Moderne Naturschutzmethoden und -konzepte

Der technische Fortschritt bietet der modernen Naturschutzforschung heute Möglichkeiten, an die vor ein paar Jahren noch nicht zu denken war. Neue bildgebende Verfahren, Satellitensender, Mikrotechnologien sowie innovative technische Geräte erlauben es Freilandbiologen und Veterinärmedizinern, ein  immer genauer werdendes Bild vom Leben der Tiere zu erhalten. Fortschritte im Bereich der Biotechnologie liefern uns spannende Informationen über die Tierwelt unseres Planeten. Um die Erforschung bedrohter Wildtierarten weiter voranzutreiben, kommen am IZW  die neusten Konzepte und Methoden des modernen Naturschutzes zur Anwendung. Derzeit beschäftigen wir uns in diesem Zusammenhang mit folgenden Themen.

Der Schutz der genetischen Vielfalt

Im Gegensatz zu zahlenmäßig großen Populationen sind schrumpfende und kleine Populationen von Wildtieren stärker dem negativen Einfluss von Erbkrankheiten und Fortpflanzungsstörungen ausgesetzt, was dazu führt, dass Populationen und deren Genpool (Summe der Erbinformationen aller Individuen einer Population) in noch schnellerem Tempo kleiner werden. Erbkrankheiten und Fortpflanzungsstörungen sind die Folgen schrumpfender Tierbestände. Um dem Verlust wertvoller genetischer Informationen entgegenzuwirken, bemühen wir uns, eine Gen-/Gametenbank für verschiedene Säugetierarten aufzubauen. Samen- und Eizellen, Embryonen und Gewebeproben aus Hoden und Eierstöcken bedrohter Tierarten werden gesammelt und tiefgefroren. Dieses genetische Material kann in Zukunft einen wertvollen Beitrag zum Erhalt bedrohter Arten leisten. Mit Hilfe von künstlichen Besamungen könnte beispielsweise die genetische Vielfalt einer stark dezimierten Tierart gesteigert werden.

Im Rahmen von Programmen wie „Frozen Ark“ und „Felid Gametes Rescue“ hat das IZW im Laufe der letzten Jahre eine umfangreiche Sammlung solcher Proben zusammengetragen. In der Regel gewinnen wir das genetische Material von lebenden Tieren, z.B. im Rahmen von veterinärmedizinischen Gesundheitsuntersuchungen bei Zootieren. Es wird aber auch Material nach einer medizinisch notwendigen Kastration oder von kurz zuvor verstorbenen Tieren entnommen und eingefroren.

Das Einfrieren der Zellen muss sehr sorgfältig durchgeführt werden, da lebende Zellen empfindlich auf den Kälteschock reagieren. Bilden sich in den Zellen Eiskristalle, kann das Material in der Regel nicht mehr verwendet werden, da die wachsenden Eiskristalle die inneren Zellstrukturen zerstören. Um derartige Probleme zu vermeiden, entwickeln wir schonende Gefriermethoden, die auf die Beschaffenheit des jeweiligen Zellmaterials zugeschnitten sind.

Unterstützung bei der Fortpflanzung

Mit Hilfe modernster Methoden können Veterinärmediziner nicht nur die Fortpflanzung von Zootieren, sondern auch bedrohter Arten im Freiland unterstützen. Die dabei eingesetzten Verfahren fassen Fachleute unter dem englischen Terminus „Assisted Reproductive Technology“ („Techniken zur Unterstützung der Fortpflanzung“) zusammen.

Mittels Analysen von Hormonmetaboliten im Kot kann der weibliche Zyklus erfasst werden, ohne die Tiere direkt zu stören. So kann der  günstigste Zeitpunkt für eine Paarung oder künstliche Besamung ermittelt werden. Ein weiteres Beispiel für eine am IZW entwickelte Methode der assistierten Reproduktion ist die Entnahme von Eizellen für eine In-vitro-Befruchtung bei Wildtieren.

