Bewegung auf dem Acker - Biologen untersuchen Wechselwirkungen zwischen Biodiversität und Bewegungsmustern

„Es ist die Hochzeit zweier Forschungsdisziplinen“, sagt der Biologe Niels Blaum mit einem Augenzwinkern. Denn BioMove, das die Universität Potsdam in Kooperation mit der Freien Universität Berlin, dem Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung (IZW) und dem Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) durchführt, verknüpft die zwei Forschungsfelder Bewegungsökologie und Biodiversitätsforschung miteinander. Während sich die Biodiversitätsforschung allen Aspekten der biologischen Vielfalt widmet, fragt die Bewegungsökologie danach, warum, wie und wohin sich Organismen bewegen. Zwischen beiden Disziplinen gibt es Schnittmengen.

Bewegung beeinflusst Artenvielfalt – und umgekehrt

„Um den fortschreitenden Verlust unserer Artenvielfalt zu stoppen, müssen wir zunächst einmal besser verstehen lernen, wie die verschiedenen Arten überhaupt koexistieren können“, erklärt Florian Jeltsch, Professor für Vegetationsökologie und Naturschutz und Sprecher von BioMove. „Eine wichtige, aber bislang vernachlässigte Rolle spielt dabei die Fähigkeit von Organismen, sich durch modifizierte Bewegungsmuster an Umweltveränderungen anzupassen.“ Agrarlandschaften mit ihren ständig wechselnden Bedingungen böten einen idealen Untersuchungsrahmen, um diese Verknüpfung von individueller Bewegung und Biodiversitätsveränderung genauer zu analysieren, erklärt Jeltsch. „Letztlich ist dieser Ansatz auch ein Schritt hin zu einer ‚individuenbasierten‘ Ökologie, vergleichbar dem Übergang von der klassischen zur Teilchenphysik.“

„Eine Agrarlandschaft ist eine der dynamischsten Landschaften, die innerhalb eines Jahres extreme Veränderungen auf großen Skalen erlebt“, erklärt Niels Blaum. Pflügen, säen, düngen, ernten – im Jahreslauf verändern sich Boden und Vegetation eines bewirtschafteten Ackers massiv. Für Ökologen und Biodiversitätsforscher ist diese Landschaft ein optimales Modellsystem, um zu beobachten, wie sich Bewegungsmuster von Organismen und Artenvielfalt gegenseitig beeinflussen. Denn die räumliche und zeitliche Dimension der Bewegung bestimmt, wo einzelne Arten miteinander um Nahrung oder Lebensraum konkurrieren oder wo sie nebeneinander koexistieren können. Um diese komplexen Wechselwirkungen untersuchen zu können, entwickelten Forscher des ZALF und der Universität Potsdam die Idee der AgroScapeLabs. In diesen Agrarlandschaftslaboratorien sind experimentelle Untersuchungen auf Landschaftsebene möglich – ein Glücksfall für jeden Ökologen und Biodiversitätsforscher.

Im Nordosten Brandenburgs, im Einzugsgebiet des Flüsschens Quillow, liegt das 291 Quadratkilometer große Untersuchungsgebiet des Graduiertenkollegs. Ein Mosaik aus größeren und kleineren Ackerflächen, Wäldern und kleinen Teichen bietet optimale Voraussetzungen für die laufenden Forschungsprojekte.

Insgesamt werden zwölf Nachwuchsforscher innerhalb des Graduiertenkollegs promovieren. In ihren Projekten untersuchen sie, wie individuelle Bewegungs- und komplexe Biodiversitätsmuster miteinander verknüpft sind oder wie die Vielfalt auf genetischer Ebene innerhalb der einzelnen Arten durch die Landschaft bestimmt wird. Das Methodenspektrum ist dabei vielfältig. Neben direkten Beobachtungen vor Ort, Kartierungen und Freilandexperimenten werden die Nachwuchswissenschaftler ihre Untersuchungen auch mithilfe von Computermodellen durchführen. „Die Ausbreitung von Wildkrankheiten hängt zum Beispiel davon ab, wie sich Tiere bewegen“, erklärt Florian Jeltsch. „Das lässt sich mit mathematischen Modellen simulieren.“ 

Technischer Fortschritt ermöglicht tiefere Einblicke

Im Mittelpunkt des Promotionsprojekts der Biologin Wiebke Ullmann steht der Feldhase. Um dessen Bewegungen zu untersuchen, stattet die Nachwuchswissenschaftlerin zuvor eingefangene Tiere mit Halsbändern aus, in die GPS-Sender integriert sind. „Was machen die Tiere vor der Ernte, was danach, wie bewegen sie sich innerhalb des Jahres?“ Diesen Fragen geht sie mithilfe der aufgezeichneten Bewegungsmuster nach. 36 Tiere hat sie bereits besendert. 

