Neues aus Wissenschaft und Naturschutz

03.11.2014, Humboldt-Universität zu Berlin
Damit es Europas Bienen wieder besser geht
Projekt „Smartbees“ bekommt sechs Millionen Euro von der Europäischen Kommission
Die Vielfalt der Bienenarten in Europa ist in Gefahr. Früher gab es zahlreiche Bienenrassen. Doch in den vergangenen Jahren hat sich die Situation dramatisch verändert.
Einerseits verursacht eine aus Asien stammende Milbe (Varroa destructor) seit vielen Jahren hohe Verluste unter den Europäischen Bienenvölkern (Apis mellifera). Andererseits kommt es zu einer systematischen Verdrängung vieler Europäischer Bienenrassen durch zwei Rassen, die bereits seit einiger Zeit auf Leistung, ruhiges Verhalten und Krankheitsresistenz gezüchtet wurden. Beide Ursachen reduzieren die genetische Vielfalt der Honigbienen in Europa und gefährden die nachhaltige, regional angepasste Bienenhaltung. Die Konsequenzen sind dramatisch für die Landwirtschaft. Dabei geht es nicht nur um weniger Honig oder Wachs. Die Bestäubungsleistung der Bienen hat einen enormen ökonomischen Wert.
Um dem Bienensterben zu begegnen, kooperieren jetzt in dem mit sechs Millionen Euro von der Europäischen Kommission geförderten Projekt „SMARTBEES“ Genetiker, Molekularbiologen, Parasitologen, Virologen, Immunologen, Kommunikationswissen¬schaftler, Mathematiker und Bienenspezialisten aus elf Ländern. Koordiniert wird es von Prof. Dr. Kaspar Bienefeld. Er leitet die Abteilung Zucht und Genetik am Länderinstitut für Bienenkunde in Hohen Neuendorf und ist Honorarprofessor am Albrecht Thaer Institut für Agrar- und Gartenbauwissenschaften der Humboldt-Universität zu Berlin.
Mit dem internationalen Projekt soll der aktuelle Stand der genetischen Vielfalt in ganz Europa analysiert und mit geeigneten Methoden verbessert werden. Zudem werden sich die Wissenschaftler mit der gefährlichen Dreiecksbeziehung Biene-Milbe-Viren beschäftigen und die Mechanismen ergründen, die dazu führen, dass aus im Zusammenspiel mit der Varroamilbe aus harmlosen Viren tödliche Viren werden. Mit modernsten molekulargenetischen Methoden werden die Gründe der unterschiedlichen Widerstandskraft von Bienen gegenüber Varroa und Viren geklärt.
Die Unzufriedenheit der Imker mit den einheimischen Bienenrassen war der zentrale Grund für deren Austausch durch züchterisch verbesserte Rassen. Daher sollen Zuchtstrategien, die sich als sehr erfolgreich erwiesen haben, für die bislang züchterisch vernachlässigten Bienenrassen so modifiziert werden, dass diese Rassen an die Bedürfnisse der lokalen Imkerschaft angepasst werden. Damit kann ihre Verdrängung gestoppt werden. Daten aus dem Europäischen Referenzlabor für Bienenkrankheiten werden analysiert, um auch für noch nicht aktuelle aber möglicherweise in Zukunft auftretende Krankheitserreger gewappnet zu sein.
Bienen werden von hunderttausenden Imkern in Europa gehalten. Das bedeutet, dass wissenschaftliche Erkenntnisse und die Entwicklung von neuen Methoden und Strategien nur dann nachhaltig zu einer Verbesserung der Situation führen, wenn die Europäische Imkerschaft involviert wird. Eine Arbeitsgruppe, die auf Wissenstransfer spezialisiert ist, wird die Ergebnisse des Projektes für die Praxis aufbereiten, Lernmodule erstellen und für eine Vernetzung innerhalb und zwischen den Ländern sorgen. Kaspar Bienefeld sagt: „Es ist das erste Mal, dass sich so unterschiedliche Disziplinen gemeinsam und aufeinander abgestimmt mit dem Bienensterben beschäftigen. Die Aufgabe ist komplex, aber das multidisziplinäre Konzept des Projekts eröffnet große Chancen, nachhaltig die Gesundheit und die genetische Vielfalt der Bienen in Europa zu verbessern.“

04.11.2014, Universität Wien
Einsiedlerdrossel oder Mensch – wer gibt den Ton an?
Gemeinsame Prinzipien bei Vogelgesang und menschlicher Musik entdeckt
Der Gesang der nordamerikanischen Einsiedlerdrossel unterliegt Prinzipien, die typisch für menschliche Musik sind – nämlich Töne aus der Obertonreihe. Tecumseh Fitch und Bruno Gingras, beide Kognitionsbiologen an der Universität Wien, konnten dies nun erstmals zusammen mit einem internationalen Team mit analytischen Methoden belegen. Die Ergebnisse sind vor allem für die „Anlage-Umwelt-Diskussion“ relevant. Die Studie erscheint aktuell in PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).
