Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die Vermessung der Ameise

04.06.2013
Es muss nicht immer eine DNA-Analyse sein, wenn es um die exakte Bestimmung sehr ähnlich anmutender Lebewesen geht.

Die klassische Taxonomie, die Arten anhand der phänotypischen, also sichtbaren, Merkmale differenziert, kann in vielen Fällen schneller und kostengünstiger zum Ergebnis führen.


Erdameisen der Gattung Lasius - alle gelb, aber trotzdem zwanzig Arten
B. Seifert / Senckenberg

Forscher des Senckenberg Forschungsinstituts und Naturmuseums Görlitz haben nun am Beispiel der Ameisensystematik bewiesen, dass ein mathematisches Verfahren, eine neue Form der Cluster-Analyse, mit erstaunlich hoher Treffsicherheit exakte Ergebnisse liefert.

Einer Ameisenkönigin begegnet man nur selten. Wer Ameisen sieht, hat es meist mit Arbeiterinnen zu tun. Deren Durchschnittstypen gleichen sich bei verwandten Ameisenarten vor dem menschlichen Auge wie das sprichwörtliche eine Ei dem anderen. Bei so weitgehender Ähnlichkeit kann innerartliche Variabilität zu großen Merkmalsüberlappungen zwischen den zu unterscheidenden Arten führen und die Wissenschaftler zur Verzweiflung treiben. Kann man nun mittels des Äußeren – im Falle von Ameisen allein anhand ihrer Ritterrüstungen – die Artzugehörigkeit der Trägerin durch das Messen von Abständen, Winkeln, Krümmungen und Behaarungsdichten quasi errechnen? Man kann.

Ein Görlitzer Forscherteam um den Ameisenspezialisten Dr. Bernhard Seifert entwickelte ein Untersuchungs- und Analysesystem, das nur anhand phänotypischer Merkmale und statistischer Methoden ein Ameisennest sicher einer Art zuordnet. Dahinter verbirgt sich nicht nur die präzise Erfassung phänotypischer Primärmerkmale mittels eines Hochleistungs-Stereomikroskopes, sondern eine Vielzahl mathematischer Schritte, um das statistische Rauschen, also die erheblichen individuellen Abweichungen einer Nestbevölkerung von der Durchschnittsameise, heraus zu rechnen. Die mathematische Vorbereitung der Daten – konkret die optimale Positionierung der Datensätze jedes Nestes im multidimensionalen Raum – ist dabei der entscheidende Trick, um die nachgeschaltete Clusteranalyse zu optimieren. Clusteranalysen berechnen baumähnliche Diagramme oder Punktwolken aufgrund von Ähnlichkeiten.

Solch ein mathematisches Modell zur Bestimmung von in festen Sozialverbänden lebenden, durchweg miteinander verwandten Tieren wie Ameisen, Bienen oder Korallenstöcken anzuwenden, ist ein neuer Ansatz in der Taxonomie.

Die Wissenschaftler testeten ihr Modell an Arten gleicher Gattungszugehörigkeit, die sich extrem ähneln. 48 Artenpaare, die sich in jedem von zahlreichen Merkmalen messbar überlappen, wurden ausgewählt – schwer voneinander zu unterscheidende Härtefälle also. Doch das von den Forschern „Nest Centroid Clustering“ genannte Verfahren lag nur in 2% der Fälle daneben, fast alle Ameisen wurden durch diese Analyse der korrekten Species zugerechnet.

Diese schon kleine Fehlerquote konnte durch weitere Berechnungen (Diskriminanzanalyse) noch signifikant reduziert werden. Da sich der gesamte Algorithmus recht einfach programmieren lässt, eröffnet sich hier ein Weg für die automatische Artbestimmung.

Alles nur Berechnung: Das hat Vorteile

Allein anhand phänotypischer Merkmale zu arbeiten, bietet im Vergleich zur DNA-Analyse einige Vorteile. DNA-Analyse ist zum Beispiel an Individuen aus wissenschaftlichen Sammlungen nicht möglich, wenn die DNA der Ameise durch Präparation und Lagerung völlig zerstört ist oder die durch eine Probenentnahme notwendige Beschädigung oder gar Zerstörung eines Exemplares unbedingt vermieden werden muss. So sind zum Beispiel die sogenannten Primärtypen absolut tabu: Diese Unikate sind genau dasjenige Tier, auf das sich die Originalbeschreibung einer biologischen Art bezieht, und sie werden als größte Kostbarkeiten sorgfältig gehütet.

Das Untersuchungs- und Analysesystem phänotypischer Merkmale der Görlitzer Forscher arbeitet vollkommen beschädigungsfrei und noch dazu mit einem mittleren Zeitaufwand von nur zwei Stunden pro Probe ausgesprochen schnell. Auch sogenannte kryptische oder Zwillingsarten – also solche, die selbst ein erfahrener Experte nicht allein durch Anschauen differenzieren kann – lassen sich mittels dieses Systems unterscheiden. Zum Vergleich: Molekularbiologische Methoden beanspruchen nach gegenwärtigem Stand der Technik 2-3 Monate für eine Probe.
„Prinzipiell ist NC-Clustering überall da einsetzbar, wo zusammenhängende Systeme bzw. Organismen Wiederholungen definitiv artgleicher Elemente bieten“, stellt Dr. Bernhard Seifert in Aussicht: „Bei Ameisen bildet das Nest den „Organismus“ und die Arbeiterinnen die „Wiederholungen“. Bei einer Gefäßpflanze zum Beispiel sind es das Pflanzenindividuum selbst bzw. dessen Mehrfachbildungen in Gestalt von Blättern, Blüten oder anderen Organen. Man darf wirklich neugierig sein, wo sich das Verfahren in seiner Anwendung über das gesamte Tier- und Pflanzenreich hinweg bewährt.“

Publikation

Seifert, B.; Ritz, M.; Csösz, S.: Application of Exploratory Data Analyses opens a new perspective in morphology-based alpha-taxonomy of eusocial organisms; Myrmecological News 19:1-15, ISSN 1997-3500 (online); 2013

Kontakt
Dr. Bernhard Seifert
Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum Görlitz
Am Museum 1
02826 Görlitz
Tel. 03581- 4760 5600
bernhard.seifert@senckenberg.de

Pressestelle

Senckenberg Gesellschaft für Naturforschung
Dr. Christian Düker
Tel. 03581- 4760 5210
Christian.dueker@senckenberg.de
Regina Bartel
Tel. 069- 7542 1434
regina.bartel@senckenberg.de

Dr. Sören Dürr | Senckenberg
Weitere Informationen:
http://www.senckenberg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Bakterien aus dem Blut «ziehen»
07.12.2016 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

nachricht HIV: Spur führt ins Recycling-System der Zelle
07.12.2016 | Forschungszentrum Jülich

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Das Universum enthält weniger Materie als gedacht

07.12.2016 | Physik Astronomie

Partnerschaft auf Abstand: tiefgekühlte Helium-Moleküle

07.12.2016 | Physik Astronomie

Bakterien aus dem Blut «ziehen»

07.12.2016 | Biowissenschaften Chemie