Niels Blaum zeigt eine Abbildung auf seinem Laptop – es ist ein Satellitenbild der Untersuchungsfläche. Die GPS-Daten eines besenderten Feldhasen, der mehrere Tage lang beobachtet wurde, sind als blaue Linien über die Fläche gelegt. Seine Bewegungen folgen einem bestimmten Muster, er hält sich auf festgelegten Pfaden auf und nutzt nur einen kleinen Teil des Gebiets. Vier Tage später ist das Bewegungsmuster jedoch ein völlig anderes: Der Hase bewegt sich plötzlich auf Flächen, die er zuvor gemieden hat. Was ist geschehen? „Es gab hier ein Luzernefeld, das abgemäht wurde“, berichtet Niels Blaum. „Wenn die Pflanzen hoch sind, können Hasen die Landschaft nicht mehr gut überblicken“, erklärt Wiebke Ullmann. Die Tiere meiden Gebiete, die ihre Sicht einschränken, um nicht von Füchsen überrascht zu werden. Sobald abgeerntet wurde und die Sicht wiederfrei ist, erobern die Tiere die zuvor gemiedenen Flächen zurück. 

Um die Informationen auswerten zu können, benötigt Wiebke Ullmann nicht nur die Bewegungsdaten der besenderten Hasen. Sie muss auch wissen, was in der Umgebung geschieht, welche Früchte auf den Feldern angebaut werden, wie hoch die Pflanzen zu welcher Jahreszeit sind. Einmal im Monat fährt sie deshalb ins Untersuchungsgebiet, misst die Pflanzenhöhe und wertet die Daten der Sender mit spezieller Geoinformations-Software aus. So kann sie ermitteln, welchen Einfluss etwa die Pflanzenhöhe auf die Bewegungsmuster der Hasen hat.

„Die Telemetrietechnik hat sich in den vergangenen fünf Jahren rasant entwickelt“, erklärt Niels Blaum. Die Forschung profitiert dabei nicht nur von leichteren und kleineren Sendern und längeren Akku-Laufzeiten. Besonders wertvoll sind die zusätzlichen Informationen, die die Sender neben den räumlichen Daten liefern. Die sogenannten Beschleunigungsdaten, die in 4-Minuten- Abständen gemessen werden, verraten, wie sich das Tier verhalten hat. Die Forscher lesen an ihnen ab, ob es geschlafen oder gefressen hat oder auf der Flucht war. Ein enormer Wissenszuwachs, betont Wiebke Ullmann. „Aus den Daten lässt sich sogar berechnen, wie viel Energie der Hase verbraucht hat.“ Mit den neuen technischen Mitteln gehen die Untersuchungen weit über einfache Lokalisationsstudien hinaus. Effekte von – durch den Menschen verursachten – Störungen werden ebenso erkennbar wie das kleinräumige Verhalten der Hasen.

Um das System zu kalibrieren, haben die Forscher zunächst besenderte Hasen unter kontrollierten Bedingungen im Gehege und im Freiland beobachtet. Welche Signale verursacht ein fressender, welche ein flüchtender Hase? Die Muster ordneten die Wissenschaftler nach und nach dem entsprechenden Verhalten zu und können nun sagen, was bei welchen Signalen geschieht. „Über statistische Analysen können wir diese Informationen sogar nutzen, um Muster zuzuordnen, für die wir keine Beobachtungen haben“, erläutert Niels Blaum. „Das gibt uns einen unglaublichen Mehrwert an Informationen.“

Wo sich der Hase wann aufhält, ist auch für andere Organismen wichtig – und an dieser Stelle zeigt sich die Schnittstelle zwischen Bewegungsökologie und Biodiversitätsforschung. Denn der Feldhase transportiert Pflanzensamen in seinem Fell und auch in seinem Kot und sorgt somit für deren Verbreitung. Bis zu 20 verschiedene Pflanzenarten fanden Forscher in Hasenkot, den sie im Gewächshaus auskeimen ließen. „Durch den Jahresverlauf der Landwirtschaft ist er eingeschränkt und kann dies nur zu bestimmten Zeiten tun“, erläutert Wiebke Ullmann. Die Forscher werden nun analysieren, welche Vegetation im Aktionsraum der besenderten Hasen wächst und welche Rolle die Tiere bei der Verbreitung einzelner Arten spielen.

Labor in der Landschaft

Der Feldhase ist nur einer von zahlreichen Organismen, die Nachwuchswissenschaftler in BioMove genauer unter die Lupe nehmen. Fledermäuse, Störche, Pilze und sogar Hefen auf Blütenpflanzen sind Objekte weiterer umfangreicher Forschungsprojekte. Der Biologe Guntram Weithoff und sein Doktorand Pierluigi Colangeli interessieren sich z.B. für mikroskopisch kleine Wasserorganismen, die in den zahlreichen Söllen des Landschaftslaboratoriums leben. Rädertierchen, Wasserflöhe, Wimperntierchen – das Leben in den kleinen, wassergefüllten Senken, von denen einige im Jahreslauf immer wieder austrocknen, ist mit rund 100 verschiedenen Zooplanktonarten überraschend vielfältig. Die Forscherwollen herausfinden, wie viele der Arten durch den Wind verbreitet werden und wie effektiv sich diese in neuen Lebensräumen ansiedeln können.

