Korrespondierender Autor

Chemistry • Ecology

Research report (imported) 2006 - Max Planck Institute for Evolutionary Biology

Stabile Isotope: neue Möglichkeiten der Analyse von Nahrungsnetzen

Stable isotopes: new tool for the study of aquatic food webs

Authors

Harrod, Chris; Lampert, Winfried

Departments

Ökophysiologie (W. Lampert) (Prof. Dr. Winfried Lampert)
MPI für Evolutionsbiologie, Plön

Stabile Isotope, vor allem von Stickstoff und Kohlenstoff, sind ein neues Hilfsmittel, um die Struktur von Nahrungsnetzen in aquatischen Ökosystemen zu erforschen. Diese Isotope werden auf charakteristische Weise angereichert, wenn organisches Material von einer Nahrungskettenstufe zur anderen weitergegeben wird. Über die Isotopen-Zusammensetzung eines Organismus lässt sich auch die Herkunft der Ressourcen ermitteln. Wissenschaftler der Abteilung Ökophysiologie am Max-Planck-Institut für Limnologie konnten mit dieser Methode zeigen, wie Kohlenstoff aus Methan, im Seesediment gebildet, über Bakterien und Mückenlarven schließlich in Spinnen außerhalb des Gewässers ankommt. Außerdem gelang es nachzuweisen, dass Fische der gleichen Art, die sich morphologisch unterscheiden, auf verschiedene Lebensräume und Nahrungsressourcen in einem See spezialisiert sind.
Stable isotopes, in particular of nitrogen and carbon, are a new tool to study the structure of food webs in aquatic ecosystems. These isotopes show characteristic enrichment when organic material is passed from one step in the food chain to the next. Moreover, the isotopic composition of organisms provides information on the origin of their resources. Scientists in the Department of Physiological Ecology of the Max Planck Institute for Limnology used this method to show how carbon from methane produced in lake sediments is transferred through bacteria and midge larvae to spiders outside of the water. In another project, they were able to demonstrate that different morphotypes of the same fish species specialize on different habitat and food resources in a lake.

Interaktionen zwischen Organismen in aquatischen Ökosystemen spielen sich in so genannten „Nahrungsnetzen“ ab. Das sind Schemata, in denen die Fraß-und Konkurrenzbeziehungen der Organismen dargestellt werden. Solche Nahrungsnetze sind meistens sehr komplex. Deshalb ist es häufig schwer, die genaue Position und Funktion einer Art im Ökosystem zu bestimmen. Außerdem wechseln Organismen die von ihnen konsumierten Ressourcen je nach Angebot. Nur höhere Tiere haben einen Magen, in dem man feststellen kann, was sie vor kurzem konsumiert haben. Aber selbst wenn man Magenuntersuchungen durchführen kann, erhält man daraus immer nur einen Schnappschuss von einem bestimmten Zeitpunkt, keine Information über die durchschnittliche Ressourcennutzung.

Neue Methodik

Eine neue Methodik erlaubt nun, den Ressourcenkonsum von Organismen über längere Zeit zu mitteln und ihre Position im Nahrungsnetz zu bestimmen. Sie beruht darauf, dass für den Stoffwechsel der Organismen wichtige Elemente, zum Beispiel Kohlenstoff und Stickstoff, in der Natur in winzigen Mengen als ungewöhnliche, stabile Isotope vorliegen, d. h. mit einem vom normalen etwas abweichenden Atomgewicht. So kommt der Kohlenstoff, der normalerweise das Atomgewicht 12 hat (12C) auch mit dem Atomgewicht 13 (13C) vor, der Stickstoff liegt in Spuren als 15N statt des normalen 14N vor. In einem Massenspektrometer kann man das Verhältnis der Isotope eines Elements messen. In den biochemischen Prozessen im Stoffwechsel der Organismen werden nun die Isotope eines Elements nicht genau gleich verarbeitet. Zum Beispiel bleibt das schwerere Stickstoffisotop etwas länger in einer Zelle als das leichtere. Die Zelle wird also relativ an 15N zunehmen. Wenn diese Zelle von einem anderen Organismus gefressen wird, spielt sich wieder das Gleiche ab. Das bedeutet, dass mit jedem Schritt in der Nahrungskette das Verhältnis von 15N zu 14N größer (angereichert) wird. Misst man in biologischem Material das Verhältnis der beiden Isotope (in ‰), kann man dieses Verhältnis mit dem in einer weltweit akzeptierten Standardsubstanz vergleichen. Die Differenz ergibt einen charakteristischen Wert, den man als „Isotopensignatur“ (δ) des biologischen Materials bezeichnet, z. B. δ15N (‰).

