Spurensicherung im Meer

Die eDNA hat sich erst in den vergangenen zehn Jahren zu einem größeren Forschungsthema entwickelt. Moderne Maschinen analysieren das Erbgut heute im Handumdrehen und für wenig Geld. Damit können sich immer mehr Meeresforschungslabore die Technik leisten. Wissenschaftler suchen viele Meeresgebiete erstmals genauer nach eDNA ab – und machen überraschende Entdeckungen.

Fahndung nach Bodenbewohnern

Babett Günther hat für ihre Doktorarbeit eDNA aus den Gewässern um Helgoland analysiert. „Mit einigen wenigen Wasserproben konnten wir eDNA von rund 99 Prozent aller Tiere nachweisen, die hier vorkommen“, sagt sie. „Wir haben in den sandigen Bereichen Plattfische nachgewiesen und nahe Helgoland viele andere Arten, die dort auf felsigem Grund siedeln, zum Beispiel Hummer.“ Die eDNA verrät also, was am Meeresboden los ist. Momentan untersucht Günther erste Wasserproben vom Grund der Tiefsee, die weit weniger erforscht ist als die europäischen Meere.

Wollten Forscher die vielen verschiedenen Arten um Helgoland auf einen Schlag mit herkömmlichen Methoden identifizieren, bräuchten sie sehr viel Zeit, und sie würden den Lebensraum der Tiere stören. Sie müssten den Meeresboden mit Grundschleppnetzen durchkämmen, gewaltige Mengen Wasser filtern, große und kleine Tiere aus den Netzen und Filtern herauspicken und viele von ihnen unter dem Mikroskop bestimmen. Das würde Monate dauern. Die eDNA liefert dagegen bereits nach wenigen Tagen eine Liste der dort lebenden Arten, des „Arteninventars“. Außerdem lassen sich anhand des genetischen Fingerabdrucks auch Tierarten nachweisen, die Meeresbiologen bisher übersehen haben – weil sie diese mit ähnlichen Arten verwechselt haben oder schlicht, weil die Tiere nur selten im Netz oder Filter landen.

Auch Günthers Daten lieferten einige Überraschungen. Den nur wenige Zentimeter großen Zwergtintenfisch Sepiola tridens zum Beispiel hatte man noch nie zuvor bei Helgoland gesehen. Biologen hatten ihn zwar schon im nördlichen Zipfel der Nordsee nachgewiesen, nicht aber in der Deutschen Bucht. Wahrscheinlich hatten sie ihn mit nahe verwandten Arten verwechselt. Ganz offensichtlich kommt Sepiola tridens sehr viel näher an der Küste vor als bislang vermutet.

Analyse mit moderner Technik

Dass sich mithilfe der eDNA so schnell so viele Tiere nachweisen lassen, ist der modernen DNA-Analysetechnik zu verdanken. Das sogenannte Metabarcoding kann parallel die Erbinformation vieler verschiedener Tierarten verarbeiten.

Noch vor etwa 20 Jahren sah das anders aus. In der Regel analysierte man nur das Erbgut einzelner Arten oder Individuen – ähnlich wie bei der Fahndung nach einem Verbrecher, der mithilfe seines genetischen Fingerabdrucks überführt werden soll. Im Vergleich dazu ist das Metabarcoding Massenabfertigung.

Das Prinzip der DNA-Analyse aber ist über die Jahre gleichgeblieben: Zunächst erhitzt man das biologische Material, um den DNA-Doppelstrang in seine beiden Einzelstränge zu zerlegen. Dann setzt man der DNA-Lösung sogenannte Primer zu – kleine künstlich hergestellte Erbgutabschnitte, die sich an die vereinzelten Erbgutstränge anlagern.

