Ein großer Fortschritt bei der Verwendung von Sedimentkernen zum Verständnis alter Ökosysteme
Innovative Techniken, die zur Analyse alter Pflanzen-DNS in Sedimentkernen von Seen in der Arktis und anderswo auf dem europäischen Kontinent entwickelt wurden, werfen ein neues Licht auf die Entwicklung von Ökosystemen im Laufe der Zeit. „Sedimentkerne sind die ,Archive‘ des Ökosystemwandels“, erklärt IceAGenT-Projektkoordinatorin Inger Greve Alsos, Professorin für Biologie an der Universität Tromsø – Norwegens Arktische Universität(öffnet in neuem Fenster) (UiT). „Wir verfügen über dieselbe Art von Daten von vielen verschiedenen Fundstätten, so dass wir ein allgemeines Muster von einem standortspezifischen Muster unterscheiden können“, sagt sie. „Wir haben unser Verständnis dafür vertieft, wie lange es dauert, bis sich Ökosysteme etablieren, und welche Faktoren dazu führen, dass sie sich im Laufe der Zeit verändern.“ Laut Alsos dauert es Jahrtausende statt Jahrzehnte oder Jahrhunderte – viel länger als bisher angenommen – bis sich stabile und widerstandsfähige Ökosysteme herausbilden, gleichwohl sei es schwierig, Kerne zu finden, die sich weit in die Vergangenheit zurückdatieren lassen. „Wir haben 50 bis 60 Kerne, die mehr oder weniger das gesamte Holozän abdecken. Wir haben noch viele weitere [Kerne], die einen Teil davon abdecken, und ein paar, die weiter in die Vergangenheit zurückreichen.“
Die Interaktion zwischen Pflanzen- und Tierwelt verstehen
Die Sedimentschichten des Kerns werden mittels C14-Methode datiert. Die DNS wird dann im Labor extrahiert. Das Team verbesserte die DNS- Metabarcoding(öffnet in neuem Fenster) –Methoden, um den Nachweis von Säugetieren und Pflanzen in ein und derselben Kernprobe zu steigern. Die Arten werden mittels DNS-Sequenzierungsreferenzbibliotheken wie PhyloNorway(öffnet in neuem Fenster) an der UiT identifiziert. Bislang konnten Forschende Veränderungen bei Pflanzen anhand von Pollenanalysen und bei Tieren anhand von Knochenaufzeichnungen zurückverfolgen. „Jetzt können wir die Interaktion zwischen Pflanzen- und Tierwelt und die Veränderungen aufgrund von Klima und menschlichem Einfluss besser verstehen. Das ist vorher nicht möglich gewesen“, erklärt Alsos. Das Team hat ein innovatives DNS-Blocker-System entwickelt, um das „Rauschen“ der menschlichen DNS zu reduzieren, das die DNS-Analyse bei Säugetieren stören kann. Das System wurde verwendet, um vergangene Interaktionen zwischen Pflanzen und Tieren aufzudecken. „Im nördlichen Fennoskandinavien haben wir festgestellt, dass die Tiere erst nach der großen Veränderung der Vegetation angekommen sind, sie haben sie also nicht verursacht“, merkt Alsos an. Das war bislang nicht bekannt. Im Gegensatz dazu stellte das Team fest, dass die Einführung von Rindern in den Alpen einen großen Einfluss auf die Pflanzenvielfalt hatte.
Migrationsmuster von Pflanzen
Das zeitsparende und kosteneffektive Metabarcoding lieferte detaillierte Daten über die Reaktionen von Pflanzen auf vergangene Klimaveränderungen. So wiesen Proben von 10 Fundstätten im nördlichen Fennoskandinavien auf die Ansiedelung von Pflanzen und Tieren nach dem frühen Holozän, dem Abschmelzen des skandinavischen Eisschildes vor 8 000 bis 11 000 Jahren, hin. Die Migrationsmuster der Arten waren komplexer als die einfache klimabedingte Bewegung von Süden nach Norden. Die Ankunft von Pflanzenarten wurde laut Alsos zudem durch die Konkurrenz mit bestehenden Pflanzen und Ausbreitungshindernisse beeinflusst. Manche Pflanzen, die heute in höchsten alpinen Lagen anzutreffen sind, entstanden erst im Holozän und nicht in der Spätglazialzeit. Dies deutet auf eine viel langsamere Ausbreitung hin als bisher angenommen. „Ich stellte überrascht fest, dass sich manche Pflanzen, die an kalte Bedingungen angepasst sind, erst viele tausend Jahre später als erwartet ansiedelten“, sagt Alsos. Die Metabarcoding-Multiplexing-Methode ermöglichte eine über die Artenebene hinausgehende Analyse, um die Ausbreitungswege von Pflanzen zu bestimmen. „Wir haben herausgefunden, dass das nördliche Fennoskandinavien wiederholt von verschiedenen Ausgangspopulationen besiedelt wurde, so dass die nacheiszeitlichen Ausbreitungswege komplexer sind als bisher bekannt war“, erklärt Alsos.
Ausgeklügeltes Ökosystemmodell
Es wurde ein ausgeklügeltes Modell entwickelt. Dieses ging über traditionelle klimabasierte Modelle hinaus, indem es neben Klimavariablen auch Daten über die Interaktionen zwischen Arten, Pflanzenfressern und Konkurrenz einbezog, um künftige Reaktionen von Ökosystemen auf den Klimawandel vorherzusagen. Ähnliche Forschungsarbeiten werden im Rahmen des EU-finanzierten Projekts MEMELAND an der UiT durchgeführt, das den Umweltfußabdruck im Laufe der Zeit untersucht. Projekt IceAGenT wurde durch den Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanziert.
