Warum die DNA-Identifizierung von Insekten nur Arten, aber nicht Individuen zählt

Die genetische Fingerprint-Technologie hat die Bestimmung von Insektenarten revolutioniert. Mit DNA-Analysen lassen sich selbst winzige Fragmente von Insekten zuverlässig einer Art zuordnen. Doch obwohl diese Methode wertvolle Erkenntnisse liefert, hat sie eine entscheidende Einschränkung: Sie erlaubt keine exakte Zählung der Individuen. Warum das so ist und welche Auswirkungen das auf die Forschung hat, erfährst du in diesem Artikel.

Genetische Methoden wie das DNA-Barcoding vereinfachen die Art-Identifikation von Insekten. Bild erstellt mit KI (DALL·E), generiert von ChatGPT (OpenAI). Nutzung nur mit Erlaubnis.

Wie funktioniert die DNA-Analyse zur Bestimmung von Insekten?

Bei der DNA-Identifizierung von Insekten kommen meist zwei Methoden zum Einsatz:

  1. DNA-Barcoding: Hierbei wird ein kurzer Abschnitt der mitochondrialen DNA (meist das COI-Gen) sequenziert und mit einer Datenbank verglichen. Dadurch lässt sich eine Art eindeutig identifizieren.
  2. Metabarcoding: Diese Methode wird bei Proben mit vielen Insekten oder Umweltproben (z. B. Bodenproben) genutzt. Dabei wird die gesamte DNA extrahiert und analysiert, um festzustellen, welche Arten in der Probe vorkommen.

Beide Methoden haben den großen Vorteil, dass sie auch kleinste Fragmente oder schwer bestimmbare Larven erfassen können. Doch bei der Frage nach der Individuenzahl stoßen sie an ihre Grenzen.

Warum kann die DNA-Analyse keine Individuen zählen?

1. Unterschiedliche DNA-Mengen pro Individuum

Nicht jedes Insekt enthält gleich viel DNA. Größere Individuen besitzen mehr Zellen und damit mehr genetisches Material als kleinere. Wenn eine Probe aus mehreren Tieren besteht, kann es passieren, dass eine große Heuschrecke mit viel DNA eine Vielzahl kleinerer Insekten in der Analyse „überstimmt“.

2. DNA-Zersetzung und Fragmentierung

In vielen Fällen liegen Insektenproben nicht als ganze Individuen vor, sondern als zerkleinerte oder zersetzte Fragmente. Besonders in Umweltproben kann DNA durch äußere Einflüsse wie Feuchtigkeit oder UV-Strahlung abgebaut werden. Dadurch können manche Arten überrepräsentiert und andere unterrepräsentiert sein.

3. PCR-Verzerrungen bei der Analyse

Die DNA-Analyse nutzt die Polymerase-Kettenreaktion (PCR), um bestimmte DNA-Abschnitte zu vervielfältigen. Dieser Prozess ist jedoch nicht für alle Arten gleich effizient. Manche DNA-Sequenzen vervielfältigen sich leichter als andere, was zu einer Verzerrung der Ergebnisse führt. So könnte es aussehen, als ob eine Art häufiger vorkommt, obwohl nur ein einziges Individuum vorhanden war.

4. Unterschiedliche Zellzahlen in Gewebeproben

Verschiedene Insektenarten haben unterschiedlich viele Zellkerne in ihren Geweben. Das bedeutet, dass eine Art mit besonders hoher Zellanzahl eine größere Menge an extrahierbarer DNA liefert als eine Art mit geringer Zellzahl – selbst wenn beide mit der gleichen Individuenzahl vertreten sind.

Welche Auswirkungen hat das auf die Forschung?

