Forschung

Biodiversität

Ökologie

Blutströpfchenschmetterlinge als Modellorganismen für Insekten mit komplexer jahresperiodischer Entwicklung: Innerhalb einer engen Verwandtschaftsgruppe liefert der Blutströpfchen­schmetterling Zygaena trifolii (Esper, 1783) neue und orginäre Ein­sichten über die Variabilität der Steuerung von Lebenszyklen bei Insekten. Variable Intensität, Dauer und Stadium sowie Repetition der hormonal kontrollierten Diapausereaktion bei Larven von Zygaena sind vielfältige Reaktionsmöglichkeiten für die jahreszeitliche Einpassung des Lebenszyklus in die Umweltbedingungen in Extrembiotopen und ermöglichen eine Entwicklungs­unterbrechung bei Phasen mit ungünstigen Wachstums- und Reproduktionsaussichten. Mitteleuro­päische Stämme verteilen das Fortpflanzungsrisiko einer Jahrgangskohorte durch Modulation ihrer Ruhephasen auf mehrere Jahre. Die Vererblichkeit des Merkmals "Entwicklungsdauer" wurde mit Hilfe der Eltern-Nachkommen-Regression getestet. Die Dauer der Larvalentwicklung von Nachkommen assortativ verpaarter Eltern und der Eltern selbst weist eine genetisch signifikante Varianz auf, die durch Versuche mit Inzuchtserien mit disruptiver Auslese der sich rasch entwickelnden, aber zunächst selten auftretenden L4-Diapauselarven bestätigt wird. Gleichzeitig wird jedoch deutlich, daß schon in größeren Familien soviel Varianz in der Entwicklungsdauer vorhanden ist, daß zumindest einige der Nachkommen einzelner Weibchen einer Jahrgangskohorte auch unter unvorhersagbaren Umweltbedingungen Überlebenschancen haben. Die Ergebnisse zeigen, daß sowohl umweltbedingte individuelle Flexibilität (Polyphänismus) als auch Vererbbarkeit adaptiver Merkmale (genetischer Polymorphis­mus) die Voraussetzung für langfristige Anpassungen der Zygaena-Arten bilden und das Überleben der Gesamt­populatuion auch unter unzuverlässig fluktuierenden Klimabedingungen garantieren.
Dies führt einerseits zu interessanten Anpassungskompromissen (trade - off) bei wesentlichen Le­benszykluskomponenten, wenn die Umweltsignale nicht zuverlässig für zukünftige Entwicklungs­optionen sind. Andererseits ist die genetische Analyse einer möglichen Vererblichkeit der wohl wich­tigsten, bisher aber nur selten untersuchten Lebenszykluskomponente "intra- und inter­spezifische Variabilität der Diapause" eine Voraussetzuung, um Hin­weise auf die Schlüssel- und Schaltstellen im Entwicklungszyklus einer Insektenart zu finden. Die Vererblichkeit der Merkmale "Diapause" und "Entwicklungsgeschwindigkeit" ist bisher in dieser Vollständigkeit und Kompaktheit bei kaum einer anderen Art untersucht worden. Die Untersuchun­gen wurden durch energetische Fragen zur Diapausedauer und parasitäre Randbedingungen ergänzt.

Insekten - alpine Lebensräume: Wirtswahl und Fressverhalten herbivorer Insekten einerseits sowie in der alpin- subnivalen Stufe tages- und jahreszeitlich nur beschränkt zur Verfügung stehende günstige Bedingungen für Wachstum, Entwicklung und Reproduktion versprechen interessante ökophysiologische Anpassungsleistungen. Bei der Schmetterlingsart Zygaena exulans kann die Entwicklungsdauer innerhalb einer Nachkommenschaft zwischen mehreren Jahren variieren, weil sich ein Teil der Larven erst nach fakultativ mehrmaliger Überwinterung zur Imago entwickelt. Die Verteilung der Nachkommenschaft auf mehrere Jahre wird als "spreading of risk" interpretiert, weil im alpinen Sommer die Bedingungen für Wachstum und Reproduktion der wärmeliebenden, tagaktiven Imagines möglicherweise ungünstig sind. Im Beispiel von Z. exulans sind weite larvale Futterpflanzenspektren (Lotus alpinus, Rhododendron ferrugineum, Salix glaucorsericea, S. retusa und ihre Hybriden) sowie tageszeitliches Sonnverhalten von Larven und Imagines weitere Voraussetzungen für ein Vorkommen in der alpin- subnivalen Stufe.