Die Isotopensignatur hängt auch von der Herkunft der konsumierten Ressourcen ab. Zum Beispiel haben Landpflanzen, die bei der Photosynthese CO2 aus der Atmosphäre aufnehmen, ein höheres δ13C als Algen, die im Wasser Kohlensäure assimilieren. Deshalb haben Tiere in einem See, die in der Nähe des Ufers ins Wasser gefallene Blätter fressen, eine höhere Kohlenstoffsignatur als solche, die im Freiwasser Algen fressen. Ökologen benutzen die Kohlenstoffsignatur, um die Herkunft der Kohlenstoffquellen zu bestimmen [1], die Stickstoffsignatur, um die Position im Nahrungsnetz (die trophische Ebene) festzulegen. Jedes Mal, wenn biologische Substanz von einem anderen Organismus gefressen wird, also auf jeder Stufe der Nahrungskette, steigt das δ15N um circa 3 ‰ [2].

Spinnen leben von Methan

In der Abteilung Ökophysiologie am MPI für Limnologie hat die Anwendung von stabilen Isotopen zu überraschenden Ergebnissen geführt. Die Forscher waren überrascht, in Zuckmücken-Larven, die in der Tiefe von Seen unter sauerstoffarmen Bedingungen leben, ein extrem niedriges δ13C von circa –50 ‰ zu finden [3]. Das ist nur möglich, wenn die Tiere Methan, das im Seesediment entsteht, als Kohlenstoffquelle nutzen. Es zeigte sich, dass sie Methanbakterien fressen, die von der Oxidation des gebildeten Methans an der Grenze von sauerstofffreiem und sauerstoffhaltigem Wasser leben [4]. Nun schlüpfen diese Zuckmücken aber am Ende ihres Entwicklungszyklus und schwärmen über dem See. Dabei geraten sie in die Netze der Spinnen am Ufer. Die Folge ist, dass man das Methansignal auch in den Spinnen wiederfindet (Abb. 1). Wenn die Mücken geschlüpft sind, erniedrigt sich die 13C-Signatur in den Spinnen. Diese bekommen ca. 20 Prozent ihres Kohlenstoffbedarfs aus dem ursprünglichen Methan, ein Transportweg über die Wasseroberfläche hinaus, den niemand vermutet hatte. Allerdings besteht diese Verbindung nur, wenn in einem See viel Methan gebildet wird und Methanbakterien häufig sind.

Saisonale Änderung der <sup>13</sup>C-Signatur in Spinnen am Ufer verschiedener Seen in Schleswig-Holstein. Die beiden Seen, die mit gefüllten Symbole Bild vergrößern
Saisonale Änderung der 13C-Signatur in Spinnen am Ufer verschiedener Seen in Schleswig-Holstein. Die beiden Seen, die mit gefüllten Symbolen dargestellt sind, enthalten Mückenlarven mit einer extrem niedrigen 13C-Signatur infolge des Konsums von methan-oxidierenden Bakterien. Die Balken auf der Monatsskala geben die Schlupfzeiten der Mücken an. Nachdem die Mücken geschlüpft sind, erniedrigt sich die Signatur. Der Holzsee beherbergt eine besonders große Mückenpopulation. [weniger]