Bei bedrohten Arten kann man dank solcher Methoden den genetischen Austausch fördern, indem man beispielsweise gezielt Artgenossen mit möglichst unterschiedlichen Erbinformationen verpaart.  Mittels künstlicher Besamung und Gefrierkonservierung von Spermien ist der Austausch von genetischer Vielfalt nicht nur zwischen den Zoos denkbar, sondern auch zwischen Tieren in freier Wildbahn und Zootieren. Somit braucht man keine freilebenden Wildtiere mehr einzufangen, um die genetische Diversität von Zoopopulationen aufrechtzuerhalten.  Umgekehrt ersetzt die künstliche Besamung von freilebenden Tieren die Auswilderung von in Gefangenschaft gehaltenen Individuen.

Berührungsfreie und minimal-invasive Untersuchungsverfahren

Nicht- oder minimal-invasive Untersuchungs- und Behandlungsmethoden haben zum Ziel, den Patienten möglichst wenig zu belasten, Schmerzen zu reduzieren und große Wunden zu vermeiden. Nicht nur in der Humanmedizin kommen zunehmend solche Verfahren zum Einsatz, auch die Tiermedizin profitiert von minimal-invasiven Behandlungsmethoden. 

Kamerafallen

Viele Wildtiere sind so selten und scheu, dass man sie kaum zu Gesicht bekommt. Dank modernster technischer Methoden können wir heute mehr über diese oft stark bedrohten Arten herausfinden.

Kamerafallen zählen zu den beliebtesten Hilfsmitteln, wenn es um die Beobachtung und Überwachung scheuer Wildtiere geht. Mit Hilfe von Kameras kann man, ohne die Tiere merklich zu stören, ein relativ großes Studiengebiet untersuchen.

An Wildwechseln oder anderen vielversprechenden Stellen bringt man dazu Kameras an, die meist von einem Wärme- und Bewegungsensor ausgelöst werden. Läuft ein Tier einer bestimmten Größe vorbei, hält die Überwachungstechnik dies auf Bildern oder Videos fest. Kameras liefern so eine immense Menge an Daten, die uns beispielsweise verrät, wie groß die Bestände einzelner Arten sind und welche Bereiche ihres Lebensraums sie besonders nutzen.

In Kooperation mit Kollegeninnen und Kollegen anderer Forschungseinrichtungen hat das IZW ein Handbuch für den Einsatz von Kamerafallen herausgebracht. Hier werden praktische und logistische Fragen rund um das Thema Kamerafallen und Überwachungstechnik beantwortet. Besonders in Regenwäldern oder anderen schwer zugänglichen Regionen der Erde muss der Einsatz von Kameras genau geplant sein, damit am Ende die gewünschten Informationen eingebracht werden können.

Doch nicht nur das Sammeln, sondern auch die Auswertung der Daten stellt oftmals eine große Herausforderung dar. Um aus den Kamerabildern die richtigen Schlüsse zu ziehen, muss nicht nur die Ökologie der Art und der Aufbau des Überwachungssystems berücksichtigt werden. Erst in Kombination mit modernen Methoden der Statistik können die Daten erfolgreich ausgewertet werden.

Der Einsatz von Kamerafallen im Rahmen zahlreicher Projekte des IZW hat sich bereits ausgezahlt. Im tropischen Regenwald von Sabah im malaysischen Teil der Insel Borneo haben wir dank unserer Kamerafallen spektakuläre Bilder vom Haarnasen-Otter (Lutra sumatrana) machen können. Diese stark vom Aussterben bedrohte Otterart wurde zum letzten Mal vor über 100 Jahren in dieser Region gesichtet. Es gelang unserem Team darüber hinaus auch, seltene Aufnahmen vom Sunda-Nebelparder (Neofelis diardi) sowie der Otterzivette (Cynogale bennettii), einer Schleichkatzenart, zu machen.