Weltweit verwenden viele musikalische Kulturen Tonhöhensysteme, in denen Töne durch einfache ganzzahlige Verhältnisse (Verhältnisse zwischen den Tonfrequenzen) miteinander in Beziehung stehen und eine Obertonreihe (Naturtonreihe) bilden. Die diatonische Dur-Tonleiter, die in der westlichen Musik vorherrscht, ist ein typisches Beispiel. Seit langem wird diskutiert, welchen relativen Anteil biologische oder kulturelle Faktoren in der Entwicklung dieser Tonhöhensysteme haben. Eine Möglichkeit zur Beantwortung dieser Frage ergibt sich durch das Studium von „Tiergesang“: Wenn nämlich die Gesänge von einigen Tierarten, wie z.B. von Vögeln und Walen, auf einigen selben Prinzipien wie die von menschlichen Musiksystemen basieren, könnte das auf eine biologische Grundlage von diesen musikalischen Systemen hinweisen.
„Die Einsiedlerdrossel ist ein häufiger, mittelgroßer nordamerikanischer Singvogel, dessen Gesang die Aufmerksamkeit von Ornithologen und Musikwissenschaftlern seit mehr als einem Jahrhundert auf sich gezogen hat. In Studien des frühen 20. Jahrhunderts wurde behauptet, dass der Gesang der Einsiedlerdrossel den Prinzipien, die dem menschlichen Musiksystem zugrunde liegen, folgt“, so Tecumseh Fitch, Professor am Institut für Kognitionsbiologie der Universität Wien. Dabei handelt es sich jedoch um anekdotenhafte Berichte, die nicht auf seriöse Analysen beruhen. „Unsere neue Studie zeigt, dass Einsiedlerdrosseln tatsächlich Töne verwenden, die im Allgemeinen durch kleine ganzzahlige Verhältnisse miteinander in Beziehung stehen, so wie menschliche Musik. Des Weiteren sind die verwendeten Töne Bestandteil derselben Obertonreihe, was bedeutet, dass die Töne ganzzahlige Vielfache derselben Grundfrequenz sind“, erklärt Bruno Gingras, Postdoc in der Gruppe von Tecumseh Fitch an der Universität Wien. Die beiden Kognitionsbiologen forschten zusammen mit einem Team von WissenschafterInnen von dem Cornish College of the Arts, USA, und der Philipps-Universität Marburg, Deutschland.
Internationale Kooperation für Tonanalyse
Um diesen Schluss ziehen zu können, haben Emily Doolittle (Cornish College of the Arts) und Tecumseh Fitch (Universität Wien) Aufnahme von Gesängen von 14 männlichen Einsiedlerdrosseln analysiert. Bruno Gingras (Universität Wien) und Dominik Endres (Philipps Universität Marburg) haben dann zwei unterschiedliche statistische Methoden verwendet, um zu demonstrieren, dass in den meisten Fällen die Töne der Einsiedlerdrosseln kleine ganzzahlige Vielfache einer Grundfrequenz sind, und dass diese Töne einer Obertonreihe entsprachen. Die AutorInnen haben andere Alternativerklärungen ausgeschlossen, wie z.B. die Möglichkeit, dass Einsiedlerdrosseln Töne aufgrund der Resonanzen des Vokaltrakts wählen, in ähnlicher Weise wie es bei Blasinstrumenten wie dem Alphorn der Fall ist. Daher weisen die Ergebnisse stark darauf hin, dass die Einsiedlerdrossel aktiv die Tonhöhen, die sie bei ihrem Gesang verwenden, auswählen.
Warum folgt die Einsiedlerdrossel der Obertonreihe?
Obwohl weitere Forschung notwendig ist, um zu erklären, warum Einsiedlerdrosseln Tonhöhen wählen, die einer Obertonreihe entsprechen, erwähnen die AutorInnen zwei mögliche Erklärungsansätze. Erstens wäre es möglich, dass weibliche Einsiedlerdrosseln die Qualität des männlichen Vogelgesangs aufgrund der Genauigkeit, mit welcher der Obertonreihe gefolgt werden kann, evaluieren. Zweitens wäre es möglich, dass Einsiedlerdrosseln wie Menschen, Tonhöhen, die einer Obertonreihe folgen, leichter verarbeiten oder im Gedächtnis speichern.
Unter Berücksichtigung andere aktueller Forschungsergebnisse, wie etwa der Erkenntnis, dass neu geschlüpfte Küken eine Präferenz für konsonante Intervalle zeigen, stützen die aktuellen Ergebnisse die Hypothese, dass einige Merkmale von menschlichen Musiksystemen zumindest teilweise auf biologischen Prinzipien basieren, die mit Tierarten geteilt werden. Die aktuellen Ergebnisse sind somit von besonderer Relevanz für die langjährige Debatte über die Ursprünge der menschlichen Musikpräferenzen.
Publikation in PNAS:
Emily L. Doolittle, Bruno Gingras, Dominik M. Endres, W. Tecumseh Fitch: Overtone-based pitch selection in hermit thrush song: Unexpected convergence with scale construction in human music. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). November 2014.