Die Primer haben eine doppelte Funktion. Zum einen sind sie eine Art Starter: Man gibt der DNA-Lösung weitere DNA-Bausteine hinzu, sogenannte Nukleotide, die sich vom Primer ausgehend an den freigelegten Einzelstrang anlagern und so einen künstlichen neuen Strang bilden. Zum anderen dient der Primer als Andockstelle, mit deren Hilfe die Analysemaschinen den neu entstandenen künstlichen Strang aus der Lösung herausfischen können. Das funktioniert ähnlich wie beim Spiel „Fische angeln“, bei dem Kinder kleine Spielzeugfische mit einem Magneten an einer Angel aus einem Topf herausholen. Der Primer ist gewissermaßen der kleine Magnet an der Schnauze des Fischs, an dem die Angel hängen bleibt.

Hat die Maschine den Einzelstrang am Primer aus der Lösung herausgezogen, wird er mehrfach kopiert. Der Grund: Für die anschließende genetische Analyse, die Sequenzierung, reicht ein einzelner Strang nicht aus. Deshalb muss seine Konzentration durch tausendfaches Kopieren erhöht werden. Dann aber kann es mit dem Scannen des Fingerabdrucks losgehen: Die Sequenzier-Maschine liest den Erbgutstrang ab. Sie bestimmt die Abfolge der Nukleotide und damit den eigentlichen genetischen Code.

Heute gibt es viele Datenbanken, in denen Wissenschaftler die genetischen Codes von Tierarten gespeichert haben. Hat die Sequenzier-Maschine den genetischen Code ausgespuckt, geben die eDNA-Fahnder ihn in eine solche Datenbank ein. Wie den Barcode auf der Kekspackung gleicht die Datenbank den eingegebenen Code mit den gespeicherten genetischen Codes ab, und liefert Sekunden später den Namen der Tierart.

Die eDNA hat den großen Vorteil, dass sich auf einen Schlag das ganze Arteninventar eines Lebensraums untersuchen lässt. Das dafür benötigte genetische Material gewinnen die Wissenschaftler in der Regel, indem sie eine Wasserprobe durch einen Filter gießen und dann eine Probe aus dem aufgefangenen Filtrat entnehmen. Bereits wenige Milligramm reichen für die genetische Analyse aus. Die Metabarcoding-Maschinerie ist in der Lage, parallel die Erbgutstränge vieler verschiedener Arten zu erfassen, zu vervielfältigen und zu sequenzieren. Entsprechend gibt sie am Ende eine Fülle genetischer Codes von verschiedenen Tierarten aus.

Der Biologe Andrea Barco hat aus der Analyse von eDNA ein Geschäft gemacht. Zusammen mit seinem Kollegen Thomas Knebelsberger hat er in Wilhelmshaven die Firma Biome-id gegründet, die für Forschungsinstitute, Behörden und Unternehmen aus Wasserproben das Arteninventar von Meeresregionen, Seen oder Flüssen herausliest. Für die Universität Hamburg hat Barco unlängst die Fischfauna eines Naturschutzgebiets in der Nordsee untersucht, in dem die Fischerei verboten ist. Die eDNA-Analyse sollte die Frage beantworten, ob die Artenvielfalt seit dem Verbot zugenommen hat. „Wir haben dort unter anderem sehr viel DNA des Europäischen Aals gefunden, dessen Bestände in den vergangenen Jahren immer weiter geschrumpft sind. Das ist erfreulich“, sagt Barco.

eDNA als Frühwarnsystem

Barco sagt, dass sich eDNA auch sehr gut als Frühwarnsystem eigne, um fremde Arten aufzuspüren. Mit Schiffen und auch durch Aquakulturen gelangen seit Jahren immer häufiger Pflanzen und Tiere aus weit entfernten Meeresregionen in Gebiete, die sie von allein nie erreichen würden. Sind die Lebensbedingungen dort günstig, können sie zu einer regelrechten Plage werden und heimische Arten verdrängen. Man spricht dann von invasiven Arten. Die Strandkrabbe etwa, ein Bewohner der Wattenmeerküste, wurde vermutlich mit Ballastwasser nach Amerika verschifft. In wenigen Jahrzehnten hat sie sich an der amerikanischen Ostküste breitgemacht. Fischer verfluchen sie, weil sie die Brut der großen weißen Sandklaffmuscheln wegfrisst. Diese „Softclams“ sind eine Delikatesse an der US-Ostküste.