Die Tatsache, dass DNA-Analysen nur Arten, aber keine Individuenzahlen erfassen können, hat weitreichende Folgen für Studien zur Biodiversität und zum Insektenrückgang:

  • Kein exakter Populationsvergleich: Da DNA-Analysen keine präzise Individuenzählung ermöglichen, sind Vergleiche zwischen Standorten oder Zeiträumen schwierig. Veränderungen in der Artzusammensetzung können erfasst werden, aber nicht, ob eine Art tatsächlich seltener oder häufiger wird.
  • Eingeschränkte ökologische Aussagen: In ökologischen Studien ist es oft wichtig zu wissen, wie viele Individuen einer Art vorhanden sind – etwa, um die Rolle einer Art im Nahrungsnetz zu verstehen. Mit DNA-Analysen kann man das nicht zuverlässig bestimmen.
  • Kombination mit anderen Methoden nötig: Um die Anzahl der Individuen korrekt zu erfassen, müssen DNA-Analysen mit traditionellen Monitoring-Methoden wie Malaise-Fallen oder Lichtfallen kombiniert werden.

Zusammenfassung: DNA-Analysen sind wertvoll, aber keine Zählmethode

Die DNA-basierte Bestimmung von Insekten ist eine bahnbrechende Methode zur Erfassung der Artenvielfalt. Sie ermöglicht es, selbst schwer identifizierbare Arten zuverlässig nachzuweisen. Doch wenn es darum geht, die genaue Anzahl der Individuen zu bestimmen, stößt sie an ihre Grenzen. Die Lösung liegt in einer Kombination aus genetischen und klassischen Erfassungsmethoden, um ein vollständiges Bild der Insektenpopulationen zu erhalten.


Interesse an Wildbienenbestimmung? Erfahre in diesem Artikel ob Bestimmungs-Apps für Wildbienen bald die Experten überflüssig machen.

Quellen:

Hurst, G. D. D., & Jiggins, F. M. (2005). Problems with mitochondrial DNA as a marker in population, phylogeographic and phylogenetic studies: The effects of inherited symbionts. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 272(1572), 1525–1534. https://doi.org/10.1098/rspb.2005.3056

Whitworth, T. L., Dawson, R. D., Magalon, H., & Baudry, E. (2007). DNA barcoding cannot reliably identify species of the blowfly genus Protocalliphora (Diptera: Calliphoridae). Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 274(1619), 1731–1739. https://doi.org/10.1098/rspb.2007.0062

Song, H., Buhay, J. E., Whiting, M. F., & Crandall, K. A. (2008). Many species in one: DNA barcoding overestimates the number of species when nuclear mitochondrial pseudogenes are coamplified. Proceedings of the National Academy of Sciences, 105(36), 13486–13491. https://doi.org/10.1073/pnas.0803076105

Srivathsan, A., Lee, L., Katoh, K., Hartop, E., Narayanan Kutty, S., & Meier, R. (2021). ONTbarcoder and MinION barcodes aid biodiversity discovery and identification by everyone, for everyone. BMC Biology, 19(1), 217. https://doi.org/10.1186/s12915-021-01132-4

Hebert, P. D. N., Ratnasingham, S., Zakharov, E. V., Telfer, A. C., Levesque-Beaudin, V., Milton, M. A., Pedersen, S., Jannetta, P., & deWaard, J. R. (2016). Counting animal species with DNA barcodes: Canadian insects. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 371(1702), 20150333. https://doi.org/10.1098/rstb.2015.0333

Posted by Juliane Schäffer in Biodiversität, Wissenschaft, 0 comments

Können Künstliche Intelligenz und Apps Wildbienen fehlerfrei bestimmen?

In den letzten Jahren haben sich KI-gestützte Bestimmungs-Apps rasant weiterentwickelt. Plattformen wie iNaturalist, ObsIdentify oder Wildbienen Id BienABest ermöglichen es mittlerweile, Wildbienen durch einfache Foto-Uploads automatisch bestimmen zu lassen. Doch wie zuverlässig sind diese Technologien wirklich? Können sie eine präzise, wissenschaftlich fundierte Identifikation garantieren? Die Antwort ist nein – zumindest noch nicht.

Bestimmungsapps zur Identifizierung von Insekten werden immer besser und beliebter. Bild erstellt mit KI (DALL·E), generiert von ChatGPT (OpenAI). Nutzung nur mit Erlaubnis.

