Großes Problem: Auf der Jagd nach asiatischen Karpfen finden Wissenschaftler DNA, Kontroverse

David Lodge von der University of Notre Dame (links) half bei der Entwicklung einer genetisch basierten Technik zur Verfolgung schwer fassbarer asiatischer Karpfen. Hier sieht er zu, wie Joel Corush, ein Forschungstechniker, eine Wasserprobe nach verräterischen DNA-Spuren filtert. Gary Porter

Dieser Bericht wurde ursprünglich am 21. August 2012 veröffentlicht. Er ist Teil der Serie „Deep Trouble“.

Ein Fischteich in Missouri zeigt, wie heimlich asiatische Karpfen sein können.

Der etwa einen Hektar große Teich war mit Welsen, Barschen und Blaukiemen bevölkert. Der Besitzer pumpte es mit Fischfutter voll, doch der Fisch schien zu verhungern. Deshalb schaltete der Eigentümer Anfang 2010 einen Berater ein.

„Sie kamen mit Elektrofischerausrüstung heraus, fingen ein paar Fische und schauten sie sich an“, sagte Duane Chapman, einer der führenden asiatischen Karpfenexperten des Landes und Biologe beim US Geological Survey. „Die Fische waren abgemagert und er wusste nicht warum. Er sagte: ‚Hier stimmt etwas nicht. Wir müssen noch einmal von vorne anfangen.‘ Sie brachten Rotenon ein und zerstörten den Teich völlig.“

Im Laufe der nächsten Woche tauchten die verwesenden Kadaver von etwa 300 Großkopfkarpfen an der Oberfläche auf. Die Kleinsten wogen 20 Pfund. Bei den Großen handelte es sich um einen 35 Pfund schweren Border Collie. Vergiftete asiatische Karpfen, erklärte Chapman, unterscheiden sich von vielen Fischarten dadurch, dass sie normalerweise nicht an die Oberfläche kommen, es sei denn, das Wasser ist warm genug, damit sich in ihren Bäuchen Gase bilden, ein Vorgang, der eine Woche dauern kann.

„Es war ziemlich erstaunlich, dass in einem kleinen Teich so viel Futter sein konnte“, sagte Chapman.

Es stellte sich heraus, dass der vorherige Grundstückseigentümer den Teich vor einem Jahrzehnt mit Dickköpfen bestückt hatte. Sie waren direkt vor der Nase des neuen Besitzers aufgeblüht, der Ärger gerochen hatte, aber nichts sehen konnte.

David Lodge ist einer Er ist einer der führenden Experten für invasive Arten des Landes und hat sich in den letzten Jahren den Ruf eines Wissenschaftlers erworben, der sich nicht damit zufrieden gibt, dass seine Arbeit in den Regalen der Bibliotheken verstaubt. Der bebrillte 54-Jährige mit dem schwarzen Haarschopf eines jüngeren Mannes hat immer noch etwas südländisches Flair aus seiner Kindheit in Alabama, doch er spricht seine Worte so präzise aus, dass man ihn sich leicht als den angehenden Naturforscher vorstellen kann, den er kennt erinnert sich, als Kind gewesen zu sein.

„Ich war eines dieser Kinder, die von Anfang an von der Natur fasziniert waren“, sagte er in seinem Büro im Innovation Park der University of Notre Dame, einem glänzenden neuen Campusgebäude, in dem Fingerabdruckscans verschlossene Türen öffnen. „Ich habe alle meine müßigen Momente damit verbracht, Steine ​​in Bächen umzuwälzen und zu schwimmen, zu schnorcheln, zu angeln, Frösche, Schlangen und Schildkröten zu fangen und was ich sonst noch fangen konnte … Meine Freizeit habe ich drinnen damit verbracht, Feldführer zu lesen. Das ist keine durchschnittliche Teenagerbeschäftigung.“ . Aber das hat mir mehr Spaß gemacht als Baseball zu spielen.“

Lodge dachte darüber nach, Geschichte zu studieren, als er aufs College kam: „Aber am Ende war es meiner Meinung nach für andere ziemlich klar, auch wenn es mir nicht immer klar war, dass ich Biologie einfach liebte.“

Diese Liebe führte ihn als Rhodes-Stipendiat an die Universität Oxford. Anschließend fungierte er als Vorsitzender des Invasive Species Advisory Council von Präsident Bill Clinton und gründete die Environmental Change Initiative von Notre Dame, ein Team von Universitätsforschern, das versucht, politische Entscheidungen zu wichtigen Umweltthemen wie invasiven Arten und Klimawandel zu beeinflussen.

