Wie Luftverschmutzungssensoren Wildtiere finden können

Die weltweite Verfolgung der biologischen Vielfalt ist eine unglaubliche Herausforderung. Die nationalen Überwachungsprogramme unterscheiden sich stark, der Großteil der gesammelten Daten ist unberechenbar und nur wenig wird öffentlich geteilt.

Doch Wissenschaftler haben möglicherweise eine überraschende Lösung gefunden: die Filter, die bereits weltweit zur Überwachung der Luftverschmutzung eingesetzt werden.

Diese Geräte erfassen seit Jahrzehnten unbeabsichtigt große Mengen Umwelt-DNA von Tieren und Pflanzen. Wissenschaftler sagen, dass dies dazu beitragen könnte, vergangene und zukünftige Veränderungen der Artenvielfalt zu verstehen.

Eine neue Studie kanadischer und britischer Wissenschaftler ergab, dass Stationen zur Überwachung der Luftqualität in den Jahren 2021 und 2022 versehentlich eine große Menge DNA von Tieren und Pflanzen gesammelt haben. Die erfassten Daten könnten „ein absoluter Wendepunkt für die Verfolgung und Überwachung der Artenvielfalt“ weltweit sein, heißt es darin.

In einem Testfall haben die Wissenschaftler von September bis Oktober 2021 sowie April und Mai 2022 Umwelt-DNA von mehr als 180 verschiedenen Pflanzen, Pilzen, Insekten, Säugetieren und Amphibien aus Luftqualitätsfiltern in Schottland und London gewonnen stellen eine enorme Chance dar, hochauflösende Biodiversitätsdaten auf nationaler Ebene zu sammeln“, schlussfolgern die Wissenschaftler in der Studie.

„Wir waren so überrascht, über 180 Taxa mit nur zwei Instrumenten erfolgreich identifizieren zu können“, sagt Joanne Littlefair, eine der Co-Autoren der Studie und Dozentin für Biowissenschaften an der Queen Mary University of London. Zu den Tieren gehörten Steinkauz, Glattmolch und 80 verschiedene Baum- und Pflanzenarten. Bei ihrer ersten Probenahme stellten die Forscher keine ungewöhnlichen Arten oder Populationsbewegungen fest. Sie sagen, dies zeige, dass die gesammelte DNA lokal sei und „nicht von einem anderen Kontinent eingeflogen“ sei.

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In der Studie extrahierten die Wissenschaftler aus den Filtern luftgetragene Umwelt-DNA, die in Form von Hautzellen, Speichel, Haaren und Fäkalien ausgeschieden wurde, analysierten spezifische Primer und molekulare Tags und glichen ihre Ergebnisse mit Online-Referenzbibliotheken ab.

Elizabeth Clare, Hauptautorin der Studie und Assistenzprofessorin für Molekularökologie an der York University in Kanada, sagt, die Ergebnisse seien „wirklich aufregend“, da sie zeigen, dass die bestehende Infrastruktur für die Biodiversitätsforschung genutzt werden kann.

„Die Infrastruktur ist bereits vorhanden und wir können Material sammeln, das als Nebenprodukt des Betriebs unglaublich wertvoll ist“, sagt Clare.

Laut Andrew Brown, leitender Wissenschaftler am National Physical Laboratory, das die Netzwerke für die britische Umweltbehörde verwaltet, bedeutet dies, dass bestehende und etablierte Luftqualitätsnetzwerke eine riesige, ungenutzte Quelle für Biodiversitätsdaten sein könnten.

Auf der ganzen Welt sammeln Luftqualitätsstationen täglich oder wöchentlich Daten auf streng regulierte und standardisierte Weise, sagt Brown – was bedeutet, dass sie „Tag für Tag genau das Gleiche auf genau die gleiche Weise sammeln“.

Umwelt-DNA könnte dabei helfen, Arten wie Pilze zu überwachen, die mit herkömmlichen Methoden schwer zu identifizieren sind (Quelle: Craig Joiner / Getty Images)

Mark McCauley, Forscher an der University of Florida, sagt, dass die Luftfilter nicht nur dazu beitragen, wichtige Informationen darüber zu liefern, welche Arten an einem bestimmten Ort vorkommen, sondern es Wissenschaftlern auch ermöglichen, zu analysieren, „wie Veränderungen bei diesen Arten auf geografischer und zeitlicher Ebene auftreten“. was bis vor Kurzem unvorhersehbar gewesen wäre.“

Die regelmäßige Überwachung durch Luftfilter sei „in der Biodiversitätswissenschaft unbekannt“ und für das Verständnis von Artenveränderungen von entscheidender Bedeutung, da sie es Wissenschaftlern ermögliche, die Dynamik von Tierpopulationen zu untersuchen und zu sehen, wie sie sich im Laufe der Zeit verändern, sagt Clare.

