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Neun Gigabyte für einen Wurm: Forscher untersuchen Regenwürmer erstmals im Mikro-Computertomograph

03.06.2014

Sie fördern die Bodenbildung und deren Fruchtbarkeit und tragen zum Erhalt der Bodenfunktion bei. Regenwürmer (Lumbricidae) sind wahre Ökosystem-Dienstleister und damit auch Nützlinge für die Landwirtschaft. Für die Wissenschaft stellen die wirbellosen Weichtiere jedoch einen schwierigen Forschungsgegenstand dar, weshalb über die genaue Zahl der Arten nur Schätzungen existieren.

Der Regenwurm als Forschungsobjekt


Das neue Verfahren ermöglicht auch die dreidimensionale Darstellung von Regenwürmern. (Bildquelle: © Alexander Ziegler/ Biosolutions)

Regenwürmer sind besonders schwierige Forschungsobjekte. Die Schwierigkeit besteht vor allem darin, einen Regenwurm aufgrund seines sehr weichen Körperbaus eindeutig zu klassifizieren und zuzuordnen. Trotz des technologischen Fortschritts müssen Wissenschaftler nach wie vor größtenteils auf die Methode der klassischen Sezierung bzw. Regenwurmdissektion zurückgreifen. Deren größte Nachteile sind, dass der Regenwurm dabei getötet wird. Nicht nur traurig für den Wurm sondern es gehen dadurch auch wichtige Informationen über den Lebenszyklus eines Wurms verloren. Forscher haben nun zum ersten Mal eine neue zerstörungsfreie (nichtinvasive) Methode verwendet, um den inneren und den äußeren Körperbau eines alten Bekannten zu untersuchen.

Untersuchung im Mikro-Computertomograph (µCT)

"DieHauptstoßrichtung unserer Studie war es, zu ermitteln, ob sich der technische Ansatz (µCT + Weichteilkontrastierung) zur Darstellung von inneren Strukturen eignen würde. Insbesondere interessierten uns all diejenigen Strukturen, die für die Artidentifizierung von Relevanz sind. Dieser Nachweis ist uns - denke ich - geglückt", fasst Alexander Ziegler, Koautor der Studie, zusammen. Ein Mikro-Computertomograph ist in der Lage, das Innenleben sehr weicher, fragiler oder poröser Objekte im Mikrometer Bereich mittels Röntgenstrahlen zu untersuchen und hochauflösende digitale Bilder und Videos in 2D und 3D zu erzeugen, ohne das Objekt zu zerstören. Um die unterschiedlichen Gewebearten, Segmente und Organe hervorzuheben, wird zusätzlich ein Kontrastmittel verwendet. Die Forscher testeten das Verfahren an zwei Regenwurmarten (Aporrectodea caliginosa und Aporrectodea trapezoides) jeweils mit frisch hergestellten Präparaten als auch nach jahrzehntelanger Konservierung.

Neue Erkenntnisse für die Wurmforschung gewinnen

Durch die Analyse im Mikro-Computertomograph sind Wissenschaftler nun in der Lage, Forschungsmaterial über Regenwürmer in einer besseren Qualität, in einem größeren Umfang und mit einem geringeren Zeitaufwand teils automatisiert zu sammeln (Hochdurchsatzverfahren). Wie bereits erwähnt, können auf diese Weise die Regenwurmarten besser bestimmt und unterschieden werden und somit die Biodiversität der Regenwürmer erforscht werden. "Meine Kollegen und ich sind der Ansicht, dass sich mit diesen Datensätzen auch weitere wissenschaftliche Fragen beantworten liessen. Man könnte sich beispielsweise nun die genaue Verteilung des Sediments in Regenwürmern in situ (also im intakten Tier) ansehen und daraus Erkenntnisse zur Sedimentaufbereitung in verschiedenen Regenwurmarten gewinnen", ergänzt Ziegler. Nicht zuletzt sind die digitalen Aufnahmen besser für die computergestützte Auswertung und Verarbeitung geeignet als herkömmliche Präparate und könnten zum Beispiel im Museum zu Anschauungszwecken genutzt werden, wie der Forscher erklärt.

Ein weiterer Vorteil ist die Speicherung im Online-Archiv, der GigaScience Database, wo sich das Forschungsmaterial im Gesamtpaket herunterladen lässt. Gleichzeitig kann die Datenbank stetig erweitert werden. Die Forscher sehen in dem neuen Verfahren eine wichtige Grundlage für das Aufbauen einer weltweiten wissenschaftlichen Online-Datenbank für den Nützling Regenwurm sowie die teilweise automatisierte Auswertung.

Der Scan eines Regenwurms beansprucht neun Gigabyte Speicherplatz

Im Rahmen eines Scans im Mikro-Computertomograph wurden zuerst 960 Einzelaufnahmen mit einer Auflösung von 2240x2240 Pixel gemacht, die anschließend in ein dreidimensionales Bild umgewandelt wurden. Während das Ausgangsmaterial rund 9 Gigabyte pro Regenwurm betrug, waren für die Speicherung der dreidimensionalen Bilder nur noch rund 600 MB nötig. Für die Forscher standen dabei zwei Kriterien im Vordergrund, nämlich dass der Regenwurm vollständig gescannt wird und dass die Aufnahmen frei von Artefakten sind. Artefakte sind unerwünschte Bildfehler oder Unschärfen, die bei der Bearbeitung und Komprimierung von digitalen Bildern entstehen.

Regenwürmer und die Landwirtschaft

Regenwürmer sind von enormer Bedeutung für die Natur und die Landwirtschaft, weil sie zum Beispiel an der Humusbildung beteiligt sind und den Erdboden auflockern. Die Forscher sind daher zuversichtlich, dass die neue Methode nicht nur einen wichtigen Beitrag für die Regenwurm-Forschung leisten wird, sondern auch für Ökologen und Landwirte von Interesse sein könnte. Zum Beispiel werden Regenwürmer oft  als Indikator-Arten herangezogen. Ihr Auftreten erlaubt Rückschlüsse auf den Zustand des Erdbodens. Voraussetzung ist jedoch, genau zu erkennen, welche Arten sich genau im Erdreich tummeln.

Lenihan, J. et al. | Pflanzenforschung.de
Weitere Informationen:
http://www.pflanzenforschung.de/index.php?cID=9895

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