Die Kameras haben aber nicht nur interessante Eindrücke von scheuen Regenwaldbewohnern geliefert, man kann die Bilder auch nutzen, um die Bestandsgrößen verschiedener Arten abzuschätzen. Mit Hilfe von räumlich bezogenen Fang-Wiederfangmodellen war es uns zum Beispiel möglich, für den Sunda-Nebelparder und die Bengalkatze (Prionailurus bengalensis) präzise Bestandsschätzungen zu errechnen.

Doch auch über die Raubtiere anderer Kontinente hat die Überwachungstechnik interessante und aufschlussreiche Informationen geliefert. Zusammen mit der Schutzorganisation „Jaguar Conservation Fund“ haben wir Kamerafallen im Nationalpark Emas in Zentralbrasilien aufgebaut. Die in den Grasländern (Cerrado) aufgenommenen Bilder haben gezeigt, dass die Jaguare sehr verstreut leben und Gebiete mit dichterer Vegetation bevorzugen. Anders als die weniger spezialisierten Pumas, halten sich Jaguare daher hauptsächlich an den Flusstälern des Schutzgebietes auf.

Genetische Analysen

Es gibt natürlich noch andere Möglichkeiten, auf nicht-invasivem Weg an interessante Informationen zu kommen. Für Erbgut-Studien kann man zum Beispiel Haare verwenden, die ein Tier irgendwo abgestreift hat. Deutlich mehr verrät oft die Untersuchung von Kotproben. Da sie nicht nur Nahrungsreste, sondern auch Zellen aus dem Darm des Tieres mit dem Erbmaterial DNA enthalten, eignen sie sich zum Beispiel für Vaterschaftstests und andere genetische Analysen. Man kann sie aber auch verwenden, wenn man mehr über den Hormonstatus eines Tieres wissen will oder eine mögliche Infektion mit bestimmten Parasiten und Krankheitserregern.

Wenn man Haare oder Kot von zahlreichen Individuen sammelt, kann man auch noch weitreichendere Aussagen über ganze Tierbestände machen. Wie groß ist die Population ungefähr? Aus wie vielen Männchen und Weibchen besteht sie? Wie häufig kommen darin bestimmte Erbinformationen vor? Und leben ihre Mitglieder eher isoliert oder paaren sie sich häufig mit Artgenossen aus anderen Regionen und sorgen so für genetischen Austausch? All diese Fragen können Forscher auf diese Weise beantworten.

Im Prinzip ist dieser Ansatz also sehr vielversprechend. Allerdings gibt es dabei ein paar Hindernisse zu überwinden. So weiß man oft nicht, von welchem Individuum Kot oder Haare stammen. Dann braucht man sehr viele Proben, um die Daten statistisch auswerten zu können und so an die gewünschten Informationen zu kommen. Außerdem hat das Material häufig schon eine Zeit lang im Gelände gelegen, bevor es den Forschern in die Hände fällt. Oft wissen sie dann nicht einmal, wie lange es schon dem Regen und dem aggressiven UV-Licht, den knabbernden Insekten und zersetzenden Bakterien ausgesetzt war. Klar ist nur, dass solche äußeren Einflüsse wertvolle Informationen zerstören können. So kann zum Beispiel die äußere Schicht aus Darmzellen verloren gehen, die den Kot eines Tieres umhüllt. Dann aber wird es mit der genetischen Analyse schwierig und aus vielen Proben können die Forscher kaum noch etwas herauslesen. Trotz solcher Probleme aber werden diese Methoden immer zuverlässiger. Wir haben die entsprechenden Verfahren teilweise neu oder weiter entwickelt und konnten so das Erbgut von zahlreichen Wildtierarten minimal-invasiv untersuchen.

