Projektproposal

Walter Wettstein
 

Einleitung

Der Wachtelkönig ist ein äusserst heimlicher Brutvogel von langgrasigen, extensiv genutzten Wiesen. Er verrät seine Anwesenheit einzig durch seinen unverkennbaren und ausschliesslich nachts vorgetragenen Ruf, welcher bis zu einem Kilometer weit gehört werden kann und früher zum typischen Charakter ländlicher Sommernächte gehörte. Durch die Intensivierung der Landwirtschaft in diesem Jahrhundert kam es jedoch in seinem gesamten Verbreitungsgebiet zu dramatischen Bestandesrückgängen. Nachdem unter der Leitung von BirdLife International weltweit intensive Schutzbemühungen starteten, scheinen sich die Bestände in einigen Ländern wieder zu erholen.

Ein ganz zentraler Punkt für die Planung, Koordination und Evaluation effizienter Schutzbemühungen ist bis heute aber weitgehend unerforscht geblieben: Die Ausbreitungsmuster und Wanderbewegungen dieses Langstreckenziehers, welcher dafür bekannt ist, dass er auch innerhalb einer Brutsaison sehr mobil ist. Dabei wären genau solche Informationen aus Naturschutzsicht von grosser Bedeutung, um in internationalem Rahmen Prioritäten für Schutzmassnahmen zu setzen und diese zeitlich und räumlich zu koordinieren. Auch die Evaluation der Schutzarbeit ist bisher schwierig. Beispielsweise ist nicht bekannt, ob die eingangs erwähnten erfreulichen Bestandesentwicklungen wirklich auf die Schutzmassnahmen zurückzuführen sind oder eher eine Folge von Einwanderung aus Osteuropa darstellen, wo die Umstrukturierungen in der dortigen Landwirtschaft zu Populationszuwachs führte. Zusätzlich wären mit genauerem Wissen über die Ausbreitungsmuster Voraussagen möglich über die Möglichkeiten einer Wiederbesiedlung momentan unbesetzter Gebiete, welche aber an sich optimale Lebensräume bieten.

Aus bisherigen Forschungsarbeiten wurden diese grossräumigen Aspekte weitgehend ausgeklammert, da es aufgrund der äusserst heimlichen Lebensweise dieser Vögel beinahe unmöglich ist, Ortswechsel über eine grössere Distanz direkt zu verfolgen. Weder das traditionelle Beringen noch die Telemetrie konnten bisher zusätzlich Aufschluss geben. Dank modernen technischen Methoden können diese Fragen des räumlichen Verhaltens nun aber auf indirekte Weise aufgeklärt werden, was wir mit dieser Studie auf gesamteuropäischer Ebene erreichen wollen. Die neuen Methoden machen sich die genetischen und chemischen Informationen zunutze, welche in den Federn der Vögel gespeichert sind.
 

Analyse der Populationsstruktur mit genetischen Methoden:
Aus Zellen und Blutspuren an den Wurzeln von Federn kann DNA isoliert und Teile davon vervielfältigt werden. Mit Hilfe von Mikrosatelliten aus der nukleären DNA und der Kontrollregion der mitochondrialen DNA (mtDNA) ist es möglich, das Genom der Individuen so zu charakterisieren, dass die Aufteilung in einzelne Populationen erkennbar wird, deren Differenzierung zwischeneinander quantifiziert sowie Intensität und Richtung des Genflusses zwischen den Subpopulationen abgeschätzt werden kann. Dadurch wird es auch möglich, die Herkunft von neu in ein Gebiet wie beispielsweise das Unterengadin einwandernden Individuen genauer zu bezeichnen.
Analyse von Schwermetallrückständen in Federn:
Über die Nahrung nehmen die Vögel verschiedene Schwermetalle und andere Spurenelemente auf und reichern sie in ihrem Organismus an. Die Vögel können diese Stoffe dann wieder aus dem Körper ausscheiden, indem sie in die Federn eingelagert werden. Je nach den Umweltbelastungen einer Region kommt es dabei zu ortstypischen Mustern, welche für Zugvögel noch zusätzlich durch ihre Winterquartiere beeinflusst sind. Dadurch kann nicht nur die Ortstreue der Vögel einer gewissen Region abgeschätzt werden, es ist auch möglich, unterschiedliche Wanderverhalten festzustellen. Auch die Auswirkungen von Umweltkatastrophen wie beispielsweise die gravierenden Schwermetallverschmutzungen in den Auengebieten der Theiss im Frühjahr 2000 können so verfolgt werden.
 

