Mastodon-Kot, Kaninchenhaare, Birkenblätter: Neu entdecktes genetisches Material lässt Forscher zurückgehen, als Bäume auf dem Eis in Nordgrönland wuchsen.
Vor zwei Millionen Jahren herrschte im nördlichen Teil Grönlands ein gemäßigtes Klima statt der extremen Wüste, die es heute ist. Jetzt haben Forscher in vielen verschiedenen Tieren DNA aus dieser Zeit gefunden. Dieses Genom ist Millionen Jahre älter als das älteste, das in den im sibirischen Permafrost eingefrorenen Säugetierknochen gefunden wurde.
Kleine Partikel stammen von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen wie Rentieren, Kaninchen, Lemmingen, Gänsen, Birken und Espen. Wissenschaftler hoffen, dass Pflanzen durch nachgewiesene spezifische genetische Anpassungen widerstandsfähiger gegen den heutigen Klimawandel werden können.
Wir benötigen Ihre Erlaubnis, um Glomex-Videos zu zeigen
Mit Ihrer Erlaubnis können hier neben redaktionellen Texten auch externe Inhalte angezeigt werden. Durch die Aktivierung von Inhalten mit „Zustimmung und Anzeige“ kann die glomex GmbH Daten auf Ihrem Gerät speichern oder abrufen und Ihre personenbezogenen Daten erheben und verarbeiten, auch in Ländern mit weniger Datenschutz außerhalb der EU, denen Sie ausdrücklich zustimmen. Die Erlaubnis gilt für die Dauer Ihres Besuchs auf dieser Seite, Sie können sie aber in dieser Zeit über den Schieberegler wieder entziehen. Datenschutz
Video: AFP
Genetische Fußabdrücke sind überall in der Umwelt zu finden: Sie stammen von Haarschuppen, Federn, Haaren, Kot, Pollen und vielen anderen Dingen. Aus Wasser- und Bodenproben ist es möglich, die verschiedenen in einem bestimmten Gebiet vorkommenden Arten nur anhand der darin enthaltenen DNA-Spuren zu identifizieren. Man spricht von Umwelt-DNA, die eDNA genannt wird – das „e“ aus dem englischen Wort „environment“. Unter bestimmten Bedingungen kann alte Umwelt-DNA untersucht und erforscht werden, insbesondere in Permafrostsedimenten.
Forscher haben entdeckt, dass Umwelt-DNA tief in Sedimenten vergraben ist
Forschungsleiterin Eske Villerslev von der University of Cambridge sagte, dass zum ersten Mal die DNA vergangener Ökosysteme direkt sichtbar sei. Co-Autor Kurt Kjaer von der Universität Kopenhagen erklärt: „DNA bricht schnell zusammen, aber wir haben gezeigt, dass sie unter den richtigen Bedingungen viel weiter zurückreichen kann, als irgendjemand dachte.“ Umwelt-DNA wurde tief in Sedimenten gefunden, die sich über 20.000 Jahre gebildet hatten. „Das Sediment wurde schließlich in Eis oder Permafrost konserviert und war vor allem zwei Millionen Jahre lang von Menschen unbeeinflusst.“
Ein Team um Willerslev und Kjaer berichtete im Fachblatt Nature, dass eine neue Generation von Geräten zur Verarbeitung und Entschlüsselung von DNA gelungen ist. In eiszeitlichen Sedimenten in Nordgrönland wurden mikroskopisch kleine DNA-Fragmente von wenigen Millionstel Millimetern Größe gefunden. Sie stammen aus der Cape-Cobenhavn-Formation, einer etwa 100 Meter dicken Sedimentablagerung an der Mündung eines Fjords in den Arktischen Ozean am nördlichsten Punkt Grönlands. Grönlands Klima schwankte damals zwischen arktisch und gemäßigt, 10 bis 17 Grad Celsius wärmer als heute. Das Ökosystem war ein sogenannter Offenwald mit einer Mischvegetation aus Espen, Birken, Thujabäumen und verschiedenen Sträuchern und Kräutern.
Lesen Sie auch darüber
Einige der DNA-Fragmente können leicht den Vorfahren moderner Arten zugeordnet werden, andere können nur einer größeren Gruppe von Arten zugeordnet werden, und einige haben keine Übereinstimmungen, die in aktuellen DNA-Bibliotheken gefunden werden. Wissenschaftler haben auch entdeckt, dass das Mastodon, ein eiszeitliches Säugetier, vor seinem Aussterben nach Grönland eingewandert ist. Bisher ging man davon aus, dass sich das Verbreitungsgebiet elefantenähnlicher Tiere nicht von ihrem Ursprung in Nord- und Mittelamerika bis nach Grönland erstreckte. Das späte Pliozän und frühe Pleistozän vor 3,6 bis 0,8 Millionen Jahren hatte ein Klima, das zukünftigen Erwärmungsszenarien ähnelt, so die Studie.
Laut Forschung: Arten, die an Temperaturschwankungen angepasst sind
Die Forscher hoffen, dass ihre Ergebnisse dabei helfen, die langfristigen Auswirkungen der globalen Erwärmung auf die Umwelt vorherzusagen. Die Daten aus Grönland zeigen, dass sich mehr Arten ändern und an schnell schwankende Temperaturen anpassen können als bisher angenommen, sagte Co-Autor Mikkel Pedersen von der Universität Kopenhagen. Es ist jedoch sehr wichtig, dass die Ergebnisse zeigen, dass sie dafür Zeit brauchen.