Bei vielen Arten senden die Weibchen Duftbotschaften an ihre männlichen Artgenossen. Mit diesen sogenannten Pheromonen teilen sie zum Beispiel mit, ob sie gerade empfängnisbereit sind. Bei Elefanten und einigen anderen Arten ist es Wissenschaftlern schon gelungen, diese chemischen Nachrichten aufzufangen und zu entschlüsseln. Das ist eine hervorragende Möglichkeit, den richtigen Zeitpunkt für eine Befruchtung zu bestimmen.

Doch auch viele Männchen arbeiten mit Pheromonen. Bei Schafen und Ziegen zum Beispiel fördern die männlichen Duftbotschaften die Fortpflanzungsbereitschaft der Weibchen. Fachleute kennen dieses Phänomen als „Bockeffekt“. Vielleicht lässt sich auf diese Weise ja auch bei anderen Arten die Fortpflanzung stimulieren. Das wäre auch für den Artenschutz eine interessante Möglichkeit. Mit einer solchen Geruchsunterstützung könnten Weibchen schneller geschlechtsreif werden oder zu einem günstigen Zeitpunkt einen Eisprung bekommen. Oder sie könnten nach einer Geburt rascher wieder bereit für eine neue Paarung sein.

 

Fortpflanzungsmedizin

Interessant sind nicht-invasive Methoden auch für viele Untersuchungen rund um die tierische Fortpflanzung. Man kann damit den allgemeinen Gesundheitszustand eines Tieres analysieren, sein Stresslevel und die Funktionsfähigkeit seiner Geschlechtsorgane. Der weibliche Zyklus lässt sich damit ebenso überwachen wie der Erfolg von Verhütungsmaßnahmen. Die dazu nötigen Techniken haben sich in den letzten Jahren deutlich weiterentwickelt. So gibt es mittlerweile zum Beispiel sehr ausgefeilte Methoden zur Analyse von Hormonspiegeln, und man weiß viel mehr über die Fortpflanzungszyklen verschiedener Arten. Leistungsfähigere Ultraschall- und Computertomografie-Geräte können außerdem viel bessere Bilder vom Körperinneren liefern als früher. Wissenschaftler, die sich mit der Fortpflanzung von Tieren beschäftigen, bekommen so ganz neue Werkzeuge für ihre Arbeit in die Hand. Mit deren Hilfe wollen sie noch besser verstehen, wie Tierbestände in freier Wildbahn oder in menschlicher Obhut zu Nachwuchs kommen. Und warum das manchmal eben nicht klappt.

Hormonuntersuchungen

Auch im Hormonforschungslabor des IZW arbeiten wir an nicht-invasiven Methoden. Damit kann man zum Beispiel herausfinden, ob ein Weibchen trächtig ist oder welche Konzentrationen an Stresshormonen es im Körper hat.

So haben wir einen Schwangerschaftstest für den Iberischen Luchs Lynx pardinus entwickelt. Nur anhand von Kotproben lässt sich damit ohne großen Aufwand unterscheiden, ob ein Weibchen dieser stark bedrohten Art tatsächlich trächtig ist oder ob es sich um eine Scheinschwangerschaft handelt.

Bei vielen anderen Tierarten nutzt man das Gelbkörperhormon Progesteron, um eine Schwangerschaft festzustellen. Bei Luchsen funktioniert das allerdings nicht, weil diese auch noch lange nach der Geburt des Nachwuchses erhöhte Konzentrationen dieses Hormons im Körper haben. Gesucht war also ein anderer verräterischer Indikator, der nur im Kot von trächtigen Tieren vorkommt. Vielversprechend sind da zum Beispiel Hormone, die von der Plazenta gebildet werden. Denn da nur trächtige Weibchen dieses Gewebe in der Gebärmutter haben, kommen auch dessen Produkte nur bei ihnen vor. Eines dieser Plazenta-Hormone heißt Prostaglandin-F2a. Es wird im Körper in ein Abbauprodukt namens PGFM umgewandelt. Und diese Substanz erwies sich als guter Indikator für eine Luchsschwangerschaft.