In der vorliegenden Studie wollen wir erstmals diese zwei Methoden miteinander kombinieren, um eine optimale Informationsausnützung zu erreichen. Die Resultate aus den zwei Teilbereichen werden sich gegenseitig ergänzen, indem Unklarheiten aus der einen Methode durch Erkenntnisse aus der anderen erklärt werden können. Damit wird dieses Forschungsprojekt einerseits allgemeine evolutionsbiologische Aussagen auf einer breiten zeitlichen und räumlichen Skala ermöglichen sowie andererseits eine wissenschaftlich fundierte Entscheidungsgrundlage für die Evaluation und Weiterentwicklung der internationalen Schutzbemühungen liefern. Der Schweiz kommt im Wachtelkönigschutz eine wesentliche Verantwortung für den Schutz der kleinen Populationen in den Alpen und die Vernetzung der Bestände zwischen Ost und West zu. Mit dieser Studie können die dazu nötigen Grundlagen erarbeitet werden. Die Erkenntnisse werden dank der gesamteuropäischen Zusammenarbeit grenzübergreifend von Bedeutung sein. Durch die breite internationale Abstützung des Projektes und die Mithilfe der vielen über ganz Europa verteilten Spezialisten der 'Corncrake Specialist Group' sind nämlich auch die Voraussetzungen für eine praktische Umsetzung der Resultate im internationalen Umfeld optimal.
 

Persönliche Erfahrungen, bestehende Grundlagen und Kontakte

Walter Wettstein hat in seiner Diplomarbeit am Institut für Umweltwissenschaften bei Professor Bernhard Schmid über die Erhaltung der Insektenvielfalt in voralpinen Flachmooren die theoretischen Grundlagen von Populationsdynamik in fragmentierten Populationen und deren Zusammenhang mit dem Naturschutz kennengelernt und dabei wichtige neue Aspekte aufgezeigt. Seit 1997 arbeitet er als Geschäftsführer des Vereins Pro Theiss regelmässig in Ungarn, wo er für den Ungarischen Vogelschutz die Grundlagen für ein langfristiges Wachtelkönig-Monitoring erarbeitete. Seine Methoden werden seither in ganz Ungarn standardisiert angewendet. Seine eigenen Feldarbeiten mit dieser Art führten zur Ausscheidung der zweitgrössten 'Important Bird Area' (IBA) Ungarns und die Daten lieferten wichtige Informationen für die Planung von grossflächigen Schutzgebietserweiterungen im östlichsten Kommitat Ungarns.

Er ist ein erfahrener Feldornithologe und vertraut mit allen Aspekten der Wachtelkönigforschung. Seine lückenlosen Daten aus Ostungarn von 1997 – 2000, welche auch bereits international publiziert werden, bilden eine ideale Grundlage für die geplanten Forschungsarbeiten auf regionalem Niveau und geben Gewähr für eine sachgemässe Durchführung der weiteren Forschung. Mit der Erlaubnis der Nationalparkverwaltung des Aggtelek Nationalparks hat er im Sommer 2000 Blutproben von sechs Wachtelkönigen gesammelt, mit welchen am Institut für Umweltwissenschaften bereits die sehr aufwändige Entwicklung der Mikrosatelliten für die genetischen Analysen durchgeführt und damit die wichtigste technische Hürde für die vorliegende Untersuchung überwunden wurde. Auch für die geplanten genetischen Analysen kann die grosse naturschutzbiologische Erfahrung und modernste Einrichtung des IfU-Labors genutzt werden, was eine reibungslose Abwicklung der Analysen verspricht.

Die Analysen der Spurenelemente in den Federn können im modernen Labor der pädagogischen Hochschule in Nyíregyháza durchgeführt werden, welches bereits umfangreiche Erfahrung mit dieser Methode hat und sich auch in der wissenschaftlichen Analyse der Schwermetallschäden im Frühling 2000 verdient gemacht hat. Neben den geplanten Analysen der Wachtelkönigfedern laufen dort auch Untersuchungen über die ebenfalls betroffenen Uferschwalben und Eisvögel.

Die bereits erwähnte 'Corncrake Specialist Group' mit über hundert ausgewiesenen Fachleuten aus ganz Europa unter der Leitung von Dr. Norbert Schäffer der RSPB in England wird bei der europaweiten Sammlung der Federn aus den verschiedenen Populationen federführend sein.
 

