Technik im Detail: Genetische Analysen – ab ins Labor!

Wir haben uns im Rahmen dieser Reihe ja schon ein paar Naturschutztechniken genauer angeschaut. Dieses Mal geht es um eine etwas andere Methode, die man nicht direkt im Feld nutzen kann und die eigentlich aus der biologischen Grundlagenforschung kommt, aber mittlerweile in vielen Bereichen Anwendung findet: die Analyse von genetischem Material.

Während genetische Analysen initial verwendet wurden, um zu klären, welche Tierarten wie nah miteinander verwandt sind (und auch da kommen immer noch regelmäßig neue Erkenntnisse ans Licht), sind die Methoden schon seit einigen Jahr so exakt, dass man damit einzelne Individuen voneinander unterscheiden und identifizieren kann. Zwar braucht man für die Analyse weiterhin ein entsprechendes Labor und somit ist sie nicht gerade billig, aber doch deutlich weiter verbreitet und einfacher verfügbar als früher. Damit bleibt sie allerdings etwas für besondere Fälle, das nicht „mal eben schnell“ eingesetzt wird.

Wann verwendet man solche Analysen?

Der aktive Schutz von Wildtieren und besonders das Monitoring von bedrohten Arten sind häufig schwierig in ihrer Umsetzung – viele Tierarten nutzen große Territorien und kommen in Gegenden vor, in denen es keine klaren Grenzen für ihre Bewegungen oder gar Zäune gibt. Trotzdem ist es wichtig zu wissen, wie viele Individuen in solchen Populationen leben und wie sich diese entwickeln…

Nun haben wir uns ja schon angeschaut, dass man hier Kamerafallen einsetzen könnte, um einen Überblick über die vorhandenen Tierarten zu bekommen. Aber wo stellt man die auf, wenn man eine ganze Region überwachen möchte? Hier kann es viel zu leicht passieren, dass man die Tiere einfach verpasst und zusätzlich schafft man damit natürlich einen hohen regelmäßigen Aufwand für die Kontrolle der Kameras. Also ist diese Technik eher für kleinere Regionen oder einzelne Überblicke geeignet.

Dann gab es da ja auch noch die Telemetrie. Gut, dass die Radio-Telemetrie nur einen sehr eingeschränkten Radius hat, das ist ja klar, aber GPS funktioniert doch weltweit – also nehmen wir einfach das? Generell ist so ein GPS-Tracker super geeignet, um ein einzelnes Tier auf Dauer zu verfolgen. Aber wie finden und fangen wir das Tier initial? Und sagt das dann wirklich etwas über die Population der Art aus? Nicht wirklich…

Das klingt schon alles ziemlich schwierig und tatsächlich ist das Monitoring von solchen Populationen, die sich über große Gebiete erstrecken, eine der größten Herausforderungen im Artenschutz. Oft stehen nicht überall die gleichen Mittel zur Verfügung und manchmal können Teile des Verbreitungsgebiets nicht einfach frei untersucht werden. Das führt auch dazu, dass für viele Arten der aktuelle Zustand der Populationen gar nicht genau bekannt ist und nur grobe Trends vermutet werden können.

Aber zum Glück gibt es noch weitere Möglichkeiten, wie man bessere Daten bekommen kann – und hier kommen die genetischen Analysen ins Spiel. Jedes Lebewesen hat ja bekanntlich seine eigene DNS (oder englisch DNA), in der die genetischen Veranlagungen gespeichert sind und die in jeder einzelnen Zelle vorliegt. So wie das bei uns Menschen in der Forensik verwendet werden kann, um Täter anhand von Blutspuren oder gar Haaren zu überführen, so lässt sich die gleiche Technik auch auf Tiere anwenden.

Da man nur einige Zellen braucht, um das entsprechende Material zusammen zu bekommen, eignen sich hierfür neben Haaren auch besonders Proben von Kot, da bei der Ausscheidung eine gewisse Abreibung entsteht. Dabei ist allerdings wichtig, dass die Probe nur von genau einem Individuum genommen wird, da sonst die Ergebnisse nicht mehr eindeutig zuzuordnen sind. Im Zweifel kann dann zwar die Tierart bestätigt werden, aber bei vermischten Proben lassen sich die verschiedenen Individuen nicht mehr klar trennen und unterscheiden.