Dazu stellen die Wissenschaftler sogenannte „windsocks“ in die Landschaft – spitz zulaufende Netze, die aus einer engmaschigen Gaze bestehen. Mit den Netzen gehen die Biologen auf die Jagd nach besonderen Lebensphasen der Zooplankter – den Dauerstadien. Denn in gut geschützten Kapseln oder Dauereiern, die nur etwa 50 Mikrometer groß sind, überstehen diese Organismen auch widrige Umweltbedingungen wie längere Trockenperioden. „Wir gehen davon aus, dass sich die Organismen aus ausgetrockneten Söllen sehr effektiv über den Wind verbreiten“, erklärt Weithoff.

Einmal im Monat werden die Forscher die Netzfänge auswerten. Unter dem Mikroskop und auch mithilfe genetischer Analysen offenbart sich dann, welche Arten besonders gut mit dem Wind reisen können. Ob diese auch erfolgreich neue Lebensräume kolonisieren, ist eine andere Frage, der die Forscher mit künstlichen Söllen auf den Grund gehen wollen. Rund 30 Wasserbehälter werden sie dazu aufstellen und deren Besiedlung mit Wasserorganismen regelmäßig kontrollieren. „Dann zeigt sich, wie hoch die Erfolgsquote ist und welche Arten besonders erfolgreich neue Habitate zu besiedeln vermögen“, sagt Guntram Weithoff. Weitere Untersuchungen planen die Forscher schließlich im Labor, wo sie die Planktonorganismen aus den Söllen in Nährmedium und unter kontrollierten Bedingungen kultivieren und austesten, unter welchen Bedingungen sich welche Arten durchsetzen.

Besenderte Hasen, Netze im Wind, künstliche Wasserbecken, aber auch Wildpflanzen in Blumentöpfen oder Pollen sammelnde Forscher – im AgroScapeLab Quillow wird die Forschung in den nächsten Monaten und Jahren besonders intensiv sichtbar werden. Dank des „Labors in der Landschaft“ können die Forscher nicht nur Untersuchungen auf großen Skalen verwirklichen. Sie werfen gleichzeitig einen Blick auf eine wichtige Zukunftsfrage: Welchen Beitrag kann genutztes Land für den Schutz der biologischen Vielfalt leisten? „Es ist Fakt, dass wir nicht mehr sehr viele Flächen haben, die wir unter Naturschutz stellen können“, verdeutlicht Niels Blaum. „In Zukunft müssen wir uns Gedanken darüber machen, wie wir das Management von nicht geschützten Flächen so optimieren können, dass Biodiversität erhalten bleibt.“

Das Projekt

Das Graduiertenkolleg BioMove erforscht, wie sich die Bewegungen von Organismen in dynamischen Agrarlandschaften auf die Biodiversität auswirken. Beteiligt: Universität Potsdam, Freie Universität Berlin, Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung und Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung
Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Laufzeit: 2015 – 2020

http://www.biomove.org

Die Wissenschaftler

Prof. Dr. Florian Jeltsch studierte Physik und Theoretische Ökologie in Marburg und ist seit dem Jahr 2000 Professor für Vegetationsökologie und Naturschutz an der Universität Potsdam. Er ist Sprecher des Graduiertenkollegs „BioMove“.
Email: jeltschuuni-potsdampde

PD Dr. Niels Blaum studierte Biologie in Frankfurt/Main und Tierphysiologie in Nizza (Frankreich). Seit 2001 forscht er an der Universität Potsdam unduntersucht den Einfluss der Landnutzung auf Biodiversität.
Email: blaumuuni-potsdampde

Dr. Guntram Weithoff studierte Biologie in Berlin und ist seit 2000 wissenschaftlicher Assistent am Institut für Biologie und Biochemie. Seine Forschungsinteressen gelten biologischen Invasionen und der Biodiversität von Planktonorganismen.
Email: weithoffuuni-potsdampde

Wiebke Ullmann studierte Biologie an der Humboldt-Universität zu Berlin und Ökologie an der Universität Bremen. Sie untersucht seit 2013 an der Uni Potsdam und dem Leibniz- Zentrum für Agrarlandschaftsforschung das Bewegungsverhalten von Feldhasen in dynamischen Agrarlandschaften.
Email: wiebke.ullmannuuni-potsdampde

Pierluigi Colangeli studierte Biologie in Bologna und Brüssel und ist seit 2016 Doktorand in der Arbeitsgruppe Ökologie und Ökosystemmodellierung.
Email: colangeluuni-potsdampde

Die hier vorgestellte Forschung ist verbunden mit der Forschungsinitiative NEXUS: Earth Surface Dynamics, die unterschiedlichste wissenschaftliche Aktivitäten der Region Berlin-Brandenburg aus dem Themenfeld Dynamik der Erdoberfläche bündelt. Die Universität Potsdam (UP), gemeinsam mit ihren Partnern des Helmholtz-Zentrums Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ), des Alfred-Wegener-Instituts für Polar und Meeresforschung (AWI) sowie mit Partnern des Potsdam Instituts für Klimafolgenforschung (PIK), des Naturkundemuseums Berlin (MfN) und der Technischen Universität Berlin (TUB) verbindet hierzu die herausragende Expertise in den Geo-, Bio, Klima- und Datenwissenschaften.