Vor der Paarung und nach der Entbindung enthält der Kot der Tiere nur geringe Mengen davon. Bei trächtigen Weibchen aber steigt die Konzentration etwa 45 Tage nach der Paarung stark an und erreicht rund um die Niederkunft ihren Höhepunkt. Scheinschwangere Luchse dagegen haben nur für kurze Zeit ein erhöhtes PGFM-Level, dann fällt es wieder auf ein niedriges Niveau (Abb.1).

Fig. 1: Verlauf von PGFM im Kot von trächtigen und pseudoträchtigen Iberischen Luchsen. Ähnliche Hormonprofile, die eine sichere Trächtigkeitsdiagnose im letzten Drittel der Trächtigkeit erlauben, wurden bei fast allen untersuchten Katzenarten gefunden.

Etwa drei Wochen vor der Geburt lässt sich so zuverlässig feststellen, ob ein Luchsweibchen trächtig ist oder nicht. Das ist ein wichtiger Fortschritt für das Zuchtprogramm zum Schutz des Iberischen Luchses. Und auch bei vielen anderen Katzenarten wie der Europäischen Wildkatze, dem Geparden oder den Tigern funktioniert die PGFM-Methode.

Auf der Basis dieser Ergebnisse ist ein einfacher und praktischer Schwangerschaftstest für die Katzenverwandtschaft entstanden. Dabei kommt ein am IZW entwickelter Antikörper zum Einsatz, der an das PGFM bindet. Solche Analysemethoden, die auf einer Bindung zwischen einem Antigen und dem zugehörigen Antikörper beruhen, nennen Fachleute ein „Immun-Assay“. Ob eine Probe PGFM enthält oder nicht, lässt sich dann an ihrer Farbe ablesen. In kurzer Zeit liefert dieser Test Klarheit (Abb. 2). Ein kräftiges Gelb bedeutet: Keine Schwangerschaft. Ist dagegen nur eine schwache Verfärbung zu erkennen, können die Naturschützer vielleicht bald auf die Geburt eines weiteren Iberischen Luchses anstoßen.

Fig. 2: PGFM Schnelltest für die Trächtigkeitsdiagnose beim Iberischen Luchs

Hormonanalysen können aber auch noch andere interessante Informationen liefern. Männliche Braunbären sind zum Beispiel dafür bekannt, dass sie immer wieder Jungtiere ihrer eigenen Art töten. Diesem Phänomen gehen wir gemeinsam mit Kollegen des Skandinavischen Braunbären Forschungsprojekts (SBBRP) auf den Grund. Einer Theorie zufolge haben die Männchen für ihre Taten ein einfaches Motiv: Wenn sie fremden Nachwuchs töten, wird dessen Mutter schneller wieder paarungsbereit und sie können selbst Vater werden. Wir vermuten deshalb, dass nach so einem Ereignis die Konzentration des weiblichen Geschlechtshormons Östrogen im Körper des betroffenen Weibchens ansteigt und es seine sexuellen Aktivitäten daraufhin prompt wieder aufnimmt. Im Kot der Tiere müssten sich dann also vermehrt jene Substanzen finden, in die der Körper Östrogen umwandelt.

Diese sogenannten fäkalen Östrogen-Metabolite, die unter dem englischen Kürzel fEM bekannt sind, lagen bei einem der untersuchten Bärenweibchen auf niedrigem Niveau – bis dieses Tier Anfang Juni 2011 beim Angriff eines Männchens sein Junges verlor. Dann stieg der fEM-Wert sofort an. Bis Ende Juni haben wir anschließend sechs weitere Höhepunkte der Östrogen-Ausschüttung gemessen, während das Weibchen in männlicher Gesellschaft unterwegs war.

