Das molekulare Gedächtnis

Auf Spurensuche

Die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) und die internationale Atomenergiebehörde (IAEA) veröffentlichen seit den 1960er-Jahren regelmäßig Karten, die das typische Verteilungsmuster der Wassermoleküle zeigen. Der Datensatz wird ständig aktualisiert und durch Messstellen überprüft. Lebensmittelanalytiker können mithilfe dessen mühelos begutachten, ob ein Orangensaft tatsächlich aus gepressten Orangen besteht, oder ob ein Konzentrat später an einem anderen Ort nur mit Leitungswasser aufgefüllt wurde. Die Wasserdaten verbessern auch das Wissen über die Grundwasserströme: Forscher können ermitteln, ob das Grundwasser überwiegend durch Regen vor Ort entsteht oder ob es durch Flüsse oder unterirdische Wasserreservoirs gespeist wird. Zusammen mit den Modellen der Klimaforschung lassen sich damit auch die Folgen des Klimawandels einschätzen.

Die Isotopenanalyse in der Wissenschaft erzählt viele Geschichten, die in das Genre der Detektivromane fallen würden. Ein Forscherteam aus Österreich und Dänemark erlebte im Jahr 2021 eine Überraschung, als es Wasser- und Sedimentproben der dänischen Ostsee auf Spuren von Uran untersuchte. „Die Isotope Uran-233 und Uran-236 sind empfindliche Indikatoren für Leckagen in Kreisläufen mit Brennstoffen oder Abfällen aus Kernkraftwerken“, sagt Peter Steier vom Institut für Isotopenforschung der Universität Wien. Die beiden Uran-Isotope sind ungefährlich. Sie haben unterschiedliche nukleare Quellen und kommen in extrem geringen Konzentrationen fast überall auf der Welt vor.

Doch die untersuchten Proben aus der Ostsee hatten eine Auffälligkeit. Die Wissenschaftler fanden ein anderes Mengenverhältnis der beiden Isotope zueinander, als sie es bei einer zufälligen Verteilung erwarten würden. Für die Forscher ein klares Indiz, dass es in der Region eine bisher unbekannte Quelle von Uran aus menschlicher Herstellung geben muss. „Das ungewöhnliche Isotopenmuster könnte auf nicht gemeldete Einleitungen aus schwedischen Kernforschungsanlagen zurückzuführen sein oder auf unfallbedingte Leckagen von abgebrannten Kernbrennstoffen, die auf dem Meeresboden der Ostsee gelagert wurden, entweder gemeldet oder nicht gemeldet“, sagt Steier. Die Ergebnisse zeigen, dass zivile und militärische Anwendungen der Atomkraft mithilfe von Isotopenanalysen kontrolliert werden können.

Herkunft der Benin-Bronzen

Präzise Analytik konnte 2023 auch die Herkunft des Materials der berühmten Benin-Bronzen klären. Die Kunstwerke entstanden ab dem 16. Jahrhundert am Palast des Königs von Benin im heutigen Nigeria. In Europa waren zu dieser Zeit Münzen das gängige Zahlungsmittel. Afrikanische Geschäftsleute ließen sich ihre Waren hingegen mit Manillen bezahlen, wertvolles Messing in Form von etwa 250 bis 300 Gramm schweren Armreifen. Am Königsplast wurden afrikanische Künstler und Metallgießer beauftragt, daraus Bronze-Kunstwerke zu erstellen. Mehr als Tausend dieser Benin-Bronzen wurden Ende des 19. Jahrhunderts von den Kolonialherren geraubt und nach Europa gebracht, wo sie noch heute in vielen Museen zu sehen sind.

Tobias Skowronek von der Technischen Hochschule Georg Agricola in Bochum ist überzeugt, dass die afrikanischen Händler einen hohen Anspruch an die Qualität des Zahlungsmittels gehabt haben. „Unsere Studie zeigt eindeutig, dass die wesentliche Metallquelle, die die afrikanischen Metallhandwerker vom 15. bis zum 19. Jahrhundert für die Benin-Bronzen verwendet haben, die Manillen waren, die im Rheinland gefertigt wurden“, sagt Skowronek. Weil vor allem der Sklavenhandel mit Afrika blühte, fertigten bald auch andere Länder eigene Manillen an. Hunderte Millionen dieser Artefakte wurden nach Westafrika geschickt. Die Forscher haben Manillen unter anderem aus Schiffswracks untersucht.

