Powered by

Erforschung biologischer Vielfalt in vielen Facetten

In Heidelberg ist eine Forschungsstelle Biodiversität etabliert worden. Hier wird die räumlich-zeitliche Entstehung biologischer Vielfalt und ihre Wechselwirkung mit ständig veränderten Umweltfaktoren in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern anderer Fachrichtungen untersucht. Eingebunden ist auch der Botanische Garten Heidelberg mit seinen Beständen und Sammlungen. Projekte reichen von der Grundlagenforschung bis zu Strategien zum Natur- und Artenschutz und Bildungsangeboten für die Öffentlichkeit.

Prof. Dr. Marcus Koch. © COS, Universität Heidelberg

Biodiversität ist nicht nur die Vielfalt der Organismen, sondern auch die Vielfalt der Lebensräume, die durch Wechselwirkung zwischen Umwelt und Organismen entstanden sind. Die Komplexität dieses Zusammenspiels vielfältiger - einschließlich menschengemachter - Faktoren erfordert Forschungskooperationen über die traditionellen Fach- und Fakultätsgrenzen hinweg. Die Universität Heidelberg ist dieser Forderung nachgekommen, indem sie ihre an zehn Instituten und Einrichtungen vorhandenen Kompetenzen im Bereich der Biodiversitäts- und Umweltforschung in einem interdisziplinären Forschungsverbund, dem Zentrum für Umweltforschung (Heidelberg Center for the Environment, HCE), integriert hat.

Ein zentrales Element des HCE, das als Teil des Zukunftskonzeptes der Universität im Rahmen der Exzellenzinitiative gefördert wird, ist die Forschungsstelle Biodiversität. Hier bearbeiten Wissenschaftler verschiedener Fachrichtungen neue Gemeinschaftsprojekte auf dem Gebiet der Biodiversitätsforschung. Leiter der Forschungsstelle sind der Botaniker Prof. Dr. Marcus Koch vom Centre for Organismal Studies Heidelberg (COS) und der Paläontologe Prof. Dr. Wolfgang Stinnesbeck vom Institut für Geowissenschaften.

Horizontale und vertikale Biodiversitätsforschung

Blumenwiese © EJ, privat

Die beiden Forscher stehen für zwei sich ergänzende Ansätze der Biodiversitätsforschung: in der horizontalen Zeitachse die Erforschung der rezenten biologischen Vielfalt und in der vertikalen Zeitachse ihre Veränderungen der biologischen Vielfalt im Verlauf der Erdgeschichte, die sogenannte Paläobiodiversitätsforschung.

Die heutige Vielfalt ist das Ergebnis der Entstehung und des Aussterbens der Arten unter den wechselnden Umweltbedingungen der geologischen Vergangenheit. Im Erbgut heute lebender Arten spiegeln sich ebenfalls frühere evolutionsbiologische Prozesse wider. „Auch eine Biodiversitätsforschung mit dem Schwerpunkt, die heute vorhandene Vielfalt zu verstehen und zu erhalten, nutzt Ansätze aus der Paläobiodiversitäts- und evolutionsbiologischen Forschung und ergänzt diese um biologisch-organismische Methoden wie zum Beispiel aus der Ökologie und Populationsbiologie“ (cit.: biodiversity.uni-heidelberg.de/forschung.php">www.biodiversity.uni-heidelberg.de/forschung.php).

Biodiversität hat also immer einen Zeitbezug. Aber da sie sich in Lebensräumen (Habitaten) entfaltet, spielt auch der Raum eine zentrale Rolle. Methoden der physischen Geografie sind für die Biodiversitätsforschung unverzichtbar. Fächerübergreifende Bearbeitungen sind kennzeichnend für die Projekte der Forschungsstelle. Ihre Einbindung in das HCE, an dem unter anderem auch das Geographische Institut und die Institute für Geowissenschaften und Umweltphysik beteiligt sind, hat diese Vernetzung weiter gefördert. In Anerkennung der neuen Ansätze war die Forschungsstelle Biodiversität 2010/2011 mit dem „Innovation Star“ der Metropolregion Rhein-Neckar ausgezeichnet worden. Diese Ehrung erhalten wissenschaftliche Institutionen und Unternehmen der Region dafür, dass dort zukunftsweisende Innovationen erdacht und gestaltet werden.