Die Grenze von der reinen akademischen Forschung zur öffentlichen Politik zu überschreiten, ist ihm nicht leichtfertig gelungen, denn zu Beginn seiner Karriere galt dies als nicht akzeptabel.

„Als Sie Vorschläge schrieben, um Forschung zur Unterstützung Ihrer Arbeit zu bekommen, haben Sie diese nicht in Bezug auf die Probleme formuliert, die Sie in der Welt lösen würden“, sagte er. „Sie haben sie in Form von intellektueller Aufregung und neuen Ideen formuliert.“

Aber diese Grenze hat sich in den letzten Jahren verwischt, und heute steht Lodges Arbeit oft im Mittelpunkt einiger der heikelsten ökologischen und politischen Debatten in der Region. Er hat Untersuchungen durchgeführt, um vorherzusagen, welche Arten am wahrscheinlichsten in die Großen Seen eindringen, wenn Schiffe weiterhin kontaminiertes Ballastwasser ablassen dürfen. Er hat versucht, die jährlichen Kosten für invasive Arten in den Großen Seen zu beziffern (schätzungsweise 200 Millionen US-Dollar). Er hat Arbeiten durchgeführt, um vorherzusagen, welche Süßwasserfischarten aufgrund des Klimawandels am wahrscheinlichsten aussterben werden.

Der Spagat zwischen Politik und Wissenschaft war für Lodge noch nie eine angenehme Übung. Denn Boten werden nicht nur für die Übermittlung düsterer Nachrichten verantwortlich gemacht. Manchmal werden sie verunglimpft. Aber Lodge war sich immer darüber im Klaren, dass der Stress, der mit der öffentlichen Verteidigung seiner Arbeit in den Medien und für politische Entscheidungsträger einhergeht, der Preis war, den er für seine wissenschaftliche Tätigkeit zahlte, der zählte.

Im Sommer 2009, als der asiatische Karpfen in Richtung der Großen Seen vordrang und die Bundesbeamten verzweifelt nach jemandem suchten, der ihnen genau zeigen konnte, wo sich die „Vorderkante“ der Invasion befand, war dieser Preis kurz davor, zu explodieren.

Lodges Fähigkeiten als Ökologe und seine Bereitschaft, sich mit heiklen Themen auseinanderzusetzen, machten ihn und seine Kollegen vor ein paar Jahren zu einer logischen Wahl, als eine von den meisten Staaten der Großen Seen finanzierte Denkfabrik seinem Labor ein Stipendium für die Entwicklung eines genetischen Tests gewährte invasive Arten identifizieren, die in den Ballasttanks von Überseefrachtern per Anhalter in die Seen gelangen.

Ermittler der Strafverfolgungsbehörden nutzen seit mehr als zwei Jahrzehnten DNA-Analysen, um Bösewichte hinter Gitter zu bringen. Diese genetischen Fingerabdrücke können von fast allem gewonnen werden, was der menschliche Körper ausscheidet – Hautflecken, Speichelfäden, Samentropfen, abgesplitterte Zehennägel.

Aus diesem Material können Wissenschaftler die Moleküle isolieren und identifizieren, die die DNA eines Individuums bilden, die berühmte Doppelhelix. Jede winzige Wendelleiter besteht aus Milliarden von Sprossen, die aus vier Arten von Chemikalien, sogenannten Nukleotiden, aufgebaut sind. DNA ist ein so wirkungsvolles forensisches Werkzeug, weil die Reihenfolge dieser Milliarden von Sprossen, die jeweils aus zwei ineinandergreifenden Nukleotiden bestehen, für jedes Individuum einzigartig ist. Wissenschaftler untersuchen relativ kurze Nukleotidsequenzen auf einem Stück menschlicher DNA, um festzustellen, ob das an einem Tatort entnommene genetische Material mit der DNA eines Verdächtigen übereinstimmt.

Dieser genetische Fingerabdruckprozess funktioniert aber auch auf Artenebene; Alle Silberkarpfen beispielsweise weisen an verschiedenen Stellen in ihrer DNA eine identische Nukleotidsequenz auf.

Für das Notre-Dame-Team war es kein großer Sprung, als ihm klar wurde, dass seine Idee, DNA-Tests zur Erkennung von Arten in Ballasttanks einzusetzen, auch bei der blinden Jagd des US Army Corps of Engineers funktionieren könnte, um die Fische in den trüben Strömungen des Flusses zu finden Chicago Sanitär- und Schiffskanal. Eine solche Analyse wurde in kleinerem Maßstab bereits von einem italienischen Forscher durchgeführt, der mithilfe von DNA amerikanische Ochsenfrösche in europäischen Teichen fand.