„Die Sensibilität der eDNA-Analyse ist unschlagbar gut“, sagt Andrea Barco. „Eine fremde Art verrät sich durch ihre eDNA im Wasser schon lange, bevor sie Fischern ins Netz geht oder ehe man sie am Strand findet. Das ist sehr hilfreich, weil man eine gefährliche Tierart bekämpfen kann, ehe sie sich breit macht und invasiv wird.“

Doch die eDNA kann den Forschern nicht alle Fragen beantworten. Zwar können sie sehr genau messen, ob eine Pflanzen- oder Tierart vorhanden ist. Wie viele Tiere es gibt, lässt sich aus dem genetischen Code aber nicht so einfach ablesen. Auch verrät die DNA nicht, ob es sich um ausgewachsene Tiere oder um Larven handelt. Inzwischen haben Biologen zwar Hinweise darauf gefunden, dass die Menge der eDNA im Wasser deutlich zunimmt, wenn ein Fischbestand wächst. Doch als echte quantitative Messgröße taugt die eDNA noch nicht.

Und noch etwas ist zu bedenken: Frei schwimmende DNA außerhalb einer schützenden Zelle zerfällt im Wasser nach und nach. Die Sonnenstrahlung und Ionen aus dem Salzwasser reagieren mit dem Erbgutstrang und lassen ihn zerfallen. Auch Bakterien bauen das Molekül ab, sofern sie es als Nahrung verwerten können. Die Biologin Yvonne Schadewell vom Universitäts-Institut für Chemie und Biologie des Meeres in Oldenburg schaut sich die Veränderung der DNA im Wasser daher genauer an. Aktuell experimentiert sie mit der DNA der Pinsel-Felsenkrabbe, einer kleinen Krabbenart aus dem Pazifik, die seit einigen Jahren das Wattenmeer erobert. Schadewell gibt zunächst ein wenig Krabbenfleisch in Wassertanks, um das Wasser mit Krabben-DNA anzureichern und misst anschließend, wie lange das Erbgut noch nachweisbar ist.

Spuren werden verwischt

„In den vergangenen Jahren gab es viele Experimente zum Abbau von eDNA, die aber zu ganz unterschiedlichen Ergebnissen kamen“, sagt Schadewell. Das sei auf den Aufbau der Experimente zurückzuführen: In manchen Fällen hatten die Forscher-Teams steriles Wasser benutzt, in anderen Teich-, Fluss- oder Meerwasser. „Der Prozess variierte zwischen wenigen Stunden und mehreren Tagen. Wir versuchen jetzt, die Bedingungen systematisch zu analysieren. Und dazu gehört natürlich die Tätigkeit der Bakterien.“ Neben den Experimenten im Labor versucht Schadewell den bakteriellen Abbau der eDNA am Computer zu modellieren. Die Herausforderung besteht darin, dass der Abbau durch die Bakterien und die zugrundeliegenden Stoffwechselprozesse kaum erforscht ist. „Ich entwickle deshalb ein mathematisches Modell, das die Dynamik des Prozesses ohne die biochemischen Details nachvollziehen kann“, erklärt die Forscherin.

Experten wie Schadewell wollen die Haltbarkeit von eDNA auch abschätzen, um nachzuvollziehen, wie weit das Erbgut durch Meeresströmungen driftet. Wenn Forscher eine Wasserprobe aus dem Meer holen, sollten sie wissen, woher die Wassermasse und die in ihr enthaltene DNA stammen. Anderenfalls könnte das Arteninventar einer Meeresregion falsch eingeschätzt werden. Das Wissen um die Meeresströmungen und die Halbwertszeit der eDNA, also nach wie viel Zeit sie zur Hälfte abgebaut ist, gehören unmittelbar zusammen.