Im letzten Artikel ging es um Insektenfallen und warum diese für die Biodiversitätsforschung unverzichtbar sind. In Zeiten der künstlichen Intelligenz stellt sich natürlich die Frage, ob diese das mühselige fangen, präparieren, etikettieren und bestimmen von Insekten überflüssig machen könnte. Schließlich kostet das alles Zeit, Geld und wertvolle Insektenleben. Und es stimmt: Künstliche Intelligenz und automatisierte Bildanalyse kann die Bestimmung vereinfachen und beschleunigen, jedoch stoßen sie besonders bei komplexen Insektengruppen wie Wildbienen an klare Grenzen. Viele Arten sind sich so ähnlich, dass selbst erfahrene Taxonomen sie nur unter dem (Stereo)-Mikroskop anhand von winzigen Unterschieden sicher bestimmen können.

Warum sind KI und Apps bei der Wildbienen-Bestimmung noch unzuverlässig?

🐝 Hohe Artenvielfalt und Ähnlichkeit
Die Familie der Wildbienen (Apidae) umfasst allein in Deutschland über 580 Arten, von denen viele nur durch minimale Unterschiede in Behaarung, Körperbau oder Flügeladern zu unterscheiden sind. Besonders bei den Gattungen Andrena, Lasioglossum oder Hylaeus sind oft winzige Details entscheidend, die eine KI bzw. eine Kamera nur schwer erfassen kann.

🐝 Unzureichende Trainingsdaten für viele Arten
KI-Systeme sind darauf angewiesen, große Mengen an Trainingsdaten zu verarbeiten. Während für weit verbreitete Arten wie die Gehörnte Mauerbiene (Osmia cornuta) oder die Ackerhummel (Bombus pascuorum) bereits zahlreiche Bilder existieren, fehlen für seltene oder schwer fotografierbare Arten oft ausreichend hochwertige Aufnahmen. Ohne diese Daten kann die KI keine zuverlässige Bestimmung liefern.

🐝 Notwendigkeit mikroskopischer Merkmale
Viele Wildbienenarten lassen sich nur durch spezielle anatomische Merkmale unterscheiden – etwa die Struktur der Flügeladern, die Form der Fühler oder sogar Details der Genitalien. Diese Merkmale können von einer Kamera oft nicht erfasst werden, was die Bestimmung über Fotos allein unmöglich macht.

🐝 Beeinflussung durch Umweltfaktoren
Lichtverhältnisse, Schattenwurf, schlechte Bildqualität oder eine ungünstige Perspektive können dazu führen, dass die KI falsche Rückschlüsse zieht. So kann eine dunkle Lichtstimmung oder ein bestimmter Kamerawinkel aus einer Anthophora schnell eine vermeintliche Bombus-Art machen.

Wo können KI und Apps dennoch hilfreich sein?

Für viele Forschungsfragen, z.B. welche und wieviele Arten in einem Gebiet leben, oder ob bestimmte Biodiversitätsmaßnahmen förderlich für Zöönosen sind, kann die Bestimmung per App (noch) nicht für Wildbienen und viele andere Insektenfamilien angewendet werden. Aber wer weiß was die Zukunft bringt?

Trotzdem gibt es Bereiche, in denen künstliche Intelligenz einen echten Mehrwert bietet:

  • Grobe Einordnung bis zur Gattung oder Artengruppe
    KI kann oft zumindest die richtige Gattung oder Artengruppe identifizieren. So kann sie beispielsweise erkennen, ob es sich um eine Hummel, Sandbiene oder Furchenbiene handelt. Für eine exakte Artbestimmung ist jedoch fast immer eine Überprüfung durch einen Experten erforderlich.
  • Citizen Science & Biodiversitätsmonitoring
    Plattformen wie iNaturalist oder Observation.org nutzen KI, um Bürgerwissenschaftler (Citizen Scientists) bei der Identifikation zu unterstützen. Auch wenn die Bestimmungen nicht immer korrekt sind, liefern diese Daten wertvolle Hinweise auf das Vorkommen bestimmter Arten und helfen dabei, langfristige Veränderungen im Wildbienenbestand zu erfassen.

