Blinde Passagiere – Was können Mikroorganismen auf der Haut von Walen oder Pinguinen über Umweltveränderungen verraten?

Buckelwale
Magellan-Pinguine
Mikrobiologinnen der University of Mexico City bearbeiten Proben an Bord eines Schiffes.
Foto : Luis Eguiarte
Die Forschenden haben es auf die Haut von Buckelwalen ...
Foto : CEQUA
... und von Magellan-Pinguinen abgesehen.
Foto : Ralph Tiedemann
Mikrobiologinnen der University of Mexico City bearbeiten Proben an Bord eines Schiffes.

Sie sind durchschnittlich 13 Meter lang und bis zu 30 Tonnen schwer: Buckelwale gehören zu den imposantesten Tieren der Erde. Der Evolutionsbiologe Prof. Dr. Ralph Tiedemann konnte die Giganten kürzlich auf einer Expedition ganz nah erleben: Nur zehn Meter trennten ihn von den Walen, denen er sich gemeinsam mit einem chilenisch-mexikanischen Forschungsteam in einem Schlauchboot im Antarktischen Ozean, südlich von Patagonien, genähert hatte. Nun ist der Forscher wieder in Potsdam und hat von seiner Reise ein paar Proben mitgebracht: kleine Stücke Walhaut, die die Crew mithilfe einer speziellen Biopsie-Harpune ausgestanzt hat – „schmerzlos“, betont der Forscher. Er interessiert sich für das Erbgut, das in diesen Proben steckt.

An dieses heranzukommen, ist nicht ganz einfach. „Zunächst einmal muss man die Wale überhaupt finden“, erklärt Tiedemann. Sobald die Tiere geortet sind, gilt es, an ihrem Verhalten zu erkennen, ob sie an der Oberfläche bleiben oder sich gleich auf einen längeren Tauchgang begeben. Wenn sie nicht in Tauchstimmung sind, erfolgt die Annäherung auf einem Schlauchboot – „bei Wind und Wellen“. Zuletzt muss auch der Schuss für eine erfolgreiche Entnahme der Proben „sitzen“. Dafür bleiben nur wenige Sekunden, in denen die Tiere an der Oberfläche sind.

Dreimal war das Forschungsteam auf dieser Exkursion schließlich erfolgreich und konnte die wertvollen Hautproben gewinnen. Sie enthalten viel mehr als nur die Erbinformation des einzelnen Tieres. Auf der Haut leben zahllose Mikroorganismen, auf die es die Forschenden ebenfalls abgesehen haben. Mikrobiom – so heißt diese Lebensgemeinschaft aus Bakterien und Pilzen. Sie erfüllt wichtige Funktionen: Bei Säugetieren beeinflusst sie das Immunsystem und Stoffwechselprozesse. Ohne seine rund 39 Billionen unsichtbaren Mitbewohner, die vor allem im Darm, aber auch auf der Haut zu finden sind, könnte etwa ein Mensch kaum überleben.

Für die Forschung ist das Mikrobiom hochinteressant. Denn es scheint nicht nur enormen Einfluss auf seinen Wirt zu haben, sondern spiegelt auch Umweltbedingungen wider. Welche Arten von Mikroorganismen speziell auf der Haut mariner Lebewesen existieren oder welche ihrer Gene aktiviert sind, könnte Auskunft über die Wasserqualität oder auch Temperaturänderungen im Rahmen des Klimawandels geben. Diese mikrobielle Gemeinschaft ist deshalb Gegenstand eines Forschungsprojekts des chilenischen Forschungsinstituts CEQUA mit Sitz in Punta Arenas. Neben der Universität von Mexiko City, mit der Projektleiterin und Mikrobiomforscherin Prof. Valeria Souza, ist auch Ralph Tiedemann mit seinem Potsdamer Forschungsteam an dem von der chilenischen Regierung geförderten Vorhaben beteiligt.

Die Forschenden untersuchen außer Buckelwalen auch Magellan-Pinguine, Seelöwen, Hummer, Königskrabben, Lachse und weitere Arten, um wichtige Glieder der subantarktischen Nahrungskette abzudecken. Während das Mikrobiom in Mexiko analysiert wird, kommen in Potsdam tiefgefrorene Proben des Buckelwals und des Magellan-Pinguins an und werden hier molekularbiologisch untersucht.

Der Biologe Enrique Amaro aus dem Forschungsteam um Ralph Tiedemann extrahiert dafür die Buckelwal-DNA und präpariert sie für die weitere Analyse. Dann wird das Genom sequenziert und die Abfolge der einzelnen DNA-Bausteine bestimmt. Am Ende erhält er riesige Datenmengen mit  Erbgutinformationen und kann sogar erkennen, welche Gene aktiv und welche inaktiv sind. Proben aus verschiedenen Jahreszeiten sollen zudem Informationen über mögliche saisonale Unterschiede liefern. Auch ältere Proben, die aus wissenschaftlichen Untersuchungen oder von Strandungen stammen, werten die Forschenden aus.

Ganz ähnlich sieht die Arbeit von Dr. Marisol Domínguez aus. Allerdings arbeitet sie nicht mit der DNA des Buckelwals, sondern untersucht den Magellan-Pinguin. „Diese Pinguine leben in sehr großen Kolonien und geben Bakterien, inklusive Krankheitserreger, untereinander sehr gut weiter“, erklärt sie. Die rund 70 Zentimeter großen Vögel graben auf kleinen Inseln Bruthöhlen, meist unter Baumwurzeln, um den Nachwuchs vor Raubmöwen zu schützen. Für die Probenahme werden die Nester ausfindig gemacht und eine Blutprobe aus dem Fuß der jungen Pinguine entnommen. Mithilfe der darin enthaltenen Erbinformation möchte die Biologin herausfinden, wie die genetische Vielfalt der Population und die Umweltbedingungen das Mikrobiom beeinflussen.

Für den Buckelwal ist bereits bekannt, dass die Artenzusammensetzung der Hautbakterien davon abhängt, in welchen Gewässern sich die Tiere bewegen. Außerdem gibt es individuelle Unterschiede von Tier zu Tier. Nun hoffen die Forschenden, weitere Verbindungen zwischen dem Mikrobiom, Umwelteigenschaften und den Wirtspopulationen aufdecken zu können, um besser zu verstehen, welche Faktoren das Mikrobiom entscheidend beeinflussen. Wie groß sind etwa die Unterschiede zwischen Walpopulationen, die an verschiedenen Orten leben?

„Oft stellt man sich die Arbeit eines Biologen sehr abenteuerlich vor: ständig unterwegs, immer draußen auf spannenden Exkursionen und in tollen Landschaften“, erzählt Enrique Amaro. „In Wirklichkeit arbeite ich als Wissenschaftler die meiste Zeit am Computer und analysiere Daten.“ Doch in wenigen Monaten wird es auch für ihn aufregend: Im kommenden Winter wird das Team für eine weitere Exkursion nach Patagonien reisen und erneut Buckelwale und Magellan-Pinguine aufspüren. „Noch stehen wir ganz am Anfang unserer Forschung“, betont Marisol Domínguez. „Aber in einigen Jahren werden wir hoffentlich mehr über die Verbindung von Mikrobiom, Umweltbedingungen und Populationsgenetik in der Antarktis wissen.“

 

Dieser Text erschien im Universitätsmagazin Portal - Eins 2022 „Diversity“ (PDF).