„Die heutige Geschwindigkeit der globalen Erwärmung bedeutet, dass Organismen und Arten diese Zeit nicht haben. Klimaextreme stellen daher weiterhin eine große Bedrohung für die biologische Vielfalt und die Welt dar – einige Arten, einschließlich Pflanzen und Bäume, sind vom Aussterben bedroht.“ Forscher können auch verwenden genetische Daten zur Bestimmung von Wechselwirkungen mit Bakterien und anderen Mikroorganismen in der alten Landschaft. Sie hoffen, auch wärmere Regionen analysieren zu können.
DNA überlebt im Allgemeinen am besten unter den kalten, trockenen Bedingungen, die die meiste Zeit über herrschten, als das Material in Cape Cobenhavn gelagert wurde, sagte Willerslev. Alte DNA könnte jedoch in warmen, feuchten Umgebungen konserviert worden sein, wie zum Beispiel im Schlamm in Afrika. „Wenn wir beginnen, die alte DNA afrikanischer Tonpflanzen zu untersuchen, können wir neue Informationen über die Ursprünge vieler Arten sammeln – vielleicht neue Erkenntnisse über frühe Menschen und ihre Vorfahren – und die Möglichkeiten sind endlos.“
Henrik Krehenwinkel von der Universität Trier hält weitere „revolutionäre Durchbrüche“ für durchaus möglich. Die bisherigen Fortschritte basierten größtenteils auf großen Fortschritten in der Sequenzierungstechnologie, die es ermöglicht haben, genetisches Material schneller und kostengünstiger zu entschlüsseln. Das Ende der technischen Entwicklung ist nicht absehbar. Auch Krehenwinkel sieht keine zeitliche Begrenzung. “Vor zehn Jahren hielten Experten es für unmöglich, mehr als 100.000 Jahre zurückzugehen – jetzt sind wir bei zwei Millionen.”
„Wenn die Bedingungen stimmen, kann DNA sehr stabil sein“, erklärt Umweltwissenschaftler Trier. Permafrost ist ideal, weil das Molekül chemisch kaum abbaubar ist und Mikroorganismen, die DNA sehr schnell abbauen, nicht aktiv sind. Wenn es tatsächlich möglich wäre, alte DNA aus den Tropen zu finden und zu entschlüsseln, wie Willerslev vorschlägt, würde dies enorme Möglichkeiten für das evolutionäre Verständnis bieten. „Die Biodiversität war in tropischen Regionen schon immer groß, und viele Arten, einschließlich Menschen, haben sich in solchen Regionen entwickelt“, sagte Krehenwinkel.
eDNA-Studien haben die Ankunft von Wanderfischen vor vielen Jahren aufgedeckt
Umwelt-DNA wird seit langem von Wissenschaftlern zur Analyse verwendet, aber bisher konzentrierte sie sich hauptsächlich auf Menschen in der Gegenwart. Beispielsweise wurden eDNA-Studien vor Jahren verwendet, um die Ankunft einer großen Anzahl von Wanderfischen in New Yorker Gewässern zu verfolgen – einfach durch die Analyse regelmäßiger Wasserproben. Solche Umwelt-DNA-Studien hätten die Überwachung von Tierarten stark vereinfacht und beschleunigt, schrieben die Forscher damals in der Fachzeitschrift. PLUS EINS.
Walhaie in den Weltmeeren können auf diese Weise aufgespürt werden, und invasive Arten und Krankheitserreger in Gewässern können aufgespürt werden, ohne dass das Tier gefangen oder getötet werden muss. Krechenwinkel und seine Kollegen entwickelten eine Methode, um Spuren von Insekten-Erbmaterial aus getrockneten Pflanzen zu erfassen und auszuwerten. So findet sich in einem einzigen handelsüblichen Teebeutel die DNA von bis zu 400 Insektenarten.
Wenn Bienen zu Blumen fliegen, um sie zu bestäuben, hinterlassen sie ihren Speichel. Die Käfer stechen in die Blätter und hinterlassen Spinnenseidenfäden. Laut Krehenwinkel reicht das aus, um die DNA des Insekts nachzuweisen. In einer Fachzeitschrift, Juni Biologie Briefe Die vorgestellte Methode eröffnet die Möglichkeit, alte Pflanzenpopulationen, beispielsweise aus Museen, zu analysieren und ihre Besiedlung mit der Gegenwart zu vergleichen.
Forscher können nützliche Rückschlüsse auf den Insektenrückgang ziehen
„Daraus lässt sich auf Veränderungen in der Artenzusammensetzung schließen“, erklärt Trierer. Dies ist beispielsweise bei der Analyse des Insektensterbens wichtig, wo andere Informationen fehlen. Ein Team unter der Leitung von Krechenwinkel verwendete Umwelt-DNA aus jahrzehntelangem archiviertem Blattmaterial, um Veränderungen bei Insektenarten und den Gemeinschaften anderer Arthropoden, die auf ihnen leben, zu untersuchen – Tausende von Arten insgesamt.
Ergebnis: Gesellschaften werden räumlich und zeitlich immer homogener. Laut Krehenwinkel besteht die größte Herausforderung bei der Analyse von Umwelt-DNA darin, Kontaminationen zu vermeiden. Fragmente von Erbmaterial aus der Umwelt können sehr leicht in die analysierte Probe gelangen und die Ergebnisse verfälschen.
Ein weiteres Problem bei über lange Zeiträume angesammelten Spuren besteht darin, relativ seltene Spuren, wie Mastodon, unter Fragmenten häufig vorkommender Arten, wie Mikroorganismen, zu finden. “Um eine so seltene Spur unter anderen Populationen zu identifizieren, muss man eine riesige Menge an DNA-Fragmenten sequenzieren.” Bei ausreichendem Durchsatz kann das gesamte Genom einer Art aus unzähligen entschlüsselten Fragmenten zusammengesetzt werden.