Statt Landschaft Stadtlandschaft; Kölns Tierleben: (Wirbellosen-Fauna der Großstadt Köln)
In Köln ist ein breites Spektrum von 49 Wirbellosengruppen (Insekten, Spinnen und Mollusken) unter Beteiligung von 51 Wissenschaft­lern unter­sucht worden. Betrachtet man Biodiversität als Artenreichtum, dann ist Köln mit mehr als 5500 Tierarten die zur Zeit bestunter­suchte und artenreichste Großstadt. Die Bewertung der unter­suchten Stadt­biotope stützt sich dabei nicht allein auf die zahlreich nachgewiesenen "Rote-Liste"-Arten, die für die Wissenschaft neu entdeckten Tierarten oder den Umfang des Artenspektrums. In aktuellen Untersuchungen erweisen sich Laufkäfer (Carabidae) als geeignete Instrumente, wenn wichtige Lebenszyklus-Kom­ponenten bei inner­städtischen Populationen mit solchen aus naturnahen Habitaten am Stadtrand verglichen werden sollen, um Biotop­inseln in der Innenstadt als "Quellstrukturen" für die Überlebensfähig­keit von Tierarten zu beurteilen und zum Ziel von (Natur‑)Schutzbemühungen in den flächenhaft immer stärker expandierenden Stadtlandschaften zu machen.

Neozoen und Biodiversität: positive versus negative Wirkung: Neozoen sind gebietsfremde Tierarten, die in ein neues Faunengebiet eingeschleppt oder dort freigesetzt wurden. Untersuchungen am Beispielobjekt Roßkastanienminiermotte (Cameraria ohridella, Gracillaridae). Seit 1998 kommt diese aus Mazedonien stammende Miniermotte in Städten im Rheinland epidemisch vor. Der Blattminenfraß der Raupen führt zur Zerstörung der Blattflächen und vorzeitigem Blattabwurf. Natürliche Antagonisten scheinen die Populationsgröße der Motte noch kaum zu beeinflussen. Dichte­unabhängige Mor­talitätsfaktoren, die beispielweise für die Winterabgänge der in einem umweltresistenten Puppen­stadium überwinternden Motte verantwortlich sind, fanden bisher wenig Beachtung. Wir untersuchen die jahreszeitliche Abfolge möglicher Schaltstellen innerhalb der Lebenszyklusstrategie, wo in Fein­abstimmung mit den Um­weltsignalen die zeitliche Koinzidenz zwischen günstigen Bedingungen für Wachstum, Entwicklung und Reproduktion und den be­treffenden Entwicklungsstadien hergestellt wird. Die erwarteten Ergebnisse könnten helfen später nachhaltige, bestandsreduzierende und umweltschonende Bekämpfungsmaßnahmen effizeient und "just in time" anstelle von Insektiziden einzusetzen.

Fühlinger See und Escher See -Zwei Sport- und Naherholungsgebiete im Spannungsfeld zwischen naturverträglicher Gestaltung und intensiver Nutzung- untersucht am Beispiel von Libellen (Bearbeiter T. Steinke): Libellen sind durch die Bundesartenschutzverordnung geschützt, viele Arten sind in Nordrehin-Westfalen auf der "Roten Liste bestandsgefährdeter Tierarten aufgeführt. Die Ökologie vieler Libellen ist gut bekannt und die meisten Arten sind gut im Gelände zu identifizieren. Deshalb werden Libellen als Biodeskriptoren in der ökologischen Begutachtung regelmäßig benutzt. Aus dem Vorhandensein (oder Fehlen) bestimmter Arten kann auf die Umweltqualität des Lebensraums -hier Fühlinger und Escher See- geschlossen werden.
Die laufenden Untersuchungen erstrecken sich nicht nur auf das Artenspektrum und die Populationsdichten der einzelnen Arten. Die Untersuchungen sollen vielmehr zum einen den Erfolg der bisherigen Renaturierungsmaßnahmen anhand einer semiaquatischen Insektengruppe -den Libellen- messen und zum anderen durch ergänzende Vorschläge auch der weiteren Verbesserung der Umweltqualität dieser Sport- und Freizeitseen in Bezug auf eine nachhaltige Entwicklung dienen. Die Ergebnisse könnten Modellcharakter für ähnliche stadtnahe Seen haben, die im Spannungsfeld zwischen Natur sowie Sport und Freizeit stehen.

