Für ihre Untersuchung befestigten Forscher der australischen Curtin University zwei kleine Luftsammler an den Autotüren. Ihre Route führte von der Küste bei Perth durch Wälder, Agrarlandschaften und trockene Regionen bis zum Rand der Nullarbor-Ebene. Etwa alle 26 Kilometer wechselten sie die Filter und sammelten insgesamt 180 Luftproben. Wie die Wissenschaftler im Fachjournal Molecular Ecology Resources berichten, verriet das genetische Material sogar, wie sich die Zusammensetzung der Tier- und Pflanzenwelt zwischen den verschiedenen Landschaften verändert.

DNA aus der Luft verrät, welche Tiere und Pflanzen vorkommen

Die Luftsammler saßen etwa 1,20 Meter über dem Boden. Während der Fahrt strömte Luft durch kleine Filter, an denen Pollen, winzige Gewebeteilchen und andere biologische Rückstände haften blieben. Das Auto war dabei meist mit rund 110 Kilometern pro Stunde unterwegs. Im Labor verglichen die Wissenschaftler die gesammelten DNA-Abschnitte mit genetischen Referenzdaten.

Dabei verteilten sich die 633 Nachweise auf drei Gruppen:

• 429 Gliederfüßer: darunter Insekten wie Ameisen, Fliegen und andere wirbellose Tiere.
• 141 Pflanzengruppen: darunter verschiedene Gräser und Nutzpflanzen.
• 63 Wirbeltiergruppen: darunter Säugetiere und Vögel.

Nicht alle DNA-Spuren ließen sich eindeutig einer bestimmten Art zuordnen. Bei den Pflanzen gelang die Bestimmung bis zur Art oder Gattung nur in 36 Prozent der Fälle, bei den Wirbeltieren in 81 Prozent.

Wälder und Agrarlandschaften unterscheiden sich deutlich

Neben dem Westlichen Grauen Riesenkänguru und dem Südlichen Haarnasenwombat fanden die Wissenschaftler genetische Spuren von Hunden, Gerste und zahlreichen Insekten. Die Zusammensetzung veränderte sich entlang der Fahrstrecke. Landwirtschaftlich geprägte Gebiete wiesen andere DNA-Muster auf als Wälder und weitgehend unberührte Landschaften.

„Jede Umgebung hat ihre eigene Mischung aus Pflanzen und Tieren. Wir wollten herausfinden, ob wir diese Unterschiede erkennen können, indem wir während der Fahrt DNA aus der Luft sammeln“, erklärte Studienleiter Joshua Newton von der Curtin University. Besonders Niederschläge, Temperaturen und Bodenverhältnisse beeinflussten die nachgewiesene Zusammensetzung der Tier- und Pflanzenwelt.

Klima und Boden erklären Unterschiede besser als Entfernungen

Bei Pflanzen hing die Zusammensetzung der DNA-Spuren besonders mit den Niederschlägen in der trockensten Jahreszeit zusammen. Bei Wirbeltieren war die niedrigste Temperatur des kältesten Monats besonders aussagekräftig. Bei Gliederfüßern gehörten Bodentiefe und Salzgehalt des Bodens zu den wichtigsten untersuchten Einflussgrößen.

Die statistischen Modelle erklärten rund 35 Prozent der Unterschiede zwischen den Pflanzengruppen, bei Wirbeltieren etwa 18 Prozent und bei Gliederfüßern neun Prozent. Die geografische Entfernung lieferte kaum zusätzliche Erklärungskraft, sobald die Umweltbedingungen berücksichtigt waren. Ein großer Teil der Unterschiede blieb allerdings ungeklärt.

Luftfilter spüren auch eingeschleppte Schädlinge auf

Unter den Nachweisen befanden sich zwölf Tiergruppen, die in Westaustralien behördlichen Regelungen zur Schädlingskontrolle unterliegen. Dazu gehörten europäische Wildkaninchen und Rotfüchse. Beide Arten wurden nach Australien eingeschleppt und können heimische Ökosysteme schädigen. Die Liste enthielt allerdings auch einheimische Tiere wie Emus und Rosakakadus.