Detaillierter Forschungsplan

Die konkreten Ziele dieser Studie lassen sich wie folgt beschreiben:

Messung der genetischen Differenzierung zwischen den Populationen der Wachtelkönige auf europäischem Niveau sowie Ermittlung von Richtung und Intensität des Genflusses zwischen diesen Populationen mit Hilfe von Mikrosatelliten und mtDNA. Im Vergleich zwischen den beiden genetischen Methoden nach Unterschieden im Ausbreitungsverhalten zwischen Männchen und Weibchen suchen.

Analyse der Ortstreue und des Wanderverhaltens dieser Populationen unter Zuhilfenahme der Mengenverhältnisse von Spurenelementen in den Federn.

Auf regionaler Ebene soll die Analyse der Schwermetallrückstände in den Federn Aufschluss über die Auswirkungen der Schwermetallverschmutzung der Theiss liefern.

Die Gegenüberstellung der Erkenntnisse aus den einzelnen Teilstudien soll zu einem umfassenden Verständnis des räumlichen Verhaltens der europäischen Wachtelkönige führen und die Definition von Regeln für die Prioritätensetzung im Wachtelkönigschutz ermöglichen.

Entsprechend dieser Ziele teilen wir das Projekt in zwei Teilstudien:
 
 

Teilstudie 1: Federn und genetische Analysen

Im ersten Teil soll aus verschiedenen Regionen Europas Federn von Wachtelkönigen gesammelt werden, von welchen aus der Wurzel die DNA gewonnen werden kann. Dies gibt Aufschluss über die verschiedenen Aspekte der Populationsstruktur dieser Art.

Zur Probennahme ist folgendes Konzept vorgesehen:

Mit der Hilfe der Mitglieder der Corncrake Specialist Group werden wir aus mindestens acht Regionen Europas Federn von wenn immer möglich 30 Individuen pro Region sammeln. Dabei werden die rufenden Männchen durch Abspielen des typischen Rufs von einem Tonband angelockt und dann mit einem Netz oder sogar von Hand gefangen. Es werden zwei Armschwingen und einige graue  Kopffedern ausgezupft (dies verursacht dem Vogel keinerlei nachweisbare Probleme und bei der bald folgenden Mauser wachsen sie wieder nach) und die Vögel können gleich darauf wieder freigelassen werden. Kurz darauf beginnen die Männchen wieder mit ihren normalen Rufserien. Die benötigte Anzahl Federn kann in einer geeigneten Region von einer einzelnen Person in 10 Nächten gesammelt werden. Für die geographische Verteilung streben wir eine Bearbeitung in folgenden Zentren der Wachtelkönigverbreitung an: Russland, Ukraine, Polen/Tschechien, Ostungarn (durch die Karpaten von den vorhergehenden Gebieten getrennt), Enztal, Trentino und Unterengadin (Bergpopulationen), Deutschland oder Skandinavien, Frankreich, Schottland. Dies beinhaltet einen Ost / West-Gradienten ebenso wie einen Nord / Süd-Gradienten. Natürlich können auch weitere Gebiete bearbeitet werden.

Aus den Federwurzeln wird die DNA extrahiert und daraus für die vorhandenen Mikrosatelliten-Loci die Allelfrequenz, die durchschnittliche Allelnummer sowie erwartete und beobachtete Heterozygotie gemessen. Damit kann daraufhin das Ausmass der Differenzierung zwischen den einzelnen Populationen sowie das Ausmass des Genflusses berechnet und in Beziehung zu geographischen Aspekten wie Distanz oder dazwischenliegenden Barrieren gesetzt werden. Populationen mit überdurchschnittlich hoher mittlerer Austauschrate mit den anderen Populationen können als sogenannte Überschuss- oder Quellpopulationen angesehen werden. Mit dem Zuordnungstest kann für einzelne Individuen herausgefunden werden, von welcher Population das Individuum am wahrscheinlichsten herstammt. Durch das feiner aufgegliederte Sammeln in Ostungarn wird sich sogar zeigen, ob auch auf kleinem Raum Differenzierungen nachgwiesen werden können und ob sich die unterschiedlichen Lebensraumbedingungen auch in Unterschieden im Genom spiegeln.