Zwei weitere Arten interessieren uns besonders, die Tüpfelhyäne Crocuta crocuta und der Gepard Acinonyx jubatus. Bei beiden wollen wir objektiv messen, wie stark die Tiere unter Stress stehen. Dazu analysieren wir die Metabolite des Stresshormons Cortisol im Kot. Diese Messgröße trägt die englische Abkürzung fGM. Für Geparde haben wir drei verschiedene Antikörper gewonnen, um diesen Wert mit einem Immun-Assay bestimmen zu können. Danach haben wir mit dem sogenannten ACTH-Stimulationstest untersucht, welcher dieser Antikörper sich in der Praxis für die Cortisolanalyse im Kot eignet. Zunächst spritzt man dazu dem Tier ein Hormon namens ACTH. Das regt dann die Nebennierenrinde dazu an, Cortisol ins Blut auszuschütten. Daraufhin steigt natürlich auch der fGM-Wert an. Aber nur einer unserer drei Geparden-Antikörper konnte diesen Effekt sichtbar machen: Der darauf basierende Assay zeigte einen Anstieg des fGM-Wertes um das 18-fache (Abb. 3). Die anderen beiden Antikörper eignen sich dagegen nicht für diese Methode.

Fig. 3: Cortisolmetaboliten im Kot eines weiblichen Geparden, bei dem ein ACTH-Test (Pfeil) durchgeführt wurde. Drei verschiedene Assays wurden auf die Tauglichkeit geprüft, den pharmakologisch induzierten Anstieg von Cortisolmetaboliten im Kot zu detektieren.

Computermodelle für den Artenschutz

Laut Weltnaturschutzunion IUCN zählen die großen Säugetiere Südostasiens zu den am stärksten vom Aussterben bedroht Arten. Am IZW werden daher für die gefährdeten Raubtiere dieser Region umfassende Schutzpläne entwickelt. Dabei konzentrieren wir uns hauptsächlich auf die auf Borneo beheimateten Säugetierarten. Im Rahmen des Projekts „Conservation of Carnivores in Sabah“ (ConCaSa) erforschen und schützen wir seit dem Jahr 2008 die bedrohten Raubtiere im malaysischen Teil der Insel. Wir setzen dabei Kamerafallen und andere nicht-invasive Untersuchungsmethoden ein, um die Auswirkungen von drei verschiedenen Formen der Waldbewirtschaftung zu untersuchen. Die Forscherinnen und Forscher des IZW wollen herausfinden, wie sich die Forstwirtschaft auf die Häufigkeit bestimmter Raubtiere sowie auf die Zusammensetzung der gesamten Säugetiergemeinschaft auswirkt. Dabei interessiert uns besonders, wie empfindlich stark bedrohte Säugetierarten auf Eingriffe des Menschen in ihren Lebensraum reagieren.

Die im Laufe des Projektes zusammengetragenen Felddaten zu den Raubtierbeständen Borneos wurden erstmals in eine Datenbank eingespeist. Auf der Basis von mehr als 4000 Nachweisen über die Verbreitungsgebiete 23 verschiedener Arten können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun Prognosen zum Bedrohungsgrad einzelner Raubtierarten auf Borneo stellen. Gegebenenfalls kann so die Weltnaturschutzunion IUCN die Gefährdungskategorie der jeweiligen Rautierarten revidieren.

Mittels eines ähnlichen Verfahrens hat das IZW bereits im Jahr 2010 das Vorkommen der Flachkopfkatze (Prionailurus planiceps) untersucht, die zu den am stärksten bedrohten Raubtieren Südostasiens gehört. Unser Forscherteam konnte die Ursache für die massiv zurückgehenden Flachkopfkatzenbestände ermitteln: Die Flachlandregenwälder in der Nähe von Flüssen und anderen Gewässern, die zum Verbreitungsgebiet dieser Katzenart zählen, wurden in den letzten Jahren stark abgeholzt; große Teile des Lebensraums der Flachkopfkatze gingen somit verloren.

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