Neil Gemmell hat einen geheimen Plan, um den Aufenthaltsort von Nessie, dem Monster von Loch Ness, herauszufinden.
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Nein, wirklich, er hat das durchdacht. Wenn im Loch etwas Großes und Seltsames lebt, werden Zellen voller DNA wie alles andere abgestoßen. Wahrscheinlich viel davon. Und obwohl wir keine Dino-DNA in der Referenzbibliothek haben, mit der wir Proben vergleichen könnten, sagt Gemmell, Professor für Genomik an der Universität von Otago in Neuseeland, wir wissen genug darüber, wie es aussehen sollte, um zu sagen, ob es welche gibt ein im heutigen Schottland lebender Plesiosaurier.
Alles, was Sie dann brauchen, ist eine Methode, um festzustellen, ob sich in diesen Wassertiefen Plesiosaurier-DNA befindet. Geben Sie eDNA ein. Nein, es ist nicht die elektronische Version von DNA. Im einfachsten Sinne ist eDNA das, was Wissenschaftler als genetisches Material bezeichnen, das eher aus der Umwelt als von der Kreatur selbst stammt. Und während sich eDNA technisch im Boden oder in der Luft versteckt, ist Wasser ein besonders nützliches Medium, weil es so leicht aufgefangen, gespannt und reduziert werden kann.
Schöpfen Sie ein Glas Wasser aus Ihrem Bach und halten Sie es gegen das Licht. Diese schlammigen, wirbelnden Gewässer sind voller unsichtbarer Lebensspuren. Vom Goldfischteich im Einkaufszentrum bis zu den Wellen an der Küste ist jedes Gewässer eine Gülle abgestorbener Zellen. Darüber hinaus haben Wissenschaftler kürzlich Methoden entwickelt, mit denen sie die DNA-Sequenzen in dieser Aufschlämmung heraussieben können, um zwischen einer blauen Krabbe, einem Blauwal oder sogar einem Loch Ness-Monster zu unterscheiden - ohne jemals ein Auge auf das Tier selbst zu werfen.
Um ganz klar zu sein, Gemmell setzt nicht auf die Möglichkeit, einen Plesiosaurier in Loch Ness zu finden. Aber er ist bereit, auf die Macht von eDNA zu wetten, um neue Schutzstrategien zu entwickeln und sogar einige der beständigsten ökologischen Rätsel unserer Zeit zu lösen.
Das Potenzial dieser Technik ist enorm: In Kroatien suchen Wissenschaftler damit in Höhlen nach einem blinden, farblosen Wassersalamander, dem sogenannten Höhlendrachen oder Olm. Im amerikanischen Südosten zeigt uns eDNA, wie viele riesige, geheimnisvolle Amphibien, die als Hellbenders bekannt sind, in ihrem historischen Verbreitungsgebiet abgenommen haben. In Asien haben Forscher gerade bewiesen, dass mit eDNA auch Quallen wie die japanische Brennnessel untersucht werden können. In Australien haben Wissenschaftler herausgefunden, dass ähnliche Assays zur Untersuchung der Laichaktivität auf dem gefährdeten Macquarie-Barsch verwendet werden können.
"Ich möchte wirklich nicht als der Typ bekannt werden, der nach dem Loch Ness Monster sucht", sagt Gemmell. "Aber ich denke, es ist ein großartiger Haken, um die Leute dazu zu bringen, über eDNA zu sprechen."
Ein Jangtse-Schweinswal im Institut für Hydrobiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Wuhan, zentralchinesische Provinz Hubei, 10. Mai 2016. Die derzeitige Population der Schweinswale liegt laut Wissenschaftlern unter 1.000. (Xinhua / Alamy) Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, wie eDNA aussieht, stellen Sie sich vor, Sie machen Brot und haben gerade eine Menge Mehl über die Theke gestreut. Nachdem Sie den Laib für eine Weile geknetet haben, dieses kleine Stück Staub, das übrig geblieben ist? Das ist im Grunde genommen das, was er aus einem Liter Wasser aus dem Hudson River gewinnen kann, sagt Mark Stoeckle, leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter am Programm für die menschliche Umwelt der Rockefeller-Universität. Nur eDNA ist nicht weiß gebleicht. Es ist matschbraun.