Im Gegensatz zu Einzelproben können solche wiederholten Messungen „ein wirklich vollständiges Bild davon liefern, was in der Gegend passiert“, sagt Clare. „Sie könnten die Migration einer [bestimmten] Population, die Ankunft einer neuen Art oder eine sich verändernde Landschaft [aufgrund des Klimawandels] erkennen.“

Das Problem bei der derzeitigen Biodiversitätsüberwachung besteht darin, dass es dafür keine systematische Methode gibt, sagt Littlefair. Im Vereinigten Königreich beispielsweise verlassen sich Wissenschaftler bei der Überwachung von Arten stark auf Daten, die von „Bürgerwissenschaftlern“ gesammelt werden. Das funktioniert bei „charismatischen Arten“ wie Schmetterlingen und Vögeln, aber für andere Arten wie Pilze und nachtaktive Tiere, die weniger beliebt und schwieriger zu identifizieren sind, gibt es schlechte Aufzeichnungen, sagt sie.

„Das Tolle an der Umwelt-DNA aus diesen [Luftqualitäts-]Netzwerken ist, dass wir damit nach jeder gewünschten taxonomischen Gruppe suchen können“, sagt Littlefair.

Aber Clare warnt, dass es immer noch „viele Unbekannte“ gebe, etwa den Einfluss von Körpergröße und Aktivität auf die DNA-Probenahme. Allerdings geht man davon aus, dass alle Arten DNA ausscheiden und dass „wir die gleiche Wahrscheinlichkeit haben sollten, etwas zu entdecken, wenn es sich in Reichweite befindet“, sagt sie.

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Die neue Studie ist nicht die erste, die untersucht, ob in der Luft befindliche Partikel zur Identifizierung von Arten beitragen können. Eine Studie von Clare und anderen Wissenschaftlern aus dem Jahr 2022 ergab, dass die Luft in einem Zoo genügend Umwelt-DNA enthält, um die dort lebenden Tiere zu identifizieren. Sie analysierten die von Tieren ausgeschiedene DNA in der Luft, darunter Atem, Speichel, Fell und Kot, und konnten im Kopenhagener Zoo 49 Wirbeltierarten nachweisen.

Luftgetragene DNA ist ein hilfreiches Werkzeug für Wissenschaftler, da sie es ihnen ermöglicht, „Arten zu erkennen, die wir nicht sehen können“, sagte Kristine Bohmann, Hauptautorin der Studie und Molekularökologin an der Universität Kopenhagen, bei der Veröffentlichung der Studie. Es sei außerdem weniger ressourcenintensiv und teurer als andere Methoden zur Überwachung der biologischen Vielfalt, bei denen Kamerafallen aufgestellt oder Fußabdrücke verfolgt würden, sagte sie.

Matthias Obst, außerordentlicher Professor an der Universität Göteborg in Schweden, sagt, dass es bei der Verfolgung der Artenvielfalt mithilfe von Luftfiltern mehrere Einschränkungen gibt. An Orten mit großer Artenvielfalt seien diese Stationen oft nicht betriebsbereit, und es sei wahrscheinlich, dass die Rate falsch positiver Ergebnisse viel höher sei als bei herkömmlichen Methoden. Die Filter könnten beispielsweise die DNA eines vorbeifliegenden Vogels oder vom Wind dorthin gewehten Staub einfangen.

„Wir dürfen uns nicht übertreffen“, sagt er. „Umwelt-DNA-Methoden haben großes Potenzial, aber in diesem Artikel gibt es kaum Hinweise auf eine „Infrastruktur zur Überwachung der biologischen Vielfalt“.

Laut Clare gibt es Filter nicht nur in städtischen Umgebungen, sondern häufig auch in Nationalparks und artenreichen Regionen. Sie hofft, dass die Studie Länder dazu anregen wird, Stationen an neuen Orten von „erheblichem ökologischen Interesse“ einzurichten und die von Luftfiltern erfasste DNA zu bewahren und zu archivieren.

„An vielen Orten wird Umwelt-DNA [von Luftfiltern aufgefangen] fast sofort weggeworfen. Mit dieser Pilotstudie haben wir den ökologischen Wert dieser Proben gezeigt, daher hoffen wir, dass die Daten archiviert und untersucht werden“, sagt sie.

Es könnte sich, fügt Clare hinzu, als unglaubliche Schatzkammer erweisen.

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