arten für den Naturschutz in Mitteleuropa geworden und gilt heute in den meisten mitteleuropäischen Gebieten als gefährdet. Viele Rückgänge wurden durch massive Lebensraumzerstörung und intensive Landnutzung in den letzten Jahren verursacht. Die kontinuierliche Veränderung der Landschaften durch menschliche Aktivitäten führt zur Schädigung und zum Verlust natürlicher Lebensräume sowie zu deren Zersplitterung. Der Laubfrosch ist besonders anfällig für die Zerstörung  geeigneter Lebensräume, d. h. warme, niedrig bewässerte, nicht eutrophe Teiche, in denen keine Fische leben. Obwohl Naturschutzgebiete in vielen Ländern gewahrt werden, sind sie oft nur ein kleiner Bruchteil in viel genutzten Landschaften. Die Isolierung und Fragmentierung verhindert die Artenmigration und kann darüber hinaus zu einer stärkeren genetischen Aufteilung der Populationen, einer höheren Inzucht und dem Verlust der genetischen Vielfalt innerhalb dieser Populationen führen.

In diesem Projekt untersuchen wir die Populationsstruktur und -dynamik von Laubfroschpopulationen im Biosphärenreservat &“Flusslandschaft Elbe“ in Brandenburg, Norddeutschland. Die Populationen in diesem Gebiet sind bekanntlich verstreut, aber es ist nicht klar, ob dies auf historische Verteilungsmuster oder die jüngste Fragmentierung von Lebensräumen zurückzuführen ist. In einem synthetischen Ansatz, der populationsökologische (Habitat Modelle und Metapopulationsanalyse) und populationsgenetische (Mikrosatelliten) Methoden kombiniert, möchten wir aktuelle Verteilungsmuster auflösen und die Populationsstruktur erhellen, um wichtige Daten für mögliche Wiedereingliederungsversuche zu erhalten.

Naturschutz-Vorzeigemodell oder zum Aussterben verurteilt?

Die in Guyana ansässige internationale Non-Profit-Organisation Iwokrama International Centre for Rainforest Conservation and Development (www. iwokrama. org/;), die von der Regierung in Guyana und dem Commonwealth-Sekretariat gegründet wurde, will diesen Entscheidungsprozess fördern, indem sie der Debatte entscheidende Impulse gibt. Die Organisation bewirtschaftet fast 371. 000 Hektar unberührten GS-Regenwaldes, um das Konzept eines wirklich nachhaltigen Waldes zu testen, bei dem sich Schutz, Umweltbilanz und wirtschaftliche Nutzung gegenseitig verstärken können. Dieses Konzept umfasst sowohl nachhaltige Forstwirtschaft (z. B. NonTimberForestProducts, selektive Abholzung) als auch Ökotourismus. Letzteres wird oft als eines der wenigen unbestreitbaren Beispiele für nachhaltige Entwicklung am Arbeitsplatz gesehen, weil es nicht nur mit dem Schutz der Biodiversität vereinbar ist, sondern auch wirtschaftliche Einnahmen aus den für den Naturschutz vorgesehenen Flächen generiert. Darüber hinaus kann der Ökotourismus dazu beitragen, die Öffentlichkeit über Naturschutzfragen aufzuklären und so ein besseres Management von Schutzgebieten zu unterstützen.

In einem gemeinsamen Projekt untersuchen wir die Möglichkeiten und Grenzen von Konzepten, die darauf abzielen, Ökotourismus und (amphibischen) Naturschutz in einem zukünftigen Ökotourismusgebiet, den so genannten Turu-Fällen, innerhalb des Iwokrama-Waldökosystems in Einklang zu bringen. Insbesondere bewerten wir den Populationsstatus von den zwei Froscharten Atelopus und Allobates und bewerten ihr Potenzial als Vorzeigearten. Ziel des Projekts ist es, populations-ökologische und konservierungsgenetische Analysen der Arten im Rahmen einer wissenschaftlich basierten Projektstudie zu kombinieren.