Molekulare Biogeographie         (Kooperation mit der Universität Trier, Projektleitung Prof. Dr. Th. Schmidt und dem Musée national d'histoire naturelle du Luxembourg, Dr. M. Meyer)

Die Verbreitung von Tier- und Pflanzenarten variiert in Raum und Zeit. In der Biogeographie kann die  zeitliche Dimension eines Verbreitungsgebietes durch die genetische Analyse von Populationen untersucht werden. Die genetischen Informationen der Chromosomen oder der Mitochondrien werden dazu bestimmt. Durch nicht zufällige Verteilung genetischer Informationen können Rückschlüsse auf die Arealdynamik und die Arealkerne von Arten gezogen werden, insbesondere wenn es sich dabei um heute isoliert lebende Arten mit mediterraner oder borealer Herkunft handelt, die im Rheinland die Nordwestgrenze ihrer Verbreitung erreichen.

Die Trierer Biogeographie arbeitet mit Modellorganismen wie der im Naturschutz hochbewerteten Fauna-Flora-Habitat Schmetterlingsart Lycaena helle Art intensiv in diesem molekularen Forschungsfeld und untersucht sowohl DNA- wie auch Enzym-Polymorphismen, wobei Sequenzierung von Organellen- und Kern-DNA, Mikrosatelliten-Analysen, DNA-Fragmentlängen- und Allozym-Polymorphismen zu den eingesetzten Methoden gehören. 

Didaktik

In dem Lehramtsmodul Animal Field Ecology wird ein mehrtägiges Ökologisches Alpenpraktikum mit vorbereitend- begleitendem Seminar durchgeführt.

Das Modul beinhaltet Bildungsziele des Fachunterrichts und gibt einen ersten Einblick in fachdidaktische Unterrichtsansätze. Es verbindet Lehren und Lernen sowie das fachbezogene Reflektieren und Kommunizieren und bringt die entsprechenden Kenntnisse und Fähigkeiten anhand schulrelevanter Inhalte (z.B. bei späteren Freilandstudien während eines Schullandheimaufenthaltes) zur Anwendung. Das Modul vermittelt die theoretischen Kenntnisse und praktischen Fähigkeiten zur Planung, Durchführung und Analyse von Biologieunterricht an außerschulischen Lernorten.

Im Detail: In den Alpen finden sich grössere naturnahe Lebensräume. Im Rahmen des Alpenpraktikums lassen sich an solchen außerschulischen Lernorten konzentriert ganz allgemein ein intensives Naturerlebnis demonstrieren wie auch das Interesse an Tieren und Pflanzen wecken. Der wissenschaftsorientierte Fachunterricht steht im Vordergrund. Mit dem Vermitteln von Artenkenntnissen kann den Studierenden verdeutlicht werden, wozu solche Kenntnisse nötig sind und wie man zu Artenkenntnissen gelangt ((z.B. Entdecken der Artenfülle auf einer insektenreichen (Berg)-Blumenwiese, arbeiten mit wissenschaftlichen Texten, Bestimmungswerken und Feldbüchern, Unterschiede finden zwischen Wissenschafts- und Umgangssprache… )). Das Expertenwissen von zukünftigen Lehrern kann von den taxonomischen Kenntnissen, die vielleicht für die Gestaltung späterer Unterrichtseinheiten interessant sind (Vergleich von Mundwerkzeugen bei Insekten)  hin zu den Lebensgemeinschaften (Artengemeinschaften und Biozönosen der verschiedenen Höhenstufen und Vegetationszonen in den Gebirgen) geführt werden. Durch die Vielfalt des Gebotenen ist die Motivation der Studierenden immer gegeben. Die Übertragung von Fachmethoden auf Schulversuche wird erprobt (Kartierungen,  Abundanzbestimmungen mittels Fang-/Wiederfangmethoden) und das allgemeine Interesse an Natur- und Umweltschutzfragen gestärkt. Zur Leistungsmessung wird von den Studierenden ein Poster erstellt. Kurze biologische Texte fassen das Wesentliche der Beobachtungen plakativ und verständlich auf dem Poster zusammen. Dabei müssen sich die einzelnen Arbeitsgruppen der Studierenden um den begrenzten Platz auf dem Poster auseinandersetzen und miteinander kooperieren. Der Umgang mit PC-Systemen (Excel für statistische Auswertungen, Word und Powerpoint für die Präsentation wird vertieft.