Außer der Forschungsstelle Biodiversität leitet Prof. Marcus Koch am Centre for Organismal Studies Heidelberg die Abteilung Biodiversität und Pflanzensystematik; zugleich ist er auch Direktor des Botanischen Gartens Heidelberg, der mit seinen artenreichen Pflanzenbeständen und Sammlungen ein Ort der Biodiversitätsforschung ist und nicht zuletzt dem Schutz der biologischen und genetischen Vielfalt der Pflanzen durch Haltung und Zucht bedrohter Arten dient.

Ein Botanischer Garten zum Schutz der Artenvielfalt

Sukkulentenhaus des Botanischen Gartens der Universität Heidelberg. © HIP, Universität Heidelberg

Die Gründung dieses Gartens geht auf das Jahr 1593 zurück; er ist damit nur wenig jünger als der von Padua, der älteste Botanische Garten der Welt überhaupt. Heute werden im Botanischen Garten der Universität Heidelberg etwa 10.000 Pflanzenarten kultiviert, die allermeisten davon in den Gewächshäusern. Von internationaler Bedeutung sind vor allem die Sammlungen von Sukkulenten, Orchideen und Bromelien, die zum großen Teil auf die Expeditionen von Prof. Dr. Werner Rauh zwischen 1965 und 1995 in Mittel- und Südamerika, dem südlichen Afrika und besonders Madagaskar zurückgehen.

Durch die fortschreitende Zerstörung der natürlichen Lebensräume in diesen Regionen sind viele der gesammelten Arten in ihrem Bestand stark gefährdet oder sogar schon ausgestorben. Für einzelne akut bedrohte Arten werden deshalb in Heidelberg Erhaltungskulturen gepflegt. Rauh war von 1960 bis 1982 Direktor des Botanischen Gartens. Die wissenschaftliche Ausarbeitung seiner Aufzeichnungen im Rahmen des von der Klaus Tschira Stiftung finanzierten „Werner Rauh Heritage Project“ hält bis heute an. Die Belegexemplare sind in dem Herbarium HEID gesammelt, das dem Botanischen Garten angegliedert ist und dessen Anfänge bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts zurückreichen. Mit etwa 250.000 Belegen von ungefähr 50.000 Arten von Landpflanzen ist es eines der großen und wichtigen Herbarien Deutschlands.

Neben der Forschung hat der Botanische Garten Heidelberg auch einen wichtigen Bildungsauftrag. In der „Grünen Schule Heidelberg“ wird mit Führungen, Veranstaltungen und zahlreichen Angeboten für Schulen und Kindergärten die pflanzliche Vielfalt unserer Erde vorgestellt und erklärt. Wie Koch betont, wird diese Bildungsarbeit als Beitrag zur Erfüllung der in Rio de Janeiro unterzeichneten Biodiversitätskonvention gesehen. Mit dieser hatte sich auch Deutschland dazu verpflichtet, über die Bedeutung des Erhalts der biologischen Vielfalt aufzuklären.

Biodiversitätsforschung an Kohlgewächsen

Zu den Forschungsschwerpunkten von Koch und seinem Team gehören die Systematik und phylogenetischen Zusammenhänge bei Pflanzen, die Phylo-Biogeographie (die Verteilung genetischer Variationen in Raum und Zeit), die Evolution der Genome, Prozesse der Artbildung und die Evolution der Fortpflanzungssysteme und Differenzierung auf Populationsebene, sowie die Struktur, Morphologie und Evolution der Angiospermenblüte. DNA-Bibliotheken, Genomsequenzierungen und molekulargenetische Analysen wie der vom Zellkern kodierten ribosomalen DNA,der Plastiden-DNA, Promoter-Regionen und Mikrosatelliten spielen eine wichtige Rolle unter anderem für die Erforschung der Evolution molekularer Marker-Systeme und Entwicklungsprozesse bei Pflanzen.

Vielfalt an Gemüsekohl. © Universitätsklinikum Heidelberg

Hauptforschungsgegenstand für viele dieser Projekte ist die große Pflanzenfamilie der Kreuzblütler (Brassicaceae), zu der viele Nutzpflanzen wie Kohl, Raps, Senf, Kresse, Rettich und Meerrettich ebenso gehören wie die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), die wichtigste Modellpflanze der Molekularbiologen und Pflanzengenetiker. Weltweit gibt es über 3.700 Arten von Brassicaceae; für Deutschland sind etwa 160 Wildarten beschrieben worden (Angaben nach dem „Atlas der Farn- und Blütenpflanzen Deutschlands“ von Hennig Haeupler und Thomas Muer, 2007).