Oft wird auch der Vorteil erwähnt, dass mithilfe der Apps große Mengen an Insektenproben vorselektiert werden können, damit sie anschließend von Experten genauer bestimmt werden können. Das klingt erst mal gut, ist jedoch meiner Meinung in der Praxis nicht praktikabel. Von jedem Individuum muss nämlich für die Bestimmung per App ein Foto gemacht und das Handy bedient werden. Das alles braucht auch viel Zeit und diese sollte besser in eine schnelle Schulung der wissenschaftlichen Mitarbeiter investiert.

Zusammenfassung: KI ist eine wertvolle Hilfe, aber kein Ersatz für Experten

Die Fortschritte in der KI-gestützten Bestimmung sind beeindruckend, doch bei komplexen Artengruppen wie den Wildbienen bleiben sie noch weit von einer fehlerfreien Identifikation entfernt. Künstliche Intelligenz kann also helfen, grobe Einordnungen vorzunehmen aber menschliche Experten sind nach wie vor unverzichtbar, wenn es um eine präzise Bestimmung geht.

Für Wissenschaft, Naturschutz und Biodiversitätsforschung können Bestimmungs-Apps trotzdem eine wertvolle Unterstützung sein – aber nur, wenn ihre Grenzen klar erkannt und ihre Ergebnisse immer kritisch überprüft werden.

Quellen und weiterführende Links:
Observation International: Diese gemeinnützige Stiftung betreibt Plattformen wie Observation.org und die App ObsIdentify, die mithilfe von KI Naturbeobachtungen sammeln und bestimmen.
https://observation-international.org/de/

iNaturalist: Ein soziales Netzwerk und Citizen-Science-Projekt, das durch KI-gestützte Bestimmung und Expertenvalidierung zur Dokumentation der Artenvielfalt beiträgt.
https://www.inaturalist.org/

Wildbienen Id BienABest: Eine App, die die Bestimmung der 100 häufigsten Wildbienenarten Deutschlands ermöglicht.
https://www.bienabest.de/app-wildbienen-id-bienabest

Posted by Juliane Schäffer in Biodiversität, Wildbienen, Wissenschaft, 0 comments

Insektenmonitoring: Warum sind Insektenfallen unverzichtbar?

Insekten sind essenziell für unser Ökosystem – doch um ihren Bestand und Rückgang zu verstehen, müssen sie wissenschaftlich erfasst werden. Auch auf dieser Website werden genadelte Wildbienen und Berichte zu Studien präsentiert, in denen Insekten über Jahre hinweg gesammelt wurden.

Oft hört man dazu leider kritische Stimmen wie:
🗨️ „Kein Wunder, dass es keine Insekten mehr gibt!“
🗨️ „Ihr wollt euch Naturschützer nennen?“

Sicherlich tötet kein Biologe die Tiere gern – doch es gibt wichtige Gründe, warum diese Methode für die Forschung unverzichtbar ist.

Insektenfallen sind unverzichtbar
Genadelte Wildbienen aus einem Insektenmonitoring.


Warum ist Insektenmonitoring wichtig?

Um den Zustand von Insektenpopulationen zu bewerten, sind langfristige Daten erforderlich. Nur so lässt sich herausfinden:

  • Welche Arten leben in einem Gebiet?
  • Wie verändern sich die Bestände über Jahre?
  • Welche Maßnahmen fördern die Biodiversität?

Wissenschaftler kommen also um ein Insektenmonitoring so einfach nicht herum. Das Hauptproblem hierbei: Leider ist es nur bei wenigen Insektenordnungen (z. B. Schmetterlinge) möglich, die Tiere direkt im Feld (lebend) zu bestimmen. Die meisten Insekten zu klein, zu schnell oder zu ähnlich, sodass eine Bestimmung unter dem Stereomikroskop oder mit genetischen Methoden erforderlich ist.

Dies kostet viel Zeit, Geld und macht ein Insektenmonitoring zu einer langwierigen Angelegenheit. Noch dazu gibt es für viele Insektengruppen nur sehr wenige Experten, weshalb es sinnvoll ist, für bestimmte Fragestellungen über Massenfänge simple Gewichtsdaten zu erfassen. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die Krefelder Studie (Hallmann et al., 2017), die den drastischen Rückgang der Insekten in Deutschland dokumentierte – basierend auf Daten aus Malaise-Fallen.