DOI: http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1406023111

06.11.2014, Landesregierung Niederösterreich
8.000 Huchen in Donau freigesetzt
Unter dem Motto „Beleben wir die Donau“ werden derzeit 8.000 Junghuchen von Schallemmersdorf bis zur Traisenmündung freigesetzt. Niederösterreichs Landesrat Dr. Stephan Pernkopf und Landesfischermeister Karl Gravogl zeigten sich von der Aktion begeistert. „Niederösterreich ist das Naturland Nummer eins und konnte in den letzten Jahren zahlreiche Meilensteine des Natur- und Gewässerschutzes setzen. Damit ist es gelungen, für gefährdete Arten wie etwa den Huchen neue Lebensräume zu schaffen und entscheidende Beiträge für die Erhaltung dieser Arten zu leisten“, so Pernkopf.
Der aktuelle Besatz mit 8.000 Junghuchen aus zwei regionalen Zuchtanlagen wurde vom NÖ Landesfischereiverband geplant und finanziert. Landesfischermeister Karl Gravogl zog eine beeindruckende Bilanz: „Nachhaltige Fischerei und Gewässerschutz sind uns ein großes Anliegen. Alleine für das LIFE-Projekt ‚Mostviertel-Wachau‘ konnten wir aus den Mitteln der Fischerkartenabgabe 326.000 Euro beisteuern. Insbesondere Wassertiere die sensibel auf Veränderungen reagieren, wie bereits vom Aussterben bedrohte Fischarten, Krustentiere, Neunaugen, Muscheln als auch der König der Donau, der Huchen, müssen um jeden Preis geschützt werden.“
Der Huchen ist heute eine der meist gefährdeten Fischarten Europas. Er kann über 140 Zentimeter lang werden und ein Gewicht von mehr als 50 Kilogramm erreichen. Durch Renaturierungsmaßnahmen wie im LIFE-Projekt „Mostviertel-Wachau“ wird dem strömungsliebenden Fisch wieder Lebensraum gegeben. Das Projekt „Mostviertel-Wachau“ wurde 2009 begonnen und vor kurzem abgeschlossen. Mit Projektkosten von
insgesamt rund 6,7 Millionen Euro wurden Öko-Maßnahmen an Donau, Ybbs und Pielach umgesetzt. Projektträger war das Land Niederösterreich, maßgebliche Projektpartner der NÖ Landesfischereiverband und via donau.
Mit dem LIFE-Programm der Europäischen Union konnten alleine in Niederösterreich bisher 21 herausragende Natur- und Gewässerschutzprojekte finanziert werden. In Summe wurden dafür rund 80 Millionen Euro investiert. Einen besonderen Schwerpunkt bildeten Maßnahmen an der Donau und ihren wichtigsten Nebenflüssen. Ehemalige Altarme wurden wieder an den Strom angebunden, die Mündungsbereiche
von Ybbs und Pielach wurden grundlegend umgebaut und ehemals hart verbaute Uferabschnitte wurden in naturnahe, dynamische Uferzonen umgewandelt. Mit der freien Fließstrecke der Wachau und den Unterläufen von Ybbs, Melk, Pielach und Traisen entstand ein vernetzter Lebensraum für eine Vielzahl von Tier- und Pflanzenarten. Mit dem EU-LIFE-Projekt „Auenwildnis Wachau“ ist das nächste große Vorhaben bereits in Vorbereitung.

07.11.2014, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
Der Archaeopteryx der Schildkröten
Schildkröten haben einen ganz eigentümlichen Mechanismus für die Atmung entwickelt, weil ihre Rippen in den Panzer umgewandelt wurden: Mit speziellen Muskeln sorgen sie für den Ein- und Ausstrom der Luft. Wie die Atmung dieser Kriechtiere im Lauf der Evolution entstanden ist, hat ein internationales Forscherteam unter Beteiligung des Doktoranden Markus Lambertz vom Institut für Zoologie der Universität Bonn herausgefunden. Die Ergebnisse werden nun im Fachjournal „Nature Communications“ vorgestellt.
Schildkröten sind durch ihren Panzer vor Feinden gefeit, jedoch mussten sie hierfür ungewöhnliche Anpassungen durchlaufen: Die Rippen wandelten sich in die schützende Körperumhüllung um. „Keine anderen Tiere haben solch eine Entwicklung durchlaufen. Der Grund ist höchstwahrscheinlich, weil die Rippen bei den meisten Säugetieren, Vögeln, Krokodilen und Kriechtieren eine ganz entscheidende Funktion für die Atmung haben“, sagt Erstautor Dr. Tyler Lyson von der Smithonian Institution in Washington D.C. und vom Denver Museum of Nature and Science (USA).
Obwohl die eigenartigen Kriechtiere schon lange Gegenstand der Forschung sind, ist erst seit der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wirklich verstanden, wie Schildkröten es schaffen, ohne Rippen zu atmen. Die Muskeln für die Einatmung sitzen an den Flanken, wo sich auch die Beine der Tiere befinden. „Die Muskeln ragen kuppelförmig in den Panzer hinein. Wenn sie kontrahieren, werden sie flach. Durch das dann größere Volumen entsteht ein Unterdruck, der die Atemluft ansaugt“, erklärt Markus Lambertz, Doktorand am Institut für Zoologie der Universität Bonn. Andere Muskeln umhüllen den Eingeweidesack der Schildkröten und pressen beim Zusammenziehen gegen die Organe, wodurch die Luft wieder ausströmt.