Weitere DNA-Spuren stammten von landwirtschaftlich bedeutsamen Schädlingen, darunter Raupen, die Nutzpflanzen befallen, sowie Stallfliegen und Australische Schafschmeißfliegen. Auch die invasive Argentinische Ameise tauchte auf. Ihr Nachweis lag außerhalb der bislang dokumentierten Verbreitung in der Region. Ob die Art dort tatsächlich vorkommt, müssen weitere Untersuchungen klären.

Wombat-DNA taucht bis zu 850 Kilometer entfernt auf

Besonders ungewöhnlich waren die Spuren des Südlichen Haarnasenwombats. Die Wissenschaftler fanden genetisches Material dieser australischen Beuteltierart weit außerhalb ihres bekannten Verbreitungsgebiets. Einige Nachweise lagen bis zu 850 Kilometer weiter westlich. Dort lebende Wombats lassen sich daraus jedoch nicht ableiten.

DNA kann mit dem Wind über große Entfernungen reisen. Auch Fahrzeuge können Haare, Gewebereste oder andere biologische Partikel transportieren und später wieder freisetzen. Die Forscher vermuten deshalb, dass Straßenverkehr für einen Teil der ungewöhnlichen Wombat-Nachweise verantwortlich sein könnte. Einzelne DNA-Funde reichen somit nicht aus, um das Vorkommen einer Tierart an einem bestimmten Ort sicher zu bestätigen.

Regen verändert die Menge nachweisbarer DNA

Auch das Wetter beeinflusste die Ergebnisse. Auf der Rückfahrt regnete es auf 27 der 45 untersuchten Streckenabschnitte. Insgesamt erfassten die Luftsammler dabei weniger Wirbeltier- und Gliederfüßergruppen als auf der Hinfahrt. Innerhalb der Rückfahrt gingen Regenabschnitte allerdings mit mehr Pflanzen- und Wirbeltiernachweisen einher.

Wiederholte Fahrten könnten deshalb zusätzliche Arten erfassen und Veränderungen über längere Zeiträume sichtbar machen. „DNA aus der Luft bietet uns eine weitere Möglichkeit, nach Spuren von Leben in großen Gebieten zu suchen“, erklärte Newton. Denkbar wäre, Fahrzeuge regelmäßig auf festen Strecken einzusetzen, um invasive Arten aufzuspüren oder Veränderungen der Artenvielfalt zu verfolgen. Auffällige Nachweise müssten weiterhin durch gezielte Untersuchungen vor Ort bestätigt werden.

Kurz zusammengefasst:

• DNA aus der Luft macht Artenvielfalt sichtbar: Auf einer 1.155 Kilometer langen Strecke in Australien erfassten Forscher mit Luftfiltern am Auto genetische Spuren von 633 Tier- und Pflanzengruppen.
• Die DNA verrät Unterschiede zwischen Lebensräumen: Niederschlag, Temperatur und Bodenbeschaffenheit beeinflussen die nachgewiesenen Pflanzen- und Tiergemeinschaften stärker als die geografische Entfernung allein.
• Die Methode könnte den Naturschutz verbessern: Luftproben helfen, invasive Arten aufzuspüren und Veränderungen der Artenvielfalt zu überwachen, doch einzelne Nachweise müssen vor Ort bestätigt werden.

Übrigens: Der Verlust von Tier- und Pflanzenarten gefährdet weit mehr als die Natur selbst. Eine Auswertung von 423 Studien zeigt, wie stark darunter Bestäubung, Wasserreinigung und Kohlenstoffspeicherung leiden können. Mehr dazu in unserem Artikel über die Folgen des Artensterbens.