Biodiversitätserkundung

Ausgewählte Projekte

Versteckte Juwelen in einem vergessenen Biodiversitäts-Hotspot

Die letzten verbliebenen Regenwaldflächen im Norden Angolas wurden in Biodiversitätsstudien weitgehend vernachlässigt. Aufgrund der vermuteten Verbindung mit der großen kongolesischen Waldbioregion und ihrer einzigartigen Position im Bereich der angolanischen Ökosysteme versprechen diese Flächen jedoch, eine außergewöhnlich reiche Herpetofauna zu beherbergen. Gleichzeitig stehen sie unter dem enormen Druck der zunehmenden Waldrodung.
Wir führen derzeit Biodiversitätsbewertungen durch, um grundlegende faunistische Daten durch Feldbeobachtungen, bioakustische Untersuchungen und DNA-Barcodierung zu generieren, die letztendlich zu einem besseren Verständnis der Biodiversität im Norden Angolas beitragen werden. Diese Aktivitäten sind derzeit in ein Programm „Qualitätsnetz Biodiversität“ des Deutschen Akademischen Austauschdienstes (DAAD) unter Führung der TU Dresden und der Universidade Kimpa Vita in Uíge, eingebettet und werden teilweise von der TU Dresden und der Paul Ungerer Stiftung finanziert.

Gemeinschaftsphylogenetik und Merkmalsbasierte Ökologie

Ausgewählte Projekte

Zeit zum Fusionieren- Die Phylogenetik hinter der gemeinschaftlichen Versammlung

Die Erforschung der biologischen Vielfalt ist hauptsächlich dank zwei Forschungsrichtungen vorangekommen, die mit zwei (erst kürzlich) getrennten wissenschaftlichen Disziplinen (der Evolutionsbiologie und der Ökologie) verbunden sind. Während sich die Evolutionsbiologen traditionell auf das Verständnis der genetischen Vielfalt innerhalb der Populationen konzentrieren, ignorieren sie häufig ökologische Prozesse der Zusammenstellung von Arten in Gemeinschaften. Die Ökologen hingegen konzentrieren sich oft auf das Verständnis der Gemeinschaftsdynamik und ignorieren die Evolution. Diese historische und etwas künstliche Trennung der Disziplinen hat die Entwicklung eines umfassenderen und tieferen Verständnisses der biologischen Vielfalt und ihrer Bedeutung für das Funktionieren der Ökosysteme und der vielfältigen Dienstleistungen, die Ökosysteme erbringen, erheblich behindert.

Der Zusammenhang zwischen der Evolutionsgeschichte und Gemeinschaftsökologie ist jedoch längst bekannt, wie Darwins (1859) Zitat zeigt:

„Da Arten derselben Gattung in der Regel —wenn auch keineswegs immer— eine gewisse Ähnlichkeit in Gewohnheiten und Konstitution und immer in der Struktur haben, wird der Kampf zwischen Arten derselben Gattung, wenn sie miteinander in Konkurrenz treten, im Allgemeinen härter sein als zwischen Arten verschiedener Gattungen.“

Im Mittelpunkt jeder evolutionären Interpretation von Biodiversität stehen drei allgemeine Prinzipien, die in dieser Erklärung hervorgehoben werden: Arten werden organisiert und interagieren in Gemeinschaften, Interaktionen werden durch (erweiterte) phänotypische

(Merkmals-)Unterschiede und/oder Ähnlichkeiten zwischen Arten angetrieben, und (phänotypische) Variationen haben eine historische, evolutionäre Grundlage. Eine umfassende Theorie der biologischen Gemeinschaften muss daher diese drei Elemente enthalten: Phylogenie, Gemeinschaftszusammensetzung und Merkmalsinformationen. Merkmale im Sinne davon sind in der Tat der Schlüssel zu Fortschritten in vielen Bereichen der Naturwissenschaften, und merkmalsbasierte Analysen können in der Tat den einzigen gangbaren Ansatz für die Gemeinschaftsökologie darstellen, um allgemeine Prinzipien zu entwickeln und fundierte Vorhersagen über die Gemeindeversammlung und das Funktionieren des Ökosystems zu treffen. Im Hinblick auf eine einheitliche Theorie der Biodiversität scheint eine Integration der Forschung zwischen den beiden Disziplinen unvermeidlich. Die jüngsten Fortschritte bei Analyse- und Berechnungsverfahren sowie ein exponentieller Anstieg der verfügbaren phylogenetischen Daten bieten ideale Bedingungen für die Wiedervereinigung beider Disziplinen.