Ungepanzerter Vorläufer verfügte bereits über spezielle Atemmuskeln
„Wie und vor allem wann dieser eigentümliche Mechanismus entstanden ist, war bislang unklar“, berichtet Lambertz. Das internationale Forscherteam aus den USA, Südafrika, der Schweiz und von der Universität Bonn verglich die für das Ventilationssystem zuständige Muskulatur moderner und fossiler Arten. Das älteste Exemplar war ein rund 260 Millionen Jahre altes Fossil aus Südafrika.
Der „Eunotosaurus africanus“ genannte Vorläufer verfügte noch über Rippen, wies aber bereits eine Atemmuskulatur auf wie moderne Schildkröten. „Eunotosaurus africanus ist das fehlende Bindeglied zwischen dem frühen Bauplan von Reptilien und dem moderner Schildkröten – eine Art Archaeopteryx der Schildkröten“, fasst Dr. Lyson das Ergebnis zusammen. Durch den Vergleich noch lebender und fossiler Schildkrötenarten konnte das internationale Forscherteam nun nachweisen, wie sich das ungewöhnliche Atmungssystem im Lauf der Jahrmillionen entwickelte. In dem Maße, wie sich die Rippen dieser Kriechtiere zunehmend verbreiterten und den Rumpf versteiften, erwies sich die spezielle Atmung zunehmend als Vorteil.
Der Panzer entwickelte sich erst 50 Millionen Jahre später
In der Evolution entwickelte sich also zuerst der eigenartige Atmungsmechanismus. Er erwies sich später als notwendige Voraussetzung für die Ausbildung eines schützenden Panzers. „In der Theorie ist natürlich klar, dass die Schildkröten nicht zuerst ihre Rippen umgestalteten und sich dann »fragten«, wie sie noch atmen können“, sagt Diplom-Biologe Lambertz. Überraschend sei jedoch, dass das Atemsystem bereits 50 Millionen Jahre vor dem Auftreten der ersten gepanzerten Schildkröten entstanden ist.
Publikation: Tyler R. Lyson, Emma R. Schachner, Jennifer Botha-Brink, Torsten M. Scheyer, Markus Lambertz, G.S. Bever, Bruce Rubidge, Kevin de Queiroz (2014): Origin of the unique ventilatory apparatus of turtles, Nature Communications 5: 5211, DOI: 10.1038/ncomms6211

07.11.2014, Nationales Bernstein Netzwerk Computational Neuroscience
Ein schlechter Gesang schreckt ab
Unter Heuschrecken haben schlechte Sänger keine gute Karten: Sie schrecken weibliche Artgenossen stärker ab als gute Sänger diese anziehen. Das ist das Ergebnis einer aktuellen Studie von Forschern aus Berlin.
Welcher Paarungspartner ist der beste? Um diese schwierige Frage zu beantworten, stützen sich weibliche Heuschrecken auf die Gesangkünste männlicher Artgenossen. Dabei fällt die Qualität schlechter Sänger stärker ins Gewicht als die guter Sänger. Letztere hat wenig Einfluss auf die Entscheidung der Weibchen. Das ist das Ergebnis einer Studie von Forschern um Bernhard Ronacher am Bernstein Zentrum Berlin und der Humboldt-Universität zu Berlin. Die Wissenschaftler betonen, dass das Forschungsergebnis mit gängigen Theorien der Partnerwahl übereinstimmt: Es hilft Weibchen, zeit- und kostenaufwändige Kontakte mit ungeeigneten Paarungspartnern zu vermeiden – wie etwa mit Männchen anderer Arten, welche einen verschiedenartigen Gesang besitzen.
Für die Studie spielten die Forscher Heuschreckenweibchen in einer schallisolierten Kammer männliche Lockgesänge vor. Bei Gefallen produzieren die Weibchen einen Antwortgesang, der wiederum die Männchen in ihrem Balzverhalten bestärkt. „Als besonders attraktiv werden Gesänge bewertet, bei denen die Lautstärke mehr oder weniger konstant gehalten wird“, erläutert Jan Clemens, Erstautor der Studie. Die Wissenschaftler präsentierten den Tieren sowohl gute als auch schlechte Lockgesänge und nahmen die weiblichen Antworten auf, um den Entscheidungsprozess der Tiere zu untersuchen.
„Wir fanden heraus, dass besonders der Beginn eines Gesangs Einfluss auf die Antwort der Weibchen hat“, erklärt Clemens. Folglich sollte ein guter Gesang die Weibchen schnell paarungswillig stimmen – was jedoch gängigen Theorien der sexuellen Auslese widerspricht. Diese besagen, dass Weibchen besonders wählerisch sein und daher überprüfen sollten, ob Männchen auch langfristig gute Gesänge produzieren.