Das Isotopenprofil vor allem der Bleiisotope in den Bronzen spricht dafür, dass die Kunstgießer das Messing aus der Region um Köln und Aachen als Rohmaterial bevorzugten. Die Befunde der Naturwissenschaften passen zu den Erkenntnissen der Historiker. Es gibt einen Vertrag von 1548 zwischen dem portugiesischen Königshaus und der Augsburger Händlerfamilie der Fugger über die Lieferung von Manillen. Die Fugger hatten damals Kupferminen in der heutigen Slowakei gepachtet und ließen das dortige Erz zu Messing verarbeiten.

Echter Champagner?

Das Bayreuther Isotopenlabor hat sich auf andere Analysen spezialisiert. „Für unsere biologischen Fragestellungen sind die stabilen Isotope der leichteren Elemente interessanter“, sagt Alexander Frank. Die fünf Isotopenmassenspektrometer wurden deshalb auf Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff optimiert. Denn eine ähnliche Fraktionierung schwerer und leichter Isotope wie bei den Wassermolekülen im Meer lässt sich auch in der Physiologie von Pflanzen, Bakterien und auch beim Menschen beobachten. Während der Photosynthese können Pflanzen das Kohlendioxid der Luft auf mehreren Wegen binden. Die wichtigsten Varianten fasst die Forschung in drei Gruppen zusammen: C3-Pflanzen (Calvin-Zyklus), C4-Pflanzen (Hatch-Slack-Zyklus) und CAM-Pflanzen (Crassulaceen-Säurestoffwechsel). Wenn Pflanzen etwa Zucker produzieren, hinterlässt der Herstellungsweg seine Spuren in der Isotopenmischung. Dieser Stempel setzt sich bis in tierische Produkte fort, beispielsweise in Milch, Honig, Sirup oder Alkohol. Die Studierenden in Bayreuth erfahren das in einem Experiment, bei dem sie Kaffee oder Tee mit viel Rohrzucker trinken. Der Kohlenstoff in ihrer Atemluft zeigt nach dem Konsum ein andere Isotopenverteilung als vorher, er verschiebt sich in Richtung des Rohrzuckers, der vom Zuckerrohr, einer C4-Pflanze, stammt.

Diese Atemtests werden auch in der medizinischen Diagnostik verwendet, um eine Infektion mit Helicobacter pylori festzustellen. Das Bakterium kann Magengeschwüre und Gastritis verursachen. Es verstoffwechselt besonders viel Harnstoff. Für die Untersuchung nehmen die Patienten Harnstoff ein, der mit einem speziellen Kohlenstoff-Isotop angereichert wurde. Ist Helicobacter vorhanden, ändert sich die Isotopenverteilung der Atemluft.

Lebensmittelkontrolleure nutzen die Erkenntnisse aus der Isotopen-Forschung schon seit den 1990er-Jahren. Sie können erkennen, ob vermeintlich reiner Honig, Fruchtsaft, Ahornsirup oder Wein mit Fremdzucker manipuliert wurde. Diese Analysen sind aufwendig und teuer, sie funktionieren immer dann besonders zuverlässig, wenn es gutes Vergleichsmaterial gibt. „Für die Isotopenanalyse ist es heute kein Problem, die Echtheit von Champagner oder die Herkunft von Tomatenmark, Olivenöl, Spargel, Äpfeln und vielen anderen Produkten zu prüfen, wenn verschiedene Isotopenspuren kombiniert werden“, sagt Frank.

In der Landwirtschaft kann der Stickstoffwert eine Auskunft über die Anbaubedingungen einer Pflanze liefern. Kunstdünger werden nämlich direkt aus dem Stickstoff der Atmosphäre gewonnen. Das industrielle Haber-Bosch-Verfahren unterscheidet nicht zwischen den beiden Isotopen Stickstoff-14 und -15, sie kommen im Mineraldünger in der gleichen Verteilung vor wie in der Luft. Biologischer Dünger aus dem Mist von Nutztieren hat dagegen schon den Weg über das Wachstum der Pflanze, die Nahrungsaufnahme und Verdauung hinter sich. Dabei ändert sich das Isotopenverhältnis. Wissenschaftler können so konventionell erzeugtes Obst und Gemüse von einer Bio-Ernte unterscheiden. Besonders präzise wird dieser Nachweis, wenn zusätzlich die Isotopenverteilung des in der Pflanze enthaltenen Nitrats untersucht wird, weil dann auch noch das Verhältnis der Sauerstoffisotope in die Analyse einfließen kann.

