Meerwasser und Umwelt-DNA (eDNA): genetische Vielfalt von Delfinpopulationen sichtbar machen

Das Meer wirkt oft wie eine leere Fläche – doch im Wasser finden sich verborgene Spuren marinen Lebens. Delfine verlieren beim Schwimmen Hautzellen, Schleim und winzige DNA-Fragmente, die im Meerwasser zurückbleiben.

Diese sogenannte Umwelt-DNA, kurz eDNA, nutzen Forschende, um Arten und Ökosysteme im Meer zu untersuchen. Eine neue Studie legt nun nahe, dass Meerwasser noch mehr kann:

Es kann die genetische Vielfalt ganzer Delfinpopulationen sichtbar machen – ohne die Tiere überhaupt zu berühren.

Die Herausforderung, Delfine zu erforschen

Genetische Untersuchungen an Delfinen waren schon immer schwierig umzusetzen. Für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist die genetische Vielfalt ein zentraler Hinweis darauf, wie gesund eine Population ist und wie gut sie sich an Umweltveränderungen anpassen kann.

Bestände mit hoher genetischer Variation gelten meist als widerstandsfähiger. Umgekehrt können Populationen mit geringer Vielfalt anfälliger werden – etwa für Krankheiten, Störungen ihres Lebensraums oder sinkende Individuenzahlen.

Bisher bedeutete das Sammeln von Delfin-DNA in der Regel, dass Teams mit Booten an die Tiere heranfahren und mit Biopsiepfeilen winzige Proben aus Haut und Speck entnehmen.

Dafür braucht es erfahrene Crews, ruhige See und viel Zeit. Selbst nach wochenlanger Arbeit kommen oft nur relativ wenige Proben zusammen.

Bei sehr häufigen Arten – wie Gemeinen Delfinen entlang der kalifornischen Küste – bilden solche Stichproben nur einen kleinen Ausschnitt der tatsächlichen genetischen Vielfalt der Population ab.

Delfine hinterlassen genetische Spuren

Delfine geben fortlaufend biologisches Material an das Wasser um sie herum ab. Beim Schwimmen bleiben Zellreste und Ausscheidungen zurück, die genetische Information enthalten – genau das ist Umwelt-DNA.

Frühere eDNA-Studien zielten meist darauf ab, festzustellen, welche Arten in einem Gebiet vorkommen. In der neuen Arbeit ging es dagegen um die Frage, ob Meerwasser auch Unterschiede innerhalb einer Art erfassen kann.

„Hier zeigen wir, dass wiederholte eDNA-Probenahmen genutzt werden können, um die genetische Vielfalt von Delfinen abzuschätzen, die in großen Schulen auftreten und sehr große Populationen haben“, sagte Dr. Frederick Archer vom NOAA/NMFS Southwest Fisheries Science Center.

„Das ist wichtig, weil genetische Vielfalt – als Ergebnisgröße – als Maß für Populationsgröße und dafür dienen kann, wie bereit eine Population ist, auf Veränderungen ihrer Umwelt zu reagieren.“

Meerwasser in der Nähe von Delfinschulen

Die Feldarbeit fand Ende 2021 in der Nähe der Insel Santa Catalina statt – im Rahmen eines anderen Projekts, das untersuchte, wie Delfine auf Marine-Sonar reagieren.

Die Forschenden näherten sich den Tieren in Schlauchbooten und entnahmen Wasserproben in einem Abstand von bis zu zehn Metern von den Schulen. Über zwölf Tage hinweg sammelten sie 126 Meerwasserproben von vier Delfinarten.

Jede Probe umfasste lediglich zwei Liter Meerwasser. Im Wrigley Marine Science Center filterte das Team anschließend das Wasser, um darin enthaltene DNA-Spuren aufzufangen.

Meerwasser macht DNA-Muster sichtbar

Im Labor wurde das genetische Material aus den Filtern isoliert. Danach vervielfältigten die Forschenden gezielt einen Abschnitt der mitochondrialen DNA, der dafür bekannt ist, zwischen Individuen zu variieren.

Anschließend erzeugten Sequenziergeräte sehr große Mengen kurzer Sequenzabschnitte.

Diese Sequenzdaten ordnete das Team zu klar abgrenzbaren genetischen Varianten, den sogenannten Amplicon-Sequence-Varianten (ASVs).

Jede ASV stand für eine eigene genetische Signatur, die entweder einer mütterlichen Linie oder einem einzelnen Delfin zugeordnet werden kann.

Nachdem fragwürdige Sequenzen und wahrscheinliche Fehler aussortiert worden waren, blieben 240 verlässliche ASVs übrig, die sich den vier Delfinarten zuordnen ließen.

Wasser zeigt die Vielfalt der Population

Die Ergebnisse passten gut zu dem, was Meeresbiologinnen und -biologen über diese Arten bereits wissen.

Langschnäuzige Gemeine Delfine wiesen die höchste genetische Vielfalt auf. Große Tümmler und Rundkopfdelfine (Risso-Delfine) zeigten dagegen eine geringere Variation – im Einklang mit ihren kleineren Populationen.