Auf jeden Fall bedeutet diese Technik, dass man nun nicht mehr vorher ahnen muss, wo sich das Tier aufhalten wird (wie bei Kamerafallen) und dieses auch nicht aktiv fangen muss (wie bei Telemetrie). Stattdessen reicht es aus, wenn man auf Spuren des Tieres stößt und diese noch relativ frisch sind. Frisch müssen sie sein, da auch DNS mit der Zeit denaturiert und dann nicht mehr korrekt ausgewertet werden kann. Wie schnell das passiert, hängt von mehreren Faktoren wie der Witterung und den Temperaturen ab und muss also im Zweifel erst herausgefunden werden.

Trotz dieser Einschränkung ergeben sich damit aber ganz neue Möglichkeiten für das Monitoring: wenn man nun eine solche frische Spur findet, kann man nicht mehr nur folgern, dass die entsprechende Art vorbeigekommen ist, sondern genau herausfinden, was für ein Individuum es war. Allerdings ist es natürlich auch schwierig, nur über solche Spuren eine komplette Population zu analysieren – dafür müsste man ja auch wieder das ganze Gebiet untersuchen und dann schnell genug nach dem Tier vor Ort sein. Also werden solche genetischen Analysen häufig in Kombination mit anderen, einfacheren Methoden genutzt.

Wie sieht solches Monitoring dann aus?

Ich persönlich kenne zwei Projekte, bei denen aktiv auf genetische Analyse gesetzt wird, habe aber schon von einigen weiteren gehört. Das erste gibt es direkt hier bei uns vor Ort im Fledermausschutz: das graue Langohr ist nämlich extrem selten, aber nur sehr schwer von seiner Schwesterart, dem braunen Langohr, zu unterscheiden. Die beiden Arten kommen auch in den gleichen Gegenden und Hangplätzen vor, sodass man bei der Kontrolle von beispielsweise Kirchendachstühlen kaum unterscheiden kann, um welche der Arten es sich handelt. Daher sind wir freiwilligen Fledermausschützer dazu aufgerufen, in solchen Fällen auch hier Kotproben zu entnehmen und einzuschicken, um damit weitere Wochenstuben von grauen Langohren zu finden. Denn wenn man weiß, wo die seltenere Art vorkommt, dann kann man sie natürlich deutlich besser schützen (mehr über Fledermäuse findet ihr hier).

Zu dem zweiten Projekt kann ich euch mehr erzählen. Als ich vor etwa zwei Jahren den Workshop Wolf in der Slowakei mitgemacht habe, waren wir direkt am Anfang beim Auftakt des offiziellen Wolfsmonitorings der Winterwölfe dabei (falls ihr mehr dazu wissen wollt, dann schaut gerne am Tag 8 der Reihe vorbei). Dort wurde uns erzählt, was für tolle Ergebnisse die Forscher über die Jahre erzielt haben – zu einen großen Teil auch wegen der genetischen Analysen, die sie regelmäßig durchführen.

Kurz zusammengefasst geht es bei diesem Monitoring in der Slowakei darum, die Anzahl der Wölfe im Land zu bestimmen und basierend darauf zu entscheiden, ob und wie viele Wölfe in der kommenden Saison gejagt werden dürfen. In der Slowakei gibt es nämlich schon seit einigen Jahren eine recht stabile Wolfspopulation in den Nationalparks der Tatra, sodass nun manchmal einzelne Tiere gejagt werden dürfen (allerdings auch dann mit strikter Quote).

Doch wie bestimmt man die Populationsgröße in einem ganzen Land? Offensichtlich kann nicht jeden Winter das ganze Land nach Wölfen abgesucht werden, also hat man hier einen möglichst repräsentativen Bereich ausgewählt, in dem die jährliche Zählung stattfindet. Das Ergebnis dieser Region kann dann auf das Land hochgerechnet werden und zumindest die Tendenz lässt sich damit sicherstellen.

Selbst in dem vergleichsweise kleinen Gebiet ist es aber nicht möglich, alle Tiere einzeln zu zählen. Zum Glück gibt es dafür aber einige Methoden in der Populationsbiologie, in denen man Transsekte oder eben bestimmte Strecken regelmäßig überprüft und anhand der dort gefundenen Zahlen die Populationsdichte bestimmt. An sich ist das allerdings recht ungenau – und hier kommt die Genetik ins Spiel.