Um den Mechanismen der Entscheidungsfindung genauer auf den Grund zu gehen, haben die Forscher ihre Daten mit einem Computermodell analysiert. Dieses Modell erlaubte ihnen die Verhaltensdaten in Hinblick auf weitere Kennwerte zu interpretieren, wie etwa der Gewichtung der Sinneseindrücke beim Entscheidungsprozess oder die innere Entscheidungsschwelle des Tieres.
„Dieses Modell lieferte uns einen ganz anderen Erklärungsansatz: Dabei hat ein schlechter Gesang viel mehr Gewicht im Entscheidungsprozess als ein guter. Das stimmt besser mit der gängigen Theorie sexueller Auslese überein, da es hilft, eine unvorteilhafte Partnerwahl zu vermeiden“, erläutert Clemens. Der Neurowissenschaftler weist auf die erweiterten Auswertungsmöglichkeiten durch Computermodelle hin. Erst das Modell konnte ihnen helfen, das Verhalten der Heuschreckenweibchen dahingehend zu interpretieren, dass diese nicht impulsiv auf gute Gesänge reagieren, sondern im Gegenteil schlechte Gesänge selektiv ablehnen.
Das Bernstein Zentrum Berlin ist Teil des Nationalen Bernstein Netzwerks Computational Neuroscience. Seit 2004 fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit dieser Initiative die neue Forschungsdisziplin Computational Neuroscience mit über 180 Mio. €. Das Netzwerk ist benannt nach dem deutschen Physiologen Julius Bernstein (1835-1917).
Originalpublikation:
J. Clemens, S. Krämer, B. Ronacher (2014): Asymmetrical integration of sensory information during mating decisions in grasshoppers. PNAS, advanced online publication
doi: 10.1073/pnas.1412741111

07.11.2014, Veterinärmedizinische Universität Wien
Powernapping hält Winterschläfer jung und macht sie fit für den Winter
Für winterschlafende Tiere bricht in diesen Tagen ein Wettstreit mit der Zeit an. Sie müssen genügend Fettreserven ansammeln, um den Winter schlafend, also ohne zu fressen, zu überstehen. Für Tiere, die erst in den Herbstmonaten geboren werden, ist dieser Wettstreit besonders hart. WissenschafterInnen vom Forschungsinstitut für Wildtierkunde und Ökologie an der Vetmeduni Vienna fanden heraus, dass junge, kurz vor dem Winter geborene Gartenschläfer, diesen Nachteil mit Powernaps ausgleichen. In Winterschlafphasen altern die Tiere auch weniger rasch. Die Ergebnisse sind im Journal Proceedings of the Royal Society B veröffentlicht.
Beim Winterschlaf handelt es sich nicht um Schlaf im herkömmlichen Sinn. Tiere befinden sich während des Winterschlafes in einer Art Wachzustand, in dem sie ihre Körpertemperatur und Stoffwechselrate kontrolliert absenken. Dieser Zustand wird Torpor genannt und durch regelmäßige Aufwachphasen unterbrochen. Bisher dachte man, dass Winterschläfer diese Torporphasen nutzen, um Energie und Wasser zu sparen.
Powernaps fördern Wachstum und Fettzunahme
Wildtierforscher Sylvain Giroud und seine KollegInnen vom Forschungsinstitut für Wildtierkunde und Ökologie haben neue Erklärungen gefunden. Giroud untersuchte Gartenschläfer, das sind Verwandte der Siebenschläfer, die relativ spät in der Saison geboren wurden und deshalb ihre Fettzunahme sehr effizient steuern müssen. Einer Gruppe Gartenschläfern stellten die Forschenden jeden Tag genügend Futter zur Verfügung. Für eine zweite Gruppe gab es nur jeden zweiten Tag Nahrung.
Es zeigte sich, dass Gartenschläfer, die jeden zweiten Tag einen Fasttag einlegen mussten, viel häufiger in Torporphasen fielen. Trotz Hungertagen wuchsen die Tiere rasch und sammelten genügend Fettreserven an. „Je länger die Tiere in solchen Torporphasen verharrten, desto mehr Energie sparten sie auch“, erklärt der Erstautor Giroud.
Für die Messung der Körpertemperatur platzierten die Forschenden Messgeräte in den Nestern. Starke Temperaturabfälle während der Torporphasen konnten so genau überwacht werden.
„Bis vor einigen Jahren dachte man, dass Torpor nur eine Funktion hat, nämlich den Energieaufwand der Tiere verringern. Nun gibt es immer mehr Hinweise darauf, dass der schlafähnliche Zustand auch andere wichtige Funktionen hat. Einerseits begünstigt er das Wachstum der Jungtiere und fördert das Ansammeln von Fettreserven vor dem Winter. Andererseits hat er auch Einfluss auf den Alterungsprozess“, erklärt Giroud.
Torporphasen verlangsamen das Altern
Torpor und Winterschlaf verlangsamen den Alterungsprozess der Tiere und wirken lebensverlängernd. Giroud und seine KollegInnen zeigen erstmals, dass Phasen, in denen die Tiere mit erhöhter Körpertemperatur leben, den Alterungsprozess während der Wintermonate beschleunigen. Konkret untersuchten die Forschenden die Telomerlängen bei den Tieren. Telomere sind DNA-Stücke an den Enden der Chromosomen, die bei jeder Zellteilung kürzer werden und deshalb als Marker für den Alterungsprozess gelten. Je mehr Zeit die Tiere bei erhöhter Körpertemperatur, also nicht in Torporphasen, verbrachten, desto kürzer ihre Telomere.
