PORTFOLIO
Minimal invasive Methoden zur Erfassung, Identifizierung und Kartierung von Tiefseemegafauna mittels Video- und Foto-Transsekten
Die Nutzung von Bild- und Videomaterial zum Erfassen der Fauna in Tiefseeebenen ist eine in den letzten Jahren verstärkt genutzte Form einer minimal invasiven Datenerhebung in der Meeresökologie. Dabei werden gezielt Transsekte mit auf den Meeresgrund gerichteten Kameras genutzt und zusammenhängende Flächen mit hochauflösenden Videokameras und Fotoapparaten kontinuierlich aufgezeichnet.
Die Bearbeitung dieser enormen Datenmengen erfordert eine Nachbearbeitung in Foto- und Videoschnittprogrammen, sowie eine Auswertung in sogenannten Fotomosaik- und Annotationsprogrammen. Auch 3-dimensionale Modelle des Meeresbodens und der dort lebenden Fauna werden rekonstruiert und zur Visualisierung und ökologischen Auswertung, sowie zur Modellierung von Verbreitungsmustern genutzt. Dabei werden zusammenhängende, georeferenzierte 3D Rekonstruktionen oder Bildmosaike erschaffen, basierend auf den einzelnen Bildern und deren Lage, Richtung und Distanz zum Meeresboden. Die Nutzung dieser Programme ermöglicht eine Flächendeckende, präzise Auswertung von Video- und Fotomaterial sowie eine Überführung dieser Daten in GIS basierte Karten.
3D-Rekonstruktion des Meeresbodens mit hochauflösender Bathymetrie und texturierten Modellen für die ökologische Analyse
Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode ist, dass bei der Datenerhebung, abgesehen von einer Lichtquelle, keinerlei Eingriff in das sensible Tiefseeökosystem vorgenommen wird. Dadurch können unter anderem auch Monitoring-Projekte in kleinräumigen Biotopen wie den Hydrothermalfeldern etabliert werden, ohne diese zu stören oder dauerhaft zu verändern.
Molekulare Methoden
Die Bestimmung von Arten ist ein grundlegender Schritt, um die wahre Artenvielfalt zu erfassen und hat darüber hinaus eine elementare Bedeutung für alle darauf basierenden Studien. Die Artidentifikation kann aufgrund der Art und der Häufigkeit der Probennahme sehr aufwendig sein, daher bieten Molekulargenetische Bestimmungen eine gute Ergänzung zur klassischen morphologischen Taxonomie.
Die Artbestimmung von Marinen Organismen, ins besondere von Wirbellosen, kann mit traditionellen taxonomischen Methoden sehr aufwendig und Zeitintensiv sein. Dabei ist die Unterscheidung von Arten mittels DNA-barcoding ein elementarer Schritt für biologische Untersuchungen, aber auch Entwicklungsstadien, Geschlechtsdimorphismus und phenotypische Plastizität oder kryptische Arten können entschlüsselt werden.
Eine der am häufigsten genutzten Gene zur Sequenzierung für die Bestimmung von Arten ist die Mitochondriale Cytochrom C Oxidase Untereinheit I Gen (COI) mit einer Länge von 658 Basenpaaren (bp), die eine einzigartige Kodierung für jede Art besitzt.
Um Individuen zu Ihren Genotypischen Clustern zuordnen zu können, werden die COI Sequenzen in eine DNA Referenzdatenbank gesammelt und damit zukünftige Bestimmung von Arten erleichtert und verbessert.
DNA Metabarcoding und eDNA Methoden sind sogenannte NGS Molekularanalysen (Next Generation Sequencing), mit denen Prozesse in der Extraktion und der Amplifizierung (PCR) verbessert werden und somit taxonomische Identifizierungen in Operationelle Taxonomische Einheiten (OTUs; Operational taxonomic units) ermöglichen. Zudem können Mikrobiome z. B. zwischen Schwämmen und Krebsen genetisch analysiert werden oder auch die genetische Konnektivität zwischen Populationen mit restriktionsassoziierten DNA-Markern.