Die Vielfalt dieser Pflanzengruppe drückt sich nicht nur in der Artenzahl aus, sondern auch in der enormen morphologischen und genetischen Variabilität, die in der Vielzahl der aus dem unscheinbaren Wildkohl (Brassica oleracea) gezüchteten Gemüsekohlsorten zum Ausdruck kommt (vgl. BIOPRO-Artikel vom 29.04.2013: „Pflanzliche Wirkstoffe gegen Krebsstammzellen“; siehe Link rechts). Die von vielen Standorten stammenden Sammlungen in Heidelberg konzentrieren sich aber auf die Wildpopulationen, um an ihnen die Bedeutung der genetischen Variation und Diversität für Evolution und Artbildung herauszuarbeiten.

Die Erforschung der Kohlgewächse ist auch Gegenstand eines Schwerpunktprogramms der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG-SPP1529: „Adaptomics“), in dem die molekularen Mechanismen, die den adaptiven Merkmalen der Kreuzblütler zugrunde liegen, untersucht werden, um zu verstehen, wie sich Pflanzen durch Evolution an ökologische Herausforderungen anpassen.

Im Rahmen des DFG-SPP1529 haben Koch und seine Mitarbeiter das Datenbanksystem „BrassiBase“ entwickelt, über das alle verfügbaren Informationen über Taxonomie, Systematik und Evolution sämtlicher Brassicaceen-Arten, einschließlich Chromosomenzahlen, genetischen Merkmalen, Samensammlungen etc. abgerufen werden können. Auch der nächste Workshop "Brassicaceae - introduction to family-wide biodiversity part II" am 24./25. Oktober 2013 wird wieder im Heidelberger Botanischen Garten durchgeführt.

Glossar

  • Eine Base ist ein Bestandteil von Nukleinsäuren. Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin, Guanin (Purinabkömmlinge), Cytosin und Thymin bzw. Uracil (Pyrimidinabkömmlinge). In der RNA ersetzt Uracil Thymin.
  • Chromosomen sind die unter dem Mikroskop sichtbaren Träger der Erbanlagen. Die Anzahl der im Zellkern vorhandenen Chromosomen ist artspezifisch. Beim Menschen sind es zweimal 23. Mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen liegen Chromosomen in Körperzellen sowie in befruchteten Eizellen paarweise als sog. homologe Chromosomen vor. In den Keimzellen ist nach Abschluss der Reifungsteilungen nur ein einfacher Chromosomensatz vorhanden.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Eine DNA-Bibliothek ist die Gesamtzahl aller Bakterien, die ein rekombinantes Plasmid mit unterschiedlichen DNA-Fragmenten eines anderen Organismus enthalten. Eine DNA-Bibliothek kann entweder mit genomischer DNA oder mit cDNA hergestellt werden.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Mit Kompetenz im biologischen Sinn ist die Eigenschaft eines Bakteriums gemeint, DNA von außen aufnehmen zu können.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Ein Promotor ist ein Abschnitt auf der DNA, der die Expression der dahinter liegenden Gene reguliert. Dies geschieht, indem DNA-bindende Proteine, so genannte Transkriptionsfaktoren, an den Promotor binden und so ein Startsignal für die RNA-Polymerase geben, welche eine mRNA-Kopie der Gene anfertigt.
  • Das Ribosom ist Protein-Nukleinsäurekomplex zur Proteinbiosynthese unter Verwendung von mRNA als Vorlage.
  • Arabidopsis thaliana ist der wissenschaftliche Name für die Acker-Schmalwand; diese war im Jahr 2000 die erste Pflanze, deren Genom vollständig bekannt wurde. Aufgrund ihres kleinen Genoms mit 5 Chromosomenpaaren (mit ca. 25 000 Genen) ist sie eine der wichtigsten Modellorganismen der Pflanzengenetik.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Die Zelldifferenzierung bezeichnet die Spezialisierung von Zellen in Bezug auf ihre Funktion und ihre Struktur. So entstehen aus undifferenzierte Stammzellen verschiedene Zelltypen wie Herzmuskel-, Nerven- oder Leberzellen, die ganz unterschiedlich ausssehen und verschiedene Aufgaben erfüllen.
  • Die Morphologie ist die Lehre von der Struktur und Form der Organismen.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Polypropylen (Abkürzung: PP) ist ein thermoplastisches Polymer des Propylens (auch: Propens).
  • Die Vielfalt von auf der Erde vorkommenden Lebewesen und den unterschiedlich vorkommenden Ökosystemen wird als Biodiversität bezeichnet. Biodiversitätsforschung beschäftigt sich mit dem Einfluss der in einem speziellen Ökosystem vorkommenden Lebewesen auf die Umwelt.
Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/erforschung-biologischer-vielfalt-in-vielen-facetten/