In den meisten Begegnungen erzeugte die Art, die das Forschungsteam gerade begleitete, auch das stärkste genetische Signal im umliegenden Wasser.

Gleichzeitig enthielten die Proben ebenfalls Spuren anderer Arten, die das Gebiet vermutlich zuvor passiert hatten.

„Unsere Studie demonstriert den Nutzen [von eDNA-Erhebungen] für die effiziente Bewertung und den Vergleich genetischer Vielfalt bei sozialen Odontozeten“, hielten die Forschenden fest.

Rundkopfdelfine geben mehr Material ab

Ein überraschendes Detail betraf Rundkopfdelfine (Risso-Delfine): Ihre DNA tauchte in vielen Wasserproben auf, selbst wenn die Teams eigentlich anderen Arten folgten. Nach Ansicht der Wissenschaft könnte das mit ihrem Verhalten zusammenhängen.

Rundkopfdelfine sind für raue soziale Interaktionen bekannt, bei denen es zum sogenannten Zahnrechen kommt – Erwachsene tragen häufig helle Narben am Körper.

Dieser häufige Körperkontakt könnte dazu führen, dass mehr Hautzellen ins Wasser gelangen als bei Arten, die sanfter miteinander umgehen.

Wie viel Wasser für eine gute Stichprobe nötig ist

Zusätzlich analysierte das Team, welche Meerwassermenge erforderlich ist, um die genetische Vielfalt einer Population verlässlich zu erfassen.

Bei langschnäuzigen Gemeinen Delfinen reichten ungefähr 60 bis 70 Liter Meerwasser, gesammelt über mehrere Begegnungen hinweg, um den Großteil der Vielfalt der Population zu erfassen.

Bei Rundkopfdelfinen waren deutlich weniger Proben nötig, um zu einer belastbaren Schätzung zu gelangen.

Kurzschnäuzige Gemeine Delfine erwiesen sich hingegen als schwerer zu erfassen. Ihre Population dürfte über eine Million Tiere umfassen und reicht weit über das Untersuchungsgebiet nahe der Insel Santa Catalina hinaus.

Selbst bei umfangreicher Probenahme gelang es den Forschenden deshalb nur, einen Teil der gesamten Vielfalt dieser Art abzubilden.

Meeresströmungen vermischen DNA

Umwelt-DNA kann Tiere widerspiegeln, die ein Gebiet Stunden oder sogar Tage zuvor durchquert haben. Meeresströmungen vermischen genetische Spuren, sodass ein sich ständig veränderndes genetisches Protokoll des Meereslebens entsteht.

Gerade dieses „nachhallende“ DNA-Signal kann problematisch werden, wenn Forschende gezielt eine bestimmte Delfingruppe untersuchen möchten.

Die Studie empfiehlt daher, Kontrollproben zu entnehmen, bevor Tiere in ein Gebiet einlaufen, um ältere Hintergrundsignale von frischen Spuren trennen zu können.

Meerwasser verändert den Naturschutz

Der größte Vorteil von eDNA liegt in der einfachen Umsetzung: Für Meerwasserproben ist kein direkter Kontakt mit Tieren nötig, und es braucht nur wenig Spezialausrüstung.

Im Vergleich zu Biopsieprogrammen ist die Methode deutlich kostengünstiger und lässt sich wesentlich häufiger wiederholen.

„Es wäre gut, so schnell wie möglich eDNA-Monitoringprogramme zu starten, die vorher nicht möglich waren. Zum Beispiel werden wir sehen können, wie sich die Artenzusammensetzung in sehr kleinen Gebieten im Verlauf eines Jahres verändert – einschließlich seltenerer Arten, die wir bei visuellen Erhebungen oft nicht nachweisen“, sagte Archer.

„Das kann uns viele Informationen zur Habitatnutzung liefern und uns außerdem potenziell erlauben zu beobachten, wie Umweltveränderungen und anthropogene Einflüsse wie Verschmutzung oder Unterwasserschall die Verbreitung von Arten beeinflussen.“

Genetische Hinweise im Ozean

Ganz ohne Einschränkungen kommt Umwelt-DNA dennoch nicht aus. Verschiedene Arten geben DNA in unterschiedlicher Menge ab, und Strömungen vermischen die Spuren im Wasser.

Außerdem können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler DNA derzeit noch keinem konkreten Delfinindividuum zuordnen.

Trotzdem ist die Studie ein wichtiger Schritt für die Meeresforschung. Sie zeigt, dass Meerwasser wertvolle genetische Informationen über Tiere enthalten kann, die sich durch den Ozean bewegen.

Künftig könnten Forschende bei der Untersuchung von Delfinpopulationen seltener auf Biopsiepfeile angewiesen sein – und stattdessen häufiger mit einfachen Meerwasserproben arbeiten.

Die Tiere würden die Forschung womöglich nie bemerken, doch die DNA-Spuren, die sie hinterlassen, könnten helfen, marine Ökosysteme über Jahre hinweg zu überwachen.