Damit sind molekulargenetische Methoden ein essentieller Bestandteil für die Unterscheidung von oft weit verbreitet lebenden marinen Arten, aber auch zur Implementierung von Monitoring Programmen für die Einschätzung der Biodiversität und zum Meeresschutz.
Probennahme und Auswertung mariner benthisch lebender Organismen
Die Probennahme und Auswertung der benthischen Organismen der Tiefsee ist ein wesentlicher Bestandteil unserer Arbeit in der Tiefsee. Neben der Megafauna, also Tieren die größer als 2 cm sind, bilden die Meio-, und die Makrofauna hohe Abundanzen und zeigen eine große Biodiversität, besonders in Sediment dominierten Lebensräumen. Dabei spielen diese kleinen Organismen eine wichtige Rolle in den Nahrungsnetzen der Tiefseeorganismen und als Indikatoren anhand derer Umweltveränderungen frühzeitig erkannt werden können. Gezielte Probennahmen mit dem Kastengreifer, Multicorer, Epibenthoschlitten, Dredgen oder dem TV-Greifer können von unserem Team durchgeführt und die gesammelten Proben fixiert, bearbeitet und ausgewertet werden.
Verarbeitung von Probennahmen auf dem Schiff. Anfängliche Identifizierung, Fotografie und Fixierung vom Material
Taxonomie und Biodiversität
Taxonomie, oder hierarchische Artbeschreibung bildet die Grundlage aller biologischen Tiefseestudien. Sie dient der Erfassung der Biodiversität in einem bestimmten Lebensraum oder in verschiedenen Lebensräumen und beinhaltet die Beschreibung und Klassifizierung von Organismen anhand von morphologischen Gesichtspunkten, häufig in Kombination mit molekulargenetischen Methoden.
In den durchgeführten Studien zur Biodiversität werden kontinuierlich Daten über benthische und pelagische Gemeinschaften, insbesondere Indizes wie Artenzahl, Abundanz und deren relative Häufigkeiten (Evenness) gesammelt und die Verbreitung der Arten und Lebensgemeinschaften erfasst.
Statistische Modellierungen
Statistische Modellierung sind vereinfachte, mathematische Annäherungen zur Abbildung der Wirklichkeit, die auch für Vorhersagemodelle genutzt werden können. Die Grundlage für statistische Modelle bilden biologische Proben, die Anhand ihrer Artzusammensetzungen, Abundanzen-Gemeinschaften bilden, die wiederum abhängig sind von biologischen Interaktionen aber auch abiotischen Faktoren, die die räumliche Verbreitung bestimmen.
Mit Hilfe dieser statistischen Modelle ist es möglich anhand von Stichproben Aussagen über bestimmte Lebensräume und deren Abhängigkeit zueinander zu machen und Rückschlüsse auf die gesamte Lebensgemeinschaft zu ziehen. Zunehmend werden dabei auch Vorhersagemodelle berechnet, die insbesondere für gezielte Probennahme, die Ausweisung von Schutzgebieten und für effektives Monitoring immer essentieller werden.
Angefangen bei Linearen Regressionen nutzen wir zunehmend Entscheidungsbaum-basierte statistische Modelle, wie z. B. Random Forest, die alle verfügbaren Faktoren für eine Verbreitung von Arten oder Gemeinschaften nutzt, um die entscheidenden Faktoren zu finden und im Anschluss Vorhersagen zur Verbreitung dieser Arten oder Gemeinschaften zu treffen.
Statistische Modelle und Modelle zur Vorhersage von Lebensräumen sind leistungsstarke Werkzeuge,
welche
empfohlen werden und für die Umsetzung von Managementplänen und Entscheidungsprozessen,
um gefährdete marine Ökosysteme (VMEs) zu identifizieren und zu schützen, benötigt werden.