Im Rahmen interdisziplinärer Projekte, die sich auf die phylogenetische Gemeinschaftsökologie tropischer Amphibien in sich verändernden Umgebungen konzentrieren, analysieren wir Muster der phylogenetischen Struktur in Gemeinschaften sowie potenzielle phylogenetische Signale in Arteneigenschaften, um mechanistische Vorhersagen über die Gemeinschaftsbildung in Raum und Zeit zu treffen. In diesen Projekten kombinieren wir die skizzierten Elemente, indem wir phylogenetische Analysen (Multi-Gen-Gemeinschaftsphylogenien) und merkmalsbasierte Gemeinschaftsökologiemodelle (phylogenetische vergleichende und direkte merkmalsbasierte statistische Verfahren) in einen einheitlichen Ansatz integrieren.

Phylogenetik und Biogeographie

Ausgewählte Projekte

Kryptische Vielfalt im Wandel der Zeit

Das Guayana-Schild macht mehr als 25 Prozent der verbleibenden tropischen Regenwälder der Welt aus und ist ein wichtiger Bestandteil der Vielfalt und des Endemismus innerhalb der Neotropen. Die Region ist seit langem als eines der wichtigsten Refugien des Pleistozäns für die Pan-Amazon-Region bekannt. Genauer gesagt hat es wahrscheinlich mehrere Refugialräume während des späten Pliozäns und Pleistozäns beherbergt, und nicht nur ein einziges Refugium, wie zuvor angenommen. Artenverteilungen und Verbreitungsgrenzen sowie deren Evolutionsgeschichte sind weitgehend unbekannt. In mehreren Verbundprojekten beschäftigen wir uns im Rahmen eines integrativen Ansatzes (molekular, ökologisch, bioakustisch, morphologisch) mit der Problematik ungelöster phylogeographischer Muster, kryptischer Spezieskomplexe und der Refugialtheorie.

Im Mittelpunkt dieser Forschung stehen rätselhafte und charismatische Gruppen wie Glasfrösche (hauptsächlich Hyalinobatrachium spp.), Stummelfußfrösche (Atelopus spp.), schlankbeinige Baumfrösche (Osteocephalus spp. ), gelbe Laubfrösche (Dendropsophus spp.) und Große Wabenkröten (Pipa spp. ).

Alpha-Taxonomie

Kaltblütige Vielfalt

„Diese fauligen und abscheulichen Tiere sind verabscheuungswürdig wegen ihres kalten Körpers, ihrer blassen Farbe, ihres Knorpelskeletts, ihrer schmutzigen Haut, ihres wilden Aussehens, ihres berechnenden Auges, ihres beleidigenden Geruchs, ihrer harten Stimme, ihrer schmutzigen Behausung und ihres schrecklichen Giftes; und so hat ihr Schöpfer seine Kräfte nicht ausgeübt, um mehr aus ihnen zu machen.“ Carl von Linné, Systema naturae 1758

Ein wesentlicher Teil unserer Arbeit ist daher die Alpha-Taxonomie, d. h. die wissenschaftliche Erforschung neuer Arten. Diese Arbeit stellt die Grundlage der modernen Biodiversitätsforschung dar, da in vielen Fällen die Spezies im Forschungsvordergrund steht. Unsere Feldarbeit hat zu einer Reihe neuer Entdeckungen geführt, darunter befinden sich einige unscheinbare, aber ökologisch relevante Arten, wie z. B. der Kuckucksfrosch Allobates Spumaponens.
Bei dieser Art trägt das Männchen die Kaulquappen auf dem Rücken und lässt sie schließlich in die Schaumnester von Pfeiffröschen fallen. Dies ist der einzige Fall eines interspezifischen Brutparasitismus im gesamten Tierreich, bei dem der männliche Elternteil der aktive Parasit ist.