Was sind Malaise-Fallen – und warum sind sie umstritten?

Malaise-Fallen sind zeltartige Konstruktionen aus Insektengitter, die fliegende Insekten in ein Alkoholbehältnis leiten (s. Abbildung). Sie stehen oft in der Kritik, da man mit ihnen ungezielt Insekten abfängt und somit neben den eigentlichen Studienobjekten viel „Beifang“ erhält. Da Malaise-Fallen keine anlockende Eigenschaft haben, sind kritische Aussagen darüber, dass Insektenforscher mit ihnen Naturschutzgebiete „aussaugen“ würden, natürlich falsch.

Eine Malaise-Falle fängt Fluginsekten, die zufällig in die Netze geraten. Foto: User:DKrieger, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Wie viele Insekten fängt eine Malaise-Falle? Der Vergleich mit der Spitzmaus

Die Menge, die durch solch eine Malaise-Falle der Natur entnommen wird, ist vergleichsweise sogar ziemlich gering. Uhler et al. (2022) erfassten in ihrer Vergleichsstudie ~3,05 g Insekten pro Tag, wobei zur Hauptsaison des Insektenfluges Ende Juli und Anfang August am meisten erfasst wurde. Die Fallen befanden sich in Wäldern und auf Wiesen im Steigerwald, im Spessart und im Hunsrück.

Oft hört man, dass eine Malaise-Falle pro Tag „nur so viele Insekten fängt wie eine Spitzmaus frisst“. Stimmt das überhaupt? Obwohl man im Internet dazu schnell viele, aber schwankende Angaben findet, ist eine glaubhafte Quelle nicht so einfach auszumachen. Ein altes Paper von Morrison et al. (1957), in dem mehrere, teilweise sehr alte Daten zusammengefasst wurden, ist genauer: Die 11 g leichte Waldspitzmaus Sorex araneus, die häufigste Spitzmaus Mitteleuropas, frisst 6,8 g Mehlwürmer pro Tag.

Vergleicht man diese Nahrungsmenge mit dem, was eine Malaise-Falle laut Uhler et al. (2022) aus der Natur abfängt, dann frisst die Waldspitzmaus sogar mehr als doppelt so viel Gramm Insekten pro Tag als die Monitoring-Falle. Vermutlich ist Kritikern dieses Verhältnis überhaupt nicht bewusst. Kein Wunder: In der Krefelderstudie wurden 53,54 kg Biomasse gesammelt, was laut den Autoren Millionen von Insekten entspricht (Hallmann et al., 2017). Diese großen Zahlen können schon mal zu Missverständnissen führen. Rechnen wir mal genauer: In den 27 Jahren, in denen das Monitoring stattfand, sind das bei einer Gesamtdauer der Fallenexposition von 16908 Tagen also 3,17 g Insektenbiomasse pro Tag und das verteilt auf durchschnittlich 3,5 verschiedene Standorte pro Jahr (Hallmann et al., 2017). Auch in dieser Studie also wieder viel weniger als eine Waldspitzmaus pro Tag frisst.

Die Insektenfalle als weiterer Räuber

Ganz nüchtern betrachtet handelt es sich bei der Insektenwelt eigentlich um den großen Nahrungstopf der Natur für höher entwickelte Tiere. Spitzmäuse, Igel, Fledermäuse, Vögel, Frösche, Schlangen und Eidechsen bedienen sich alle ausgiebig an der Speisetafel der vielfältigen Insektenwelt. Sofern sie weit genug von einander wegstehen, fällt eine Malaisefalle mehr oder weniger am Tisch gar nicht ins Gewicht.

Aus dem Nachteil einen Vorteil machen

Wie bereits erwähnt, ist ein Nachteil der Insektenfallen jeglicher Bauart im Vergleich zum manuellen Insektenfang immer, dass auch Beifang in die Fallen gerät. Also Insekten, die gar nicht Objekt der Studie sind. Die Wissenschaftler sortieren die Beifänge feinsäuberlich aus, konservieren sie in Alkohol, etikettieren sie und lagern sie ein. Und dann verstauben sie im Keller der Universitäten.