Reiseroute von Zugvögeln

Ein Forscherteam vom Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung in Berlin (IZW) nutzt einen noch breiteren Isotopenmix, um die historische Reiseroute von Zugvögeln wie dem Pirol nachzustellen. IZW-Forscher Christian Voigt hat das spezielle Isotopenprofil, das entsprechend der Massen der Isotope als δ2H, δ13C, δ15N bezeichnet wird, in alten Vogelfedern gemessen, die im Museum für Naturkunde in Berlin oder dem Forschungsmuseum Alexander Koenig in Bonn aufbewahrt werden. Die 60 Exemplare sind genau datiert und wurden zwischen 1818 und 1953 gesammelt. „Die Isotopengehalte einer Feder werden von dem Ort bestimmt, wo die Feder gewachsen ist, beim Pirol geschieht das im Mausergebiet während der Überwinterung“, erklärt der Leiter der Abteilung für Evolutionäre Ökologie.

Tatsächlich lieferte die Laboranalyse unterschiedliche Isotopenmuster. Die Forscher konnten anhand der Federn die Winterquartiere der Zugvögel über das Angebot an Nahrung und Wasser einer bestimmten Region zuordnen. „Eine Gruppe überwinterte im südöstlichen Afrika, während sich die zweite Gruppe in Zentralafrika sammelte“, sagt Voigt. Das Zugverhalten der Tiere änderte sich. Die Federproben der Jahre 1842 bis 1854 und 1953 bis 1957 ergaben, dass alle untersuchten Pirole im südöstlichen Afrika überwinterten, während von 1920 bis 1948 drei Viertel der Vögel Zentralafrika als Winterquartier wählten. „Das historische Zugverhalten der Vögel kann man auf keine andere Weise ermitteln“, so der Verhaltensökologe.

Ähnliche Untersuchungen laufen nun mit Museumsbeständen des Neuntöters und der Rauchschwalbe. Ein Vergleich mit alten Wetterdaten zeigt, dass im Fall des Pirols die Menge des Niederschlags ein Grund für das unterschiedliche Flugverhalten sein könnte. „Je mehr Regen in einem Gebiet fiel, desto höher war der Anteil der dort überwinternden Pirole“, sagt Voigt. Wenn es in Zentralafrika weniger Regen gegeben habe, seien mehr Vögel bis ins südöstliche Afrika weitergeflogen. Dieses Verhalten könnte Anhaltspunkte geben, wie Pirole auf den Klimawandel und längere Dürreperioden reagieren werden.

Nahrungsketten erkennen

„Die Isotopenanalyse hat ein riesiges Potenzial für ein besseres Verständnis eines Ökosystems“, sagt Alexander Frank. Vor allem für solche, die sich schlecht beobachten lassen. Der Biologe erklärt das gern am Beispiel großer Raubtiere. „Wenn Forscher das Leben eines Löwen verfolgen, wissen sie schnell, wovon das Tier sich ernährt“, sagt er. Doch wenn man einen Fluss oder einen See untersuche, sei nicht so schnell klar, wer wen frisst. „Dort gibt es Insekten, Vögel, Fische und ganz viele andere Organismen. Sie alle hinterlassen Spuren, wenn man Kohlenstoff-, Stickstoff- oder Wasserstoffisotope untersucht“, erklärt der Forscher aus Bayreuth.