Als nächstes möchten Giroud und seine Forschungsgruppe den Unterschied zwischen früh und spät in der Saison geborenen Winterschläfern untersuchen. Die Forschenden erwarten bei den früher geborenen Tieren weniger Torporphasen, langsameres Wachstum und mehr angesammelte Fettreserven vor dem Winterschlaf. Wie sich die unterschiedlichen Geburtszeitpunkte auf den Alterungsprozess auswirken, soll auch untersucht werden.
Das Forschungsprojekt entstand in Kollaboration mit der Universität West-Sydney, Australien und der Universität Straßburg in Frankreich.
Der Artikel „Late-born intermittently fasted juvenile garden dormice use torpor to grow and fatten prior to hibernation: consequences for ageing processes“ von Sylvain Giroud, Sandrine Zahn, Francois Criscuolo, Isabelle Chery, Stéphane Blanc, Christopher Turbill und Thomas Ruf wurde am 5. November 2014 in Proceedings of the Royal Society B veröffentlicht. doi: 10.1098/rspb.2014.1131

06.11.2014, Stiftung Zoologisches Forschungsmuseum Alexander Koenig, Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere
Spektakulärer Erfolg: Forscher klären die Evolution der Insekten mittels DNA-Analysen auf
Insekten sind vor rund 480 Millionen Jahren aus marinen Vorfahren hervorgegangen und haben sich zur vielfältigsten und erfolgreichsten Tiergruppe entwickelt. In einem internationalen Forschungsprojekt konnte nun ihre stammesgeschichtliche Entwicklung genau aufgeklärt und datiert werden.
Wissenschaftler des internationalen 1KITE Projektes (1000 Insect Transcriptome Evolution, www.1kite.org) ist es gelungen mit einer bisher unerreichten, gigantischen Datenmenge von 1478 Genen, der Entwicklung völlig neuer Analyseverfahren und der Verwendung von Höchstleistungsrechnern (wie z.B. dem SuperMUC in München und CHEOPS in Köln) den Stammbaum der Insekten aufzuklären.
Mit der Veröffentlichung dieser Arbeit in der Fachzeitschrift Science werden die Grundlagen für ein besseres Verständnis der Evolution dieser Tiergruppe gelegt. Dieses Wissen ist deshalb von so großer Bedeutung, weil unsere terrestrischen Lebensräume sowohl in kultureller als auch in kommerzieller Hinsicht entscheidend von Insekten geprägt werden. Die Ergebnisse werden dazu beitragen, ganz neue und auch effizientere Wege bei der Nutzung biologischer Ressourcen, in der Landwirtschaft oder in der Schädlingsbekämpfung zu beschreiten.
„Insekten sind mit mehr als einer Million beschriebener Arten mit Abstand die artenreichste und vielfältigste Tiergruppe unseres Planeten. Viele Arten sind für uns Menschen von immenser wirtschaftlicher und medizinischer Bedeutung, zum Beispiel als Bestäuber von Nutzpflanzen oder als Überträger von Krankheitserregern.“ sagt Prof. Dr. Bernhard Misof aus dem Zoologischen Forschungsmuseum Alexander Koenig – Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere (ZFMK) in Bonn, der das dreijährige Projekt mit Prof. Dr. Karl Kjer (Rutgers – State University of New Jersey, USA) und Dr. Xin Zhou, Deputy Director of the China National GeneBank, BGI-Shenzhen in China, leitete.
Prof. Dr. Rolf Beutel aus dem Institut für Spezielle Zoologie und Evolutionsbiologie mit Phyletischem Museum der Friedrich-Schiller-Universität Jena weist darauf hin, dass zur Klärung der Evolution dieser enormen Artenvielfalt und des ökologischen Erfolgs der Insekten, die Rekonstruktion des Stammbaumes eine elementare Voraussetzung ist.
Eine beeindruckende Erfolgsstory
Anhand der Häufigkeiten von Mutationen im Genom kann man das Alter von Aufspaltungen im Stammbaum grob abschätzen. Im 1KITE Projekt wurde diese „molekulare Uhr“ in einer richtungsweisenden Form mit Hilfe von Fossilien kalibriert, wodurch die Verlässlichkeit der Altersangaben stark verbessert wird.
Demnach traten Insekten schon vor rund 480 Millionen Jahren erstmals auf, zeitgleich mit den ersten Landpflanzen. „Bereits 100 Millionen Jahren später, eroberten Insekten als erste Tiere den Luftraum und blieben für fast 200 Millionen Jahre die alleinigen Herrscher der Lüfte“ erklärt Prof. Dr. Jes Rust vom Steinmann-Institut für Geologie, Mineralogie und Paläontologie der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität in Bonn. Viele der heute noch lebenden Insektengruppen entstanden schon im Erdaltertum. Auch die Evolution von Insekten mit einem Puppenstadium in ihrer Entwicklung begann bereits vor etwa 350 Millionen Jahren. Insekten erreichten damit ihre erste Blütezeit lange vor dem Auftreten der Dinosaurier. Die enorme Entwicklung der Artenvielfalt der Insekten erfolgte aber erst in der Kreidezeit in enger Verbindung mit der Evolution der Blütenpflanzen.