Andererseits, sagt Schadewell, könne man sich Strömungen künftig für die eDNA-Analyse zunutze machen. Im Meer treten an vielen Stellen größere und kleinere Wasserwirbel auf, sogenannte Eddies, in denen sich Wassermassen wie in einem Strudel sammeln. In ihnen konzentriert sich zwangsläufig die eDNA. „In den Eddies findet sich eDNA aus einem größeren Einzugsgebiet. Damit können wir quasi aus dem Vollen schöpfen“, meint Schadewell. Wenn bekannt ist, woher die Wassermassen stammen, kann man gut abschätzen, in welchen Meeresgebieten bestimmte Arten heimisch sind. Yvonne Schadewell will nach solchen eDNA-Hotspots Ausschau halten. „Durch eDNA-Analysen an solchen Punkten kann man erkennen, ob Arten seltener werden und ob es einer Meeresregion schlecht geht, ohne den ganzen Lebensraum untersuchen zu müssen.“

Für die Umweltüberwachung in der Nähe von Lachsfarmen nutzt man bereits eDNA. Durch den Kot der Fische oder ein Zuviel an Futter kann sich die Wasserqualität relativ schnell verschlechtern. Experten untersuchen vor allem die Mikroorganismen im Wasser und am Meeresboden, weil sie rasch auf Veränderungen reagieren. Verändert sich die Mikrobengemeinschaft, kann das ein Alarmsignal sein.

Fischerboote statt Forschungsschiffe

Die eDNA-Analyse ist eine recht junge Methode. Noch fehlt es an Standards und Richtlinien für die Gewinnung und Aufbereitung der Proben. Doch Stefano Mariani, Biologe an der Liverpool John Moores University, ist überzeugt, dass sie sich bald etablieren wird. Er will seinen Teil dazu beitragen und die Gewinnung von Proben verbessern.

Bislang ist es eine Frage des Zufalls, ob eine Wasserprobe größere Mengen von eDNA enthält oder nicht. Um viel eDNA zu gewinnen, wäre es ideal, möglichst viel Wasser zu filtern. Doch von Bord eines Forschungsschiffs aus ist das schwer zu bewerkstelligen. Stefano Mariani kam daher auf die Idee, die besten natürlichen Filter zu nutzen, die es im Meer gibt: Schwämme. Diese porösen Tiere pumpen täglich etliche Liter Wasser durch ihren Körper, um Plankton und nahrhafte Schwebstoffe herauszufiltern. Auch die eDNA bleibt in ihrem Gewebe hängen. Mariani hat schon Schwämme aus der Antarktis untersucht und darin Erbgutreste von Pinguinen und Robben gefunden. In seinem Projekt SpongeDNA will er jetzt unter anderem herausfinden, welche Schwämme die eDNA gut speichern und wie sich das Erbgut am besten aus dem Schwammgewebe extrahieren lässt. „Für mich hat das auch einen Citizen-Science-Aspekt“, sagt Stefano Mariani. „Man könnte die Bevölkerung dazu aufrufen, vorsichtig kleine Stücke Gewebe von den Schwämmen abzuschneiden und an uns Forscher zu schicken.“

In einem anderen Projekt arbeitet er mit Fischern aus seiner Heimat Italien zusammen. Sie fangen für ihn das Wasser auf, das von den Netzen tropft, wenn sie das Fanggeschirr einholen. „So ein Netz wird ja eine ganze Weile durchs Wasser gezogen“, erklärt Mariani. „Im Netzgewebe bleibt eine Menge eDNA hängen. Wir wollen jetzt untersuchen, welche Erkenntnisse wir daraus gewinnen können.“ Dass Fischer auf diese Art wissenschaftliche Daten erheben können, sei großartig, meint Mariani. „Ausfahrten mit Forschungsschiffen sind extrem teuer. Und die Fischer sind sowieso unterwegs.“ eDNA ist extrem robust, man kann sie trocknen, einfrieren oder in Alkohol konservieren. Nur im Wasser geht sie auf Dauer kaputt. Damit, sagt Mariani, ist eDNA das ideale Werkzeug der Meeresforschung.