Effekte sehen Experten schon bei Menschen mit unterschiedlichen Ernährungsvorlieben, beispielsweise in der Veränderung der Stickstoffisotopie von weniger negativen hin zu positiven δ15N-Werten. „Strenge Veganer, die keine Ernährungssupplements verwenden, haben eine geringere Stickstoffisotopie als Fleischesser“, berichtet Frank. Ein Geier als Aasfresser hat einen anderen Wert als ein körnerpickendes Huhn. „Auch wenn die Werte nicht immer eindeutig und einfach zu verstehen sind, lässt sich dieses Prinzip dennoch auf das Ökosystem Fluss anwenden, um beispielsweise zu erkennen, welche Nahrungsketten es gibt“, sagt Frank. Je mehr über das Ökosystem oder über einzelne Lebewesen bekannt ist, desto besser wird die Aussagekraft der Isotopenanalytik.

Symbiosen verstehen

Mithilfe der Isotopenanalyse lässt sich auch besser verstehen, wie Pflanzen und Pilze zusammenleben. Von dieser Symbiose profitieren normalerweise beide Partner, weil sie einander mit Nährstoffen versorgen. Doch das Ökosystem kann sich auch anders entwickeln. Die Bayreuther Forscher haben vor Kurzem ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sie die Zellfäden des häufigen Arbuskulären Mykorrhiza-Pilzes aus dem Wurzelwerk der Pflanzen isolieren. So können sie beispielsweise den Isotopenstempel der Kohlenstoffverbindungen, die vom Pilz stammen, bestimmen. Sie wollten nun wissen, welcher Anteil des Kohlenstoffs von der Pflanze erzeugt wird und was der Pilz beisteuert.

Bei der Untersuchung von Lebensgemeinschaften von Orchideen und Pilzen gab es Überraschungen: Einige Orchideen ernähren sich fast ausschließlich vom Pilz und haben den eigenen Kohlenstoffwechsel durch Photosynthese nahezu eingestellt. Weil Arbuskuläre Mykorrhiza-Pilze auch im Wurzelwerk vieler Nutzpflanzen vorkommen, könnte das neue Messverfahren auch Erkenntnisse für die Landwirtschaft bringen.

Alexander Frank ist überzeugt, dass die Entwicklung und Validierung neuer Methoden im Rahmen der Isotopenanalytik der Mühe wert sind. Tatsächlich liefern die Bioanalytiker Messwerte, die Aussagen über die Entwicklung eines Ökosystems erlauben. Der Meeresbiologe Daniel Pauly von der University of British Columbia im kanadischen Vancouver konnte mit Isotopenuntersuchungen schon Ende der 1990er-Jahre nachweisen, dass Fischerei nicht nachhaltig ist.

Seine Idee beruht auf vielen Messwerten, die zeigen, dass sich Meeresbewohner anhand der Stickstoffisotope unabhängig von der konkreten Art recht zuverlässig in die Nahrungskette des Meeres einordnen lassen. In dieser Nahrungskette stehen die Algen am unteren und die großen Raubfische an oberen Ende der Skala. Der Messwert wird als Trophiegrad bezeichnet. „Wir konnten in den meisten von uns untersuchten Fanggebieten zeigen, dass die durchschnittliche Trophie der Fänge im Laufe der Jahre zurückgegangen ist“, schrieb Pauly damals. Im Nordwestatlantik zum Beispiel sank der Trophiegrad von einem Höchstwert von fast 3,7 im Jahr 1965 auf 2,8 im Jahr 1997. Der sinkende Wert zeige deutlich, dass Lebewesen, die höher in der Nahrungskette stehen, seltener vorkommen.

Auch die Bayreuther Forscher haben mit ihren Untersuchungen an den drei Seen das komplette Ökosystem im Blick. Sie wollen ermitteln, aus welchen Quellen der Sauerstoff im Seewasser stammt und welche Rolle die Kleinstlebewesen und ihre Photosynthese dabei spielen. „Die genaue Quantifizierung der Atmung eines Sees ist derzeit kaum möglich“, sagt Frank. Dabei sind diese Daten wichtig, um die Nährstoffkreisläufe in Seen besser zu verstehen. Andere Arbeitsgruppen verfolgen ein ähnliches Ziel, konzentrieren sich aber nicht auf Sauerstoff, sondern auf das klimaschädliche Methan. In Bayreuth wird derzeit ein Verfahren entwickelt, das die Emissionen von Methan, Lachgas und Kohlendioxid genauer bestimmen und unterscheiden kann. Die Wissenschaftler wollen nun weitere Seen untersuchen, um deren Einfluss auf die Umgebung und den Klimawandel bestimmen zu können.