Warum nicht also von der bereits getanen Arbeit profitieren, diese Datensätze untersuchen und dabei auch noch lebende Insekten verschonen?

Obwohl es sich teilweise um hochinteressante Datensätze handelt, findet sich leider kaum ein Wissenschaftler, der diese untersucht. Das große Problem ist dabei die Finanzierung von Doktoranden- und Post-Doc-Stellen. Das Bundesministerium für Forschung und Bildung (BMBF), welches in Deutschland den Großteil der Fördergelder für Forschung vergibt, als auch andere Institutionen wollen bei ihrer Auswahl vor allem eins: Innovation. Das bedeutet, dass man selbst bei Biodiversitätsprojekten lieber auf neue Studien mit neuen Fragestellung setzt, als alte Daten bereits stattgefundener Monitorings tiefgreifender zu untersuchen oder staubige Proben aus dem Keller zu holen. Natürlich ist das verständlich, schließlich muss Deutschland wissenschaftlich und wirtschaftlich mit der ganzen Welt konkurrieren.

Aber wieso nicht aus dem Nachteil des Beifangs einen Vorteil machen und die bereits gesammelten Insekten ebenfalls untersuchen? Man würde sich sicherlich das ein oder andere neue Monitoring sparen Mit den heutigen genetischen Methoden des Meta-Barcodings würde das sogar sehr schnell gehen (einen Artikel dazu ob diese DNA-Analysen demnächst geschulte Taxonomen ersetzen könnten gibt es hier). Taugt der Beifang nicht mehr für weitere Analysen, dann könnten Alkoholpräparate von Insekten in Bestimmungskursen für Studenten verwendet werden.

Mal abgesehen von den Beifangproben existieren außerderm oft riesige Datensätze, die aufgrund der Zeitknappheit von Doktoranden nur teilweise statistisch ausgewertet werden können. Man könnte also die ein oder andere Fragestellung beanworten und die Grundlagenforschung in der Entomologie voran bringen, wenn Gelder auch für die weitere Analyse bereits stattgefundener Studien zur Verfügung stehen würden.

Zusammenfassung: Insektenmonitoring mit Insektenfallen ist richtig und wichtig.

Nur so lässt sich der Insektenbestand bewerten und nur so lassen sich geeignete Methoden entwickeln um besonders gefährdete Arten gezielter fördern zu können. Die Insektenfallen entnehmen nur eine sehr geringe Menge aus der Natur und haben keinen Einfluss auf die Biozönose eines Gebietes. Schade nur, dass sich wissenschaftlich nicht mehr mit dem Beifang beschäftigt wird.

Halt Moment! Was ist denn mit Bestimmungs-Apps? Können die nicht helfen Insektenmonitoring mit tödlichen Fallen zu minimieren?

Ob künstliche Intelligenz helfen kann, erfährst du im nächsten Beitrag.

Und was ist mit dem gezielten Einsatz von Farbschalen um Beifang beim Wildbienenmonitoring zu reduzieren?

Ein guter Einwand! Dieser Artikel ist gerade in Bearbeitung.

Quellen:

Hallmann, C.A., Sorg, M., Jongejans, E., Siepel, H., Hofland, N., Schwan, H. et al. (2017) More than 75 percent decline over 27 years in total flying insect biomass in protected areas. PLoS One, 12(10), e0185809. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0185809

Morrison, P. R., Pierce, M., Ryser, F. A. (1957) Food Consumption and Body Weight in the Masked and Short-Tail Shrews. The American Midland Naturalist, 57(2), 493–501. https://doi.org/10.2307/2422414

Uhler, J., Haase, P., Hoffmann, L., Hothorn, T., Schmidl, J., Stoll, S. et al. (2022) A comparison of different Malaise trap types. Insect Conservation and Diversity, 15(6), 666–672. Available from: https://doi.org/10.1111/icad.12604

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