Und für Tiere, die nicht so hypothetisch sind wie Nellie, ist dieses matschbraune Material ein echtes Versprechen. Wenn Sie die wissenschaftliche Literatur durchsehen, werden Sie feststellen, dass eDNA bereits auf der ganzen Welt eingesetzt wird, um das Verhalten und die Populationsdynamik kritischer Arten besser zu verstehen.
Ein Beispiel ist der Jangtse-Schweinswal, ein notorisch schwer zu untersuchendes Thema. Für den Anfang gibt es weniger als 1.050 Tiere, was der Art einen vom Aussterben bedrohten Status der International Union for Conservation of Nature einbringt. Außerdem fehlt den Schweinswalen (wie der Name schon sagt) eine Rückenflosse, was bedeutet, dass sie beim Aufatmen kaum die Oberfläche brechen und ihre Haut den gleichen dunkelgrauen Farbton aufweist wie das Wasser, in dem sie leben.
"Ich kann ehrlich sagen, dass ich noch nie eine in freier Wildbahn gesehen habe", sagt Kathryn Stewart, Biologin am Institut für Biodiversität und Ökosystemdynamik der Universität Amsterdam. Aber dank eDNA hindert das Stewart nicht daran, diese kryptische Spezies zu untersuchen. „Durch den Einsatz von eDNA können wir die Kosten und die Zeit senken, die für eine umfassende und genaue Probenahme erforderlich sind. Dies ist insbesondere in Entwicklungsländern, in denen Prioritäten und Kosten häufig niedrig sind, immer ein Problem bei der Erhaltungsarbeit.“
Letztendlich geht es darum herauszufinden, welche Faktoren am meisten zum Niedergang des Schweinswals beitragen - und zwar schnell. Laut IUCN ist die Art innerhalb der nächsten drei Generationen einem „extrem hohen“ Aussterberisiko ausgesetzt. “Dämme, Kiemennetze und ein erhöhter Schiffsverkehr scheinen gute Wetten zu sein, aber angesichts der Schwierigkeit, die Tiere zu verfolgen, ist es schwierig Es ist nahezu unmöglich herauszufinden, wo sich die Arten zuletzt aufhalten und was diese Gebiete bewohnbarer macht als die weiten Flussabschnitte, auf denen die Meeressäugetiere gedieh.
Nun arbeitet Stewart an der Entwicklung von Methoden für die eDNA, um nicht nur aufzudecken, ob eine Art vorhanden ist oder nicht, sondern auch, wie häufig diese Art in einem bestimmten Gewässerabschnitt vorkommt. Diese Ergebnisse könnten dann mit anderen Informationen korreliert werden - beispielsweise dem Vorhandensein bestimmter Beutetiere oder der Nähe zu Gebieten, in denen Menschen leben -, um festzustellen, welche Bedingungen der Jangtse-Schweinswal am besten verträgt.
"Es ist offensichtlich, dass die Optimierung der eDNA-Techniken für verschiedene Arten und Umgebungen sehr aufwändig ist", sagt Stewart. "Aber zum größten Teil ist dies ein großer Fortschritt - eine Revolution, wenn Sie so wollen - für die Naturschutzbiologie."
Der New Yorker Hudson River scheint zwar keine Bastion der Artenvielfalt zu sein, ist jedoch für eDNA-Forscher ein besonders interessantes und herausforderndes Ökosystem. (Gavin Hellier / Alamy) DNA ist ein Molekül von Kontrasten. In mancher Hinsicht ist es beeindruckend robust und überlebt Hunderttausende von Jahren, die in festem Gestein oder bei fast siedenden Temperaturen an hydrothermalen Tiefseequellen eingeschlossen sind seit Millionen von Jahren). In anderer Hinsicht ist es extrem zerbrechlich: DNA kann auch durch Sonnenlicht, Wasserturbulenzen und bestimmte Chemikalien abgebaut werden.
Aber welche Qualität gewinnt, wenn es richtig zur Sache geht?