Zusammenführung von Kompetenzen
Die Rekonstruktion des Stammbaumes der Insekten war nur durch die Zusammenarbeit von rund 100 Experten für molekulare Biologie, Morphologie, Paläontologie, Taxonomie, Embryologie und Bioinformatik möglich.
Das größte nationale Forschungsinstitut Chinas, das Bejing Genomics Institute, finanzierte die Sequenzierung der genomischen Daten. „Es war uns ein Anliegen, die lange Zeit vernachlässigte genetische Vielfalt der Insekten mit einer Gruppe exzellenter Wissenschaftlern zu analysieren“ erklären Zhou, Kjer und Misof.
Schwierige Analyse riesiger Datenmengen
„Die Grundlage der veröffentlichten Analysen ist die Sequenzierung von sogenannten Transkriptomen. Darunter versteht man die Gesamtheit der Gene, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem Organismus aktiv sind und in RNA „transkribiert“ also umgeschrieben werden. Das Transkriptom umfasst daher einen großen und sehr wichtigen Teil der Erbinformation eines Organismus“ erläutert Kjer. „Zusätzlich bietet die Sequenzierung von Transkriptomen den Vorteil, dass nur aktive Proteine analysiert werden. Dies spart viel Zeit ohne Verlust an Qualität. Nur so war es möglich, in einer so kurzen Zeitspanne eine derartige Fülle an Daten auszuwerten“ erläutert Misof.
Der ambitionierte Plan, derartige Datenmengen zu bearbeiten, stellte die Bioinformatiker vor große Probleme. „In der Planungsphase des 1KITE Projektes war es klar, dass die verfügbare Software mit der riesigen Datenmenge überfordert sein würde. Wir mussten daher bis zur Fertigstellung der Transkriptomdaten neue Lösungen finden, um solche Analysen auf Höchstleistungsrechnern zu ermöglichen.“ schildert Prof. Dr. Alexandros Stamatakis, Leiter der Forschungsgruppe „Scientific Computing“ am Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) und Professor für High Performance Computing in den Lebenswissenschaften am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).
Mit der Veröffentlichung der Stammbaumrekonstruktion der ersten 144, alle Insektenordnungen repräsentierenden Arten, stellt die Wissenschaftlergruppe nun auch neue Methoden zur Bearbeitung und Analyse dieser Datenmassen frei zur Verfügung. Misof weist darauf hin, dass „die Entwicklung neuer Algorithmen und Software durch die 1KITE Wissenschaftler einen wesentlichen Anteil der Innovationskraft des Projektes ausmacht.“ Damit wurde der Grundstein für die Analyse noch wesentlich umfangreicherer Daten gelegt.
Daten für die Scientific Community
Neben dem Stammbaum an sich stellt das Wissenschaftlerteam erstmals umfassende genomische Daten für Insekten der Öffentlichkeit und damit auch anderen Wissenschaftlern zur Verfügung. Grundlagenforschung und angewandte Wissenschaftsprojekte werden noch Jahre von diesen Daten profitieren. So ist es anhand dieser Daten nun möglich, zum Beispiel Stoffwechselwege unterschiedlicher Insektenarten zu vergleichen und dieses Wissen dann in der Schädlingsbekämpfung einzusetzen.
Das 1KITE Projekt ist ein Lehrstück internationaler Kooperation. Forschungsverbünde unter Einbeziehung von Forschungsmuseen als Garanten der Langzeitarchivierung der Belegexemplare, Ergebnisse und Metadaten charakterisieren zunehmend die internationale Spitzenforschung. Aus der Pilotphase von 1KITE werden zahlreiche und breitgefächerte internationale Folgeprojekte hervorgehen, mit großen Synergieeffekten und langfristigen Kooperationen zwischen Forschern und Institutionen. Ein weiterer wichtiger Aspekt für das Gelingen des Projektes ist die freie Verfügbarkeit von Höchstleistungsrechnern für die Wissenschaft, wie etwa der SuperMUC Rechner am Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften in München, ohne den die Berechnung des Insektenstammbaumes nicht möglich gewesen wäre.