Bild: © Pexels

Weil Küstenlagunen so schnell auf Belastungen reagieren, könnten sie im Klimawandel als natürliche Frühwarnsysteme dienen, wie ein internationales Forschungsteam im Journal One Ecosystem vorschlägt. Mikroorganismen, Wasserchemie und Satellitenbilder sollen anzeigen, wann Hitze, Verschmutzung und Extremwetter ein Gewässer aus dem Gleichgewicht bringen. Ein fertiges Alarmsystem gibt es noch nicht. Zunächst müssen Langzeitmessungen klären, welche Veränderungen zuverlässig vor Algenblüten, Sauerstoffmangel oder Artenverlust warnen.

Küstenlagunen machen den Klimawandel früh messbar

Das Gebiet erstreckt sich über rund 1.000 Kilometer. Nach Angaben der Autoren handelt es sich um das weltweit größte zusammenhängende System flacher subtropischer Küstenseen dieser Art. Die meisten Gewässer enthalten trotz ihrer Nähe zum Atlantik überwiegend Süßwasser. Regen, Grundwasser und große Einzugsgebiete liefern ständig Nachschub. Sandbarrieren trennten die Lagunen im Laufe der Erdgeschichte schrittweise vom Meer ab.

Viele Lagunen sind so flach, dass Wind das Wasser regelmäßig bis zum Grund durchmischt. Dabei gelangen Sedimente und darin gespeicherte Nährstoffe erneut in die Wassersäule. Temperatur, Trübung und Sauerstoffgehalt können sich dadurch rasch verändern. Auch das Wachstum von Algen reagiert auf solche Schwankungen. Die Autoren bezeichnen die Region laut Pensoft als „natürliches Labor für vergleichende und wiederholbare Untersuchungen“.

El Niño verändert die Lagunen besonders stark

Die Lagunen unterscheiden sich bei Klima, Salzgehalt, Landnutzung und Verschmutzung. Einen starken Einfluss hat die El-Niño-Südliche-Oszillation. Während El-Niño-Phasen fällt in Teilen der Region mehr Regen. Flüsse transportieren dann zusätzliche Nährstoffe, Sedimente und Schadstoffe in die Gewässer. In trockenen Phasen kann dagegen der Einfluss des Atlantiks zunehmen.

Mit dem eindringenden Meerwasser steigt der Salzgehalt. Das verändert die Lebensbedingungen für Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen. Manche Arten kommen mit den Schwankungen zurecht. Andere verschwinden oder werden von besser angepassten Organismen verdrängt. Solche Wechsel machen die Region für die Forschung besonders interessant. In kurzer Entfernung lassen sich zahlreiche Gewässer unter unterschiedlichen Belastungen vergleichen.

Vier Regionen sollen das Warnnetz tragen

Als Ausgangspunkte nennen die Fachleute vier größere Gebiete: das Tramandaí-Flusssystem, die Patos-Lagune, das Mangueira-Mirim-System und die Küstenlagunen Uruguays. Dort existieren bereits Forschungsstationen, Messreihen oder wissenschaftliche Kooperationen. Gemeinsame Standards könnten Daten aus Brasilien und Uruguay erstmals direkt vergleichbar machen.

Gemessen werden sollen klassische Werte wie Wassertemperatur, Sauerstoff, Salzgehalt, Nährstoffe und Wasserstand. Hinzu kommen Daten über Algen, Fische, Wasserpflanzen und andere Organismen. Satelliten könnten große Flächen regelmäßig auf Trübung, Algenblüten und veränderte Wasserstände prüfen. Nach Starkregen ließen sich zudem Sedimentfahnen und Einträge aus angrenzenden Flächen verfolgen.

Mikroorganismen könnten besonders früh warnen

Eine wichtige Aufgabe wird den winzigen Bewohnern der Lagunen zugeschrieben. Bakterien und andere Mikroorganismen reagieren oft schnell auf Hitze, Sauerstoffmangel, Nährstoffüberschüsse oder Schadstoffe. Ihre Zusammensetzung kann sich verändern, lange bevor Fische sterben oder große Wasserpflanzen verschwinden. Solche Verschiebungen dienen später als frühe Warnzeichen.