Wenn nun Spuren von Wölfen gefunden werden, dann wird anhand der Pfotenabdrücke gezählt, wie groß das Rudel war, und man folgt den Spuren wenn möglich so weit, bis man eine Kotprobe nehmen kann. Das macht man mit einem kleinen Holzstäbchen, mit dem man einen Abstrich nimmt, und das dann in ein Plastikröhrchen verpackt wird. Die Probe wird dann mit Ort und Zeit beschriftet und ins Labor eingeschickt, wo die genetische Analyse durchgeführt wird. Wenn alles gut geht (in etwa 70-80% der Fälle), weiß man nun, welches Individuum in diesem Rudel mitgelaufen ist.

Doch das ist noch nicht alles: man kann außerdem abgleichen, ob das Tier schon aus den letzten Jahren bekannt ist und zusätzlich prüfen, ob man Verwandte des Tieres bereits nachgewiesen hat. All das von einem bisschen Kot!

Das hilft bei der Populationsberechnung schon deutlich weiter. Nun gibt es neben der Anzahl der gefundenen Wölfe auch noch das Wissen, ob die gleichen Rudel wie im letzten Jahr bestehen bleiben. Das erkennt man daran, dass entweder das Individuum schon bekannt ist oder man dessen Geschwister oder Kinder wiedergefunden hat. Damit lässt sich nach einigen Jahren genauer analysieren, wie ortstreu die Wolfsrudel sind und wie viele neue Wölfe in die Gegend einwandern.

Am Ende bekommt man zwar trotzdem keine finalen Zahlen, wie groß die Population genau ist, aber man kann recht sichere Hochrechnungen anstellen und darauf basierend den Managementplan für die Art aktualisieren. Außerdem kommt man bei dem kompletten Monitoring dieser Wölfe nie mit den Tieren an sich in Kontakt und hat so auch keinen Eingriff in deren Leben, bekommt aber trotzdem die notwendigen Daten für ihren Schutz. Also ich fand das System echt super (auch wenn ich gerne mal einen Wolf in freier Wildbahn gesehen hätte).

Und wie funktioniert die Analyse überhaupt?

In der Tiefe auf die Details der biochemischen Analyse einzugehen, das würde hier zu weit führen, aber zumindest grob lässt sich diese Form von Genetik recht schnell erklären: das ganze System basiert darauf, dass wir mittlerweile automatisiert das komplette Erbgut oder Genom einer Art sequenzieren können. Die DNS, die diese Informationen enthält, kann man sich nämlich wie eine Perlenkette vorstellen, in der eine bestimmte Reihenfolge von vier biochemischen Basen aufeinander folgt. Diese sehr lange Kette kann man also als eine Reihe von Buchstaben darstellen und somit automatisiert auswerten.

Das haben Forscher für die meisten heute bekannten Tierarten gemacht und können daran eben auch ableiten, welche Arten näher miteinander verwandt sind als andere. Wenn man dann aber noch genauer hinschaut, gibt es Bereiche, die keine direkte Funktion für das Überleben des Individuums haben und dementsprechend individuell ausgeprägt sind. Manche davon werden außerdem direkt vererbt. Und wenn man diese Bereiche entsprechend miteinander vergleicht, lassen sich nicht nur Individuen unterscheiden sondern eben auch Verwandtschaftsbeziehungen bestimmen.

Die gleiche grundsätzliche Technik verwendet man bei uns Menschen auch für Vaterschaftstests oder in der Kriminalforensik, wenn nach einem Mord beispielsweise Blutsspuren gefunden werden. Denn ähnlich wie beim klassischen Fingerabdruck ist es sehr sehr unwahrscheinlich, zwei Menschen mit der gleichen Ausprägung zu finden…

Und damit haben wir eine weitere Naturschutztechnik kennengelernt, die aktiv zum Schutz und zur Erforschung der Arten eingesetzt wird. Ich hoffe, ihr habt wieder etwas gelernt und freut euch auch schon auf den nächsten Teil in dieser Reihe!