Diese Frage wollten Stöckle und seine Kollegen von der Rockefeller University im vergangenen Jahr beantworten. Das Team sammelte sechs Monate lang wöchentlich Wasserproben aus zwei New Yorker Flüssen, um herauszufinden, was die eDNA über die dort lebenden Fischarten aussagt. Der Big Apple gilt vielleicht nicht als einer der unberührtesten oder farbenfrohsten aquatischen Lebensräume der Erde, aber laut Stöckle ist das Zusammenfließen von Süß- und Salzwasser ein besonders interessantes und herausforderndes Untersuchungsgebiet für eDNA-Tests.
Stöckle wollte wissen: Ist die DNA so robust, dass die Probenahme eines Hafens eine schwindelerregende Vielfalt von Arten von den Quellgebieten und Flussufern zu den Küstenmündungen, dem offenen Ozean und der Tiefsee zurückbringen würde? Oder war die DNA so zerbrechlich, dass sie verschwand oder degradierte, bevor wir sie sammeln und analysieren konnten? Wie sich herausstellt, liegt die Antwort dazwischen.
„Wir haben nicht nur die richtigen Fischarten gefunden, sondern sie auch zur richtigen Zeit“, sagt Stöckle. „Im Winter, wenn die Fischer Ihnen sagen, dass es sich nicht lohnt, eine Schnur ins Wasser zu werfen, erhalten wir nur sehr wenig oder gar keine Fisch-eDNA. Dann, beginnend im April und Mai, erhalten wir eine stetig zunehmende Gewinnung von Fisch-DNA bis etwa zur Mitte des Sommers, wenn Sie 10 bis 15 Arten in einer durchschnittlichen Stichprobe erhalten. “
Mit anderen Worten, die Ergebnisse von Stoeckle, die im April in der Zeitschrift PLOSONE veröffentlicht wurden, bestätigten, was wir bereits über Fischwanderungen in New Yorks Häfen wussten: Zum Beispiel, dass der Schwarzmeerbarsch im Winter vor der Küste wandert und im Frühjahr in den Hafen zurückkehrt.
Und das ist entscheidend. Während die Studie wahrscheinlich viel mehr Schlagzeilen gemacht hätte, wenn sie festgestellt hätte, dass Alligator-DNA aus den Abwasserkanälen sickert (oder Nessie!), Sind diese Ergebnisse weitaus wichtiger, weil sie erwartet werden. Das liegt daran, dass eDNA immer noch ein relativ neues Tool ist. Wenn es ernst genommen werden soll, muss es anhand der zuverlässigen Daten kalibriert werden, die von den Methoden stammen, die es möglicherweise eines Tages ersetzen wird.
Aber vielleicht das größte Versprechen von eDNA? Das Potenzial für Wissenschaftler, verrückt coole Wissenschaft zu einem verrückt günstigen Preis zu betreiben.
Blick auf den New Yorker East River, eine der Stoeckle-Sammelstellen. (Mark Stöckle) Das meiste, was wir über Fischwanderungen wissen, kommt davon, dass wir Tonnen von Netzen fallen lassen und das, was auftaucht, durchpicken oder Solarpings verwenden, um eine Momentaufnahme dessen zu erstellen, was unten passiert. In kleineren Bächen und Flüssen können Wissenschaftler mit elektrifizierten Stäben Fische und andere Wasserlebewesen betäuben und so selbst die schlauesten Kreaturen relativ gründlich untersuchen. All diese Methoden erfordern jedoch zwei Dinge: Zeit und Geld.
"Jeder, der Meereslebewesen untersucht, möchte die Häufigkeit und Dichte der Probenahmen erhöhen", sagt Jesse Ausubel, einer der Gründer und Leiter der Volkszählung der Meereslebewesen. Laut Ausubel kann die Miete eines Schiffes zwischen 10.000 und 150.000 US-Dollar pro Tag liegen. Dies schränkt die Häufigkeit, mit der es sich Wissenschaftler leisten können, ihre Netze abzulegen oder ihre Sonargeräte einzuschalten, erheblich ein.
"Das Ergebnis ist, dass es große Lücken in dem gibt, was wir wissen", sagt Ausubel, der auch Direktor des Programms für die menschliche Umwelt der Rockefeller-Universität ist, in dem er die Gruppe leitet, zu der Stöckle gehört.