Auch Umwelt-DNA soll helfen. Sie besteht aus Erbgutspuren, die Tiere, Pflanzen und Mikroben im Wasser hinterlassen. Damit lässt sich erfassen, welche Arten in einer Lagune vorkommen. Die Autoren nennen außerdem Gene für Antibiotikaresistenzen und molekulare Stressmarker. Sie liefern Hinweise auf Abwasser, Medikamente oder andere Belastungen.

Schadstoffe treffen auf Hitze und Starkregen

Parallel sollen Wasser und Sedimente auf Pestizide, Arzneimittelrückstände, Industriechemikalien und Mikroplastik untersucht werden. Viele Stoffe gelangen über Landwirtschaft, Städte und Abwässer in die Lagunen. Starkregen kann mehrere Belastungen gleichzeitig verstärken. Er spült Dünger, Schmutz und Abwasser aus großen Einzugsgebieten in die flachen Seen.

Hohe Temperaturen beschleunigen anschließend biologische Prozesse. Unter bestimmten Bedingungen wachsen Algen besonders stark. Beim Abbau der Biomasse verbrauchen Mikroorganismen Sauerstoff. In extremen Fällen entsteht Sauerstoffmangel, der Fische und andere Wasserbewohner bedroht. Auch trübes Wasser kann langfristige Folgen haben. Es nimmt Unterwasserpflanzen das Licht und verändert dadurch den gesamten Lebensraum.

Noch fehlt ein verlässlicher Alarmwert

Die Publikation nennt weder einen festen Kipppunkt noch einen einzelnen Messwert, der zuverlässig Alarm auslöst. Auch ein einheitlicher Frühwarnindex für die mehr als 100 Lagunen existiert bislang nicht. Erst längere Datenreihen müssen klären, welche Kombination aus Mikroorganismen, Wasserchemie, Artenvielfalt und Satellitenbeobachtungen bevorstehende Schäden früh genug ankündigt.

Die Ausgangslage ist zudem ungleich. Einige große Lagunen werden seit Jahren untersucht. Über zahlreiche kleinere Gewässer ist deutlich weniger bekannt. Flache subtropische Seen tauchen in der internationalen Gewässerforschung außerdem seltener auf als Seen in gemäßigten Klimazonen. Das geplante Netzwerk soll diese Lücken schließen.

Die große Zahl ähnlicher Gewässer bietet dabei einen Vorteil. Reagieren mehrere Lagunen unter vergleichbaren Bedingungen gleich, lassen sich Warnmuster besser von örtlichen Besonderheiten trennen. Mikroorganismen, Schadstoffanalysen und Satellitenbilder können dann erfassen, wie sich Belastungen aufbauen – bevor Algenblüten, Sauerstoffmangel oder Artenverluste kaum noch rückgängig zu machen sind.

Kurz zusammengefasst:

• Mehr als 100 flache Küstenlagunen in Brasilien und Uruguay reagieren besonders schnell auf Starkregen, Dürre, Verschmutzung und steigende Temperaturen.
• Mikroorganismen, Wasserchemie, Umwelt-DNA und Satellitendaten könnten künftig früh anzeigen, wann Algenblüten, Sauerstoffmangel oder Artenverluste drohen.
• Ein fertiges Klima-Frühwarnsystem gibt es noch nicht: Langzeitmessungen müssen erst klären, welche Veränderungen zuverlässig vor schweren Schäden warnen.

Übrigens: Der Klimawandel setzt nicht nur Küstenlagunen unter Druck, sondern lässt auch Strände immer schneller schrumpfen. Bis 2100 könnte weltweit fast jeder zweite Strand verschwinden. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © CECLIMAR Collection (Acervo CECLIMAR)