Die Publikation „Phylogenomics resolves the timing and pattern of insect evolution“
(AutorInnen: Bernhard Misof, Shanlin Liu, Karen Meusemann, Ralph S. Peters, Alexander Donath, Christoph Mayer, Paul B. Frandsen, Jessica Ware, Tomá Flouri, Rolf G. Beutel, Oliver Niehuis, Malte Petersen, Fernando Izquierdo-Carrasco, Torsten Wappler, Jes Rust, Andre J. Aberer, Ulrike Aspöck, Horst Aspöck, Daniela Bartel, Alexander Blanke, Simon Berger, Alexander Böhm, Thomas Buckley, Brett Calcott, Junqing Chen, Frank Friedrich, Makiko Fukui, Mari Fujita, Carola Greve, Peter Grobe, Shengchang Gu, Ying Huang, Lars S. Jermiin, Akito Y. Kawahara, Lars Krogmann, Martin Kubiak, Robert Lanfear, Harald Letsch, Yiyuan Li, Zhenyu Li, Jiguang Li, Haorong Lu, Ryuichiro Machida, Yuta Mashimo, Pashalia Kapli, Duane D. McKenna, Guanliang Meng, Yasutaka Nakagaki, José Luis Navarrete-Heredia, Michael Ott, Yanxiang Ou, Günther Pass, Lars Podsiadlowski, Hans Pohl, Björn M. von Reumont, Kai Schütte, Kaoru Sekiya, Shota Shimizu, Adam Slipinski, Alexandros Stamatakis, Wenhui Song, Xu Su, Nikolaus U. Szucsich, Meihua Tan, Xuemei Tan, Min Tang, Jingbo Tang, Gerald Timelthaler, Shigekazu Tomizuka, Michelle Trautwein, Xiaoli Tong, Toshiki Uchifune, Manfred G. Walzl, Brian M. Wiegmann, Jeanne Wilbrandt, Benjamin Wipfler, Thomas K. F. Wong, Qiong Wu, Gengxiong Wu, Yinlong Xie, Shenzhou Yang, Qing Yang, David K. Yeates, Kazunori Yoshizawa, Qing Zhang, Rui Zhang, Wenwei Zhang, Yunhui Zhang, Jing Zhao, Chengran Zhou, Lili Zhou, Tanja Ziesmann, Shijie Zou, Yingrui Li, Xun Xu, Yong Zhang, Huanming Yang, Jian Wang, Jun Wang, Karl M. Kjer, Xin Zhou) wurde am 7. November in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.
DOI: 10.1126/science.1257570

07.11.2014, Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen
Geheimnisse im Harz – Vergangenheit und Zukunft der Artenvielfalt Madagaskars
Die Wissenschaftlerin Dr. Mónica M. Solórzano Kraemer vom Senckenberg Forschungsinstitut in Frankfurt wird gemeinsam mit spanischen Kollegen die Kopalvorkommen Madagaskars untersuchen. Im Rahmen des von „National Geographic“ geförderten Projektes wollen die Wissenschaftler anhand von fossilen Organismen etwas über die Vergangenheit und die Zukunft des Biodiversitäts-Hotspots Madagaskar erfahren.
Bernsteine und Kopale sind Fenster in die Vergangenheit: In dem fossilen Harz finden sich immer wieder eingeschlossene kleine Tiere oder Pflanzenteile, sogenannte Inklusen. „Deren Abdrücke oder in selteneren Fällen auch Gewebereste bleiben seit Jahren im Kopal oder Jahrmillionen im Bernstein perfekt konserviert“, erklärt Dr. Mónica M. Solórzano Kraemer vom Senckenberg Forschungsinstitut in Frankfurt und ergänzt: „Das bietet uns die Möglichkeit, einen kleinen Blick auf die vergangenen Zeiten zu werfen.“
Die Frankfurter Biologin wird gemeinsam mit ihren spanischen Kollegen Prof. Dr. Xavier Delclòs (Universität Barcelona) und Dr. Enrique Peñalver (Instituto Geológico y Minero de España) im Rahmen eines vom National Geographic Global Exploration Fund Northern Europe und dem Malagasy Institut pour la Conservation des Ecosystèmes Tropicaux geförderten Projektes die Kopalvorkommen Madagaskars unter die Lupe nehmen.
„Wir möchten herausfinden, ob Bernsteineinschlüsse uns ein vollständiges Bild der damaligen Lebenswelt und Informationen zum Verlust der Artenvielfalt liefern können“, erklärt Solórzano Kraemer.
Hierzu wird das Forscherteam den Ursprung madagassischer Kopals untersuchen und eine Vergleichsstudie von im Harz gefundenen Bernstein-Inklusen und heutigen Insekten erstellen.
„Wir hoffen außerdem Aufschlüsse über die aus Madagaskar verschwunden Arten zu erhalten“, ergänzt Solórzano Kraemer und fügt hinzu: „Besonders vor dem Hintergrund des aktuell drohenden Verlustes der Artenvielfalt auf dem Inselstaat sind Kenntnisse über vergangene Aussterbe-Ereignisse sehr hilfreich für zukünftige Schutzkonzepte.“
Madagaskar zählt zu den „älteren Inseln“. So werden Inseln bezeichnet, die seit einem langen geologischen Zeitraum vom Festland getrennt sind. Hier gibt es überwiegend Tier- und Pflanzenarten, die nirgendwo sonst auf der Erde zu finden sind. Diese endemische Flora und Fauna ist aber zunehmend durch Brandrodung und Besiedlung bedroht.
„Unsere Feldarbeiten in Madagaskar beginnen im kommenden Frühjahr“, freut sich Solórzano Kraemer auf den Beginn des Projektes.

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