Ähnliche Fragen können auch mit der mitochondrialen DNA bearbeitet werden, wobei hier nicht Allelfrequenzen miteinander verglichen werden, sondern geprüft wird, wie stark sich die Sequenz der sogenannten Kontrollregion unterscheidet. Die Eigenheiten der mitochondrialen DNA sind, dass keine Rekombination auftritt (was beispielsweise eine geschichtliche Rekonstruktion der Phylogenie ermöglicht) und dass sie nur über die Mutter vererbt wird. Ein grosses Problem in der Erforschung der Wachtelkönige ist, dass normalerweise nur Männchen gefangen werden, da nur sie auf das Tonband reagieren und sich dem vermeintlichen Rivalen nähern. Um zu testen, ob das Ausbreitungsverhalten bei Männchen und Weibchen unterschiedlich sein könnte, kann man sich die Unterschiede in der Vererbung der mitochondrialen DNA und der nukleären DNA zunutze machen. Durch einen Zusatzaufwand mit Fallen oder beim regulären Mähen um die Brutplätze können auch Weibchen (oder Jungtiere) gefangen werden. Wenn sich beim Vergleich der nur über die Mutter vererbten mtDNA bei Männchen und Weibchen andere Muster zeigen als bei den Analysen mit der über beide Eltern vererbten nukleären Mikrosatelliten, dann wäre das ein starker Hinweis auf unterschiedliche Ausbreitungsstrategien. Wo auch Weibchen oder Jungtiere gefangen werden können, wollen wir diese Vergleiche durchführen.

Diese Teilstudie wird zu einer bis zwei Publikationen führen.
 

Teilstudie 2: Federn und Spurenelemente

Mit den für die DNA-Analyse gesammelten Federn haben wir gleichzeitig auch das benötigte Material für die Spurenelementanalyse, da für die Gewinnung der DNA nur die Federwurzel benötigt wird und die Fahnen anderweitig genutzt werden können.

Die Fahnen werden nach Standardprozeduren gewaschen und dann aufgelöst. Die Konzentrationen von insgesamt 15 Spurenelementen können mit zwei Spektrometern (ICP-ASE und GF-AAF) gemessen werden. Basierend auf dieser Datenmatrix kann die Ähnlichkeit innerhalb und der Differenzierungsgrad zwischen den unterschiedlichen Populationen mittels 'Principal Component Analysis' ermittelt werden, was Rückschlüsse über das Ausmass der Ortstreue oder der Durchmischung der Vögel zwischen verschiedenen Populationen in kurzen Zeiträumen von einer Generation zulässt.

Da wir von jedem Vogel je eine Armschwinge (welche nur in Herbst im Brutgebiet gemausert werden) und eine graue Kopffeder (welche auch noch im Überwinterungsgebiet gemausert werden) sammeln, besteht die Möglichkeit, durch Vergleich der beiden Typen Auskunft zu erhalten über die Geschwindigkeit, mit der die Elemente in die Federn eingelagert werden, respektive wie fein die Muster zeitlich aufgelöst sind. Falls Unterschiede zwischen den zwei Federtypen bestehen, ist auch eine Beurteilung des Wanderverhaltens sehr differenziert möglich.

Unter der Voraussetzung, dass zumindest ein Teil der Vögel wieder in ihr vorjähriges Brutgebiet zurückkehren, wird die Schwermetallanalyse dank den Proben aus Ostungarn auch interessante Aufschlüsse über die langfristigen Auswirkung der Schwermetallverschmutzung der Theiss im Frühjahr 2000 liefern. Denn das Gebiet des Bodrogzug ist direkt von der Verschmutzung betroffen, da das Hochwasser die schwermetallhaltigen Sedimente über die ganze Ebene verteilt hat. Die Folgen könnten sich speziell stark auf den Wachtelkönig auswirken, frisst er doch hauptsächlich Lebewesen vom und aus dem Boden, welche also auch lange nach der Verschmutzung noch direkt mit den verschmutzten Sedimenten im Kontakt sind und die problematischen Elemente daher in ihren Organismus aufnehmen können. Da der Wachtelkönig in der Nahrungskette weit oben steht, reichern sich die Metalle mit der Zeit an, womit die Toleranzwerte viel eher überschritten werden, was sich in den Federn wiederspiegeln würde. Die anderen zwei Regionen Aggtelek und Szatmár-Bereg waren jedoch nicht betroffen und können als Kontrolle dienen.

Auch dieser Studienteil wird eine oder zwei Publikationen ermöglichen.