Glücklicherweise haben die jüngsten Fortschritte in der DNA-Sequenzierungstechnologie die mit eDNA-Assays verbundenen Kosten auf etwa 50 USD pro Probe gesenkt. Dies bedeutet, dass Wissenschaftler viel häufiger Proben entnehmen und Erhebungen durchführen können, als dies mit herkömmlichen Überwachungsmethoden möglich wäre. Und im Gegensatz zur Identifizierung einer Art anhand ihrer physischen Merkmale - eine schwierige Fähigkeit, die viel Erfahrung erfordert und dennoch falsche Daten liefern kann - können eDNA-Proben von jedem mit ein wenig Training und einem sterilen Behälter relativ leicht gesammelt werden.
Im Gegensatz zu Schleppnetzen, Sonar oder Elektrofischen ist die eDNA-Probenahme praktisch störungsfrei. Dies macht die Technik besonders für die Vermessung von Arten interessant, die sich bereits in den Seilen befinden. Für Stewart ist dies eines der besten Dinge bei der Verwendung von eDNA: Sie kann damit Fragen zu den Yangtze-Schweinswalen stellen, ohne ihren Lebensräumen noch mehr Bootsverkehr hinzuzufügen.
Stewart weist darauf hin, dass eDNA für Entwicklungsländer besonders wichtig sein könnte, da sie häufig ein hohes Maß an Endemismus und ein erhöhtes Risiko für den Verlust von Arten aufweisen und gleichzeitig weniger Ressourcen für Naturschutzinvestitionen zur Verfügung stehen. "Obwohl wir so viel Artenvielfalt wie möglich schützen wollen, müssen wir in der Realität schwierige Entscheidungen darüber treffen, wo und wie der Schutz finanziert werden soll", sagt sie. Und mit eDNA können wir diese begrenzten Mittel noch weiter ausbauen.
Über die Erhaltung bekannter Tiere hinaus könnte eDNA Biologen auch dabei helfen, versteckte Arten aufzudecken, die unter unserer Nase schwimmen. David Lodge, Biologe an der Cornell University und Direktor des Atkinson-Zentrums für eine nachhaltige Zukunft, weist auf das Potenzial hin, diese Technik in Ökosystemen wie dem riesigen, aber wenig gesuchten Tanganjikasee Afrikas einzusetzen. Während die Forscher wissen, dass der See voller Buntbarsche ist, gibt es wahrscheinlich noch weit mehr Arten, die noch unentdeckt sind.
"Wir glauben, dass wir die dunkle Vielfalt entdecken werden - Arten, die es da draußen noch nie gegeben hat", sagte Lodge auf dem Earth Optimism Summit von Smithsonian, einem Treffen von Naturschutzbewussten, Wissenschaftlern und Aktivisten Anfang dieses Monats.
Ein Austernkrötenfisch, eine "bezaubernd hässliche" Art, die laut Stöckle in New Yorks Häfen verbreitet ist. (Barrierislandnaturalist) Währenddessen wecken solche wie Gemmell Interesse an der Idee. Gemmell sagt, dass er nach ein paar Tweets über die Verwendung von eDNA zur Suche nach Nessie mehr Interesse an der echten eDNA-Arbeit hatte, die er in Neuseeland in den letzten zwei Wochen geleistet hat, als in zwei Jahren, in denen er pflichtbewusst Wasserproben gesammelt und getestet hat.
Diese echte eDNA-Arbeit besteht im Übrigen darin, mithilfe von eDNA invasive Algen und Manteltiere zu erkennen, bevor sie sich in Neuseelands Gewässern festsetzen können. Im Moment werden wir erst dann auf solche Kreaturen aufmerksam, wenn sie sich festgesetzt haben. Aber wenn routinemäßige eDNA-Tests der Wasserstraßen die Anwesenheit solcher Kreaturen früh genug aufdecken, könnten wir in die Offensive gehen und Invasionen fast bevor sie beginnen, ausrotten.
Leider wird die schottische Monsterjagd wahrscheinlich warten müssen, bis jemand etwas Geld aufbringen will. Aber Stöckle sagt, er liebt die Idee und sieht keine technischen Einschränkungen dafür, warum es nicht funktionieren würde. "Das einzige Problem", sagt Stöckle, "ist, ob das Monster von Loch Ness tatsächlich existiert."
Und wenn nicht? Das ist ein Problem, das selbst eDNA-Wissenschaftler nicht lösen können.