Du bist, was du frisst

Eine andere Anwendung betrifft die Ökologie von Fischen, die für ihren Polymorphismus (die Existenz verschiedener morphologischer Typen) bekannt sind. Ein gutes Beispiel sind Fischarten der Gattung Coregonus, in Deutschland als Maränen, Felchen oder Renken bekannt. Coregonus lavaretus kommt vor allem in nordischen Seen häufig vor. Oft gibt es verschiedene Typen der gleichen Art, die sich in der Form des Maules und der Größe der Augen unterscheiden (Abb. 2).

Köpfe verbreiteter Morphotypen von <i>Coregonus lavaretus</i> aus dem gleichen See. Obwohl die Fische der gleichen Art angehören, unterscheiden sie si Bild vergrößern
Köpfe verbreiteter Morphotypen von Coregonus lavaretus aus dem gleichen See. Obwohl die Fische der gleichen Art angehören, unterscheiden sie sich in der Größe der Augen und in der Stellung des Maules. [weniger]

Es gibt Hinweise darauf, dass sich diese Morphotypen in ihrem Habitat und in ihrer Nahrungsaufnahme unterscheiden. Die Analyse der stabilen Isotope unterstützt diese Hypothese. Die Morphotypen sind deutlich anhand ihrer 13C- und 15N-Signaturen zu differenzieren (Abb. 3). Diese spiegeln die Signaturen der Nahrungsorganismen in den verschiedenen Habitaten eines Sees wider. Allerdings liegen alle Stickstoff-Signaturen der Fische etwas höher als die der potenziellen Nahrungsorganismen, was zu erwarten war, da die Fische zu einer höheren trophischen Ebene gehören. Die Analyse macht also deutlich, dass die Fischtypen wahrscheinlich auf unterschiedliche Lebensräume und Nahrungsressourcen spezialisiert sind. Möglicherweise beobachtet man hier die Entstehung getrennter Arten [6]. Ähnliche Studien werden auch an anderen Fischen durchgeführt, zum Beispiel an Aalen [7].

Links: <sup>15</sup>N- und <sup>13</sup>C-Signaturen der drei Morphotypen von <i>Coregonus lavaretus</i> (siehe Abb. 2) in verschiedenen finnischen Se Bild vergrößern
Links: 15N- und 13C-Signaturen der drei Morphotypen von Coregonus lavaretus (siehe Abb. 2) in verschiedenen finnischen Seen. Die Morphotypen bilden charakteristische Gruppen. Rechts: Isotopen-Signaturen von Nahrungstieren der Fische in unterschiedlichen Lebensräumen eines Sees (Daten von [5]). Die Signaturen der Fisch-Morphotypen spiegeln die der Nahrungstiere wider, sind aber zu höheren δ15N-Werten verschoben. [weniger]

Originalveröffentlichungen

1.
B. Fry, E. B. Sherr:
δ13C measurements as indicators of carbon flow in marine and freshwater ecosystems.
2.
D. M. Post:
Using stable isotopes to estimate trophic position: models, methods, and assumptions.
3.
J. Grey, A. Kelly, R. I. Jones:
High intraspecific variability in carbon and nitrogen stable isotope ratios of lake chironomid larvae.
4.
J. Grey, P. Deines:
Differential assimilation of methanotrophic and chemoautotrophic bacteria by lake chironomid larvae.
5.
M. J. Vander Zanden, J. B. Rasmussen:
Primary consumer δ13C and δ15N and the trophic position of aquatic consumers.
6.
L. Bernatchez:
Ecological theory of adaptive radiation. An empirical assessment from coregonine fishes (Salmoniformes).
7.
C. Harrod, J. Grey, T. K. McCarthy, M. Morrissey:
Stable isotope analyses provide new insights into ecological plasticity in a mixohaline population of European eel.
 
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