Es funktioniert, weil Fische und andere Wasserlebewesen ständig Zellen in Form von Schleim, Urin und Kot abgeben. Diese Zellen neigen dazu, im Wasser zu schweben, und das bedeutet, dass jeder Fisch eine genetische Spur hinterlässt. Diese Spur kann zurückverfolgt werden, indem die gesamte DNA aller verschiedenen Arten gefiltert wird, die in einer Wasserprobe ein Stück von sich selbst hinterlassen haben.

Sobald dieser DNA-Haufen isoliert ist, geben Labortechniker ihn in ein Reagenzglas und fügen ihm einige präzise konstruierte genetische Marker – sogenannte Primer – hinzu, die nur an die DNA der Zielart binden sollen. Der Mischung wird auch eine Mischung aus frei schwebenden Nukleotiden zugesetzt und dann wird die Probe erhitzt. Durch die Hitze werden die DNA-Helixe aller aus der ursprünglichen Wasserprobe gefilterten Arten entwirrt.

Wenn DNA der Zielspezies vorhanden ist, haften die Primer an jeder getrennten Helix, während die Probe abkühlt. Dadurch wird eine reißverschlussartige Reaktion in Gang gesetzt, bei der ein der Probe zugesetztes Enzym die frei schwebenden Nukleotide an jeden Strang der ursprünglichen DNA bindet. Plötzlich wurden aus einem DNA-Stück zwei. Der Vorgang wird Dutzende Male wiederholt, sodass sogar ein einzelnes DNA-Stück mehr als eine Milliarde Mal repliziert werden kann, bis zu dem Punkt, an dem die Ziel-DNA tatsächlich als Leuchten unter ultraviolettem Licht zu sehen ist, wenn noch eine weitere Chemikalie hinzugefügt wird.

Ein Stück DNA würde nicht ausreichen, um eine Art in einer Probe zu identifizieren, und 100.000 würden das auch nicht tun. Aber sobald man eine Milliarde oder mehr erreicht, entsteht ein sichtbares Leuchten.

Jetzt können Ihre Augen Fische auf eine Weise sehen, wie es niemand jemals könnte.

Im Notre-Dame-Labor funktionierte alles wunderbar, aber das Team von Lodge wusste, dass es einen großen Unterschied zwischen der Isolierung von in Aquarien schwimmender DNA und dem Sieben aus einem frei fließenden Fluss gab. Anfang 2009 waren die Mitarbeiter der Lodge bereit, es zu versuchen.

Bei einem Treffen im Januar in der Innenstadt von Chicago unter Forschern, die den Betrieb der elektrischen Fischsperre des Army Corps leiteten, die sich am Chicago-Kanal etwa 35 Meilen flussabwärts vom Lake Michigan befindet, zog einer von Lodges Assistenten einen Biologen des Army Corps in eine ruhige Ecke. Er sagte ihr, er glaube, sie hätten das Problem der Filterung und Identifizierung asiatischer Karpfen-DNA aus offenen Gewässern gelöst. Und er dachte, es könnte auf dem Chicago-Kanal angewendet werden. Sie brachte die Idee zu ihren Vorgesetzten und bekam grünes Licht.

Andy Mahon, ein Ökologe und Genetikexperte an der Central Michigan University, der damals in Lodges Labor arbeitete, erinnert sich an den miserablen Morgen im Frühjahr 2009, als er und ein Kollege ihr neues Werkzeug auf dem schlammigen, von der Quelle angeschwollenen Illinois River wirbelten. Sie kamen zu dem Schluss, dass es keinen Sinn hätte, sie dort aufzuspüren, wo es möglicherweise nur eine Handvoll Fische gibt, wenn die DNA nicht an einer Stelle auftauchte, von der bekannt ist, dass sie reich an asiatischen Karpfen ist.

Die beiden verbrachten den Vormittag damit, ihre Hände beim Befüllen von 2-Liter-Plastikflaschen zu frieren, doch die Aufregung, die sie nur wenige Wochen zuvor im Labor gespürt hatten, verflüchtigte sich mit dem karamellfarbenen Fluss. Wie konnten sie in all diesem Wasser bloße Fischmoleküle finden? Mahon kehrte nach South Bend zurück, sein Geist war so gekühlt wie die Knochen in seinen Fingern.

„Keiner von uns hatte die geringste Ahnung, dass dieser Prozess für uns funktionieren würde“, sagte Mahon.

Mahon war einige Tage später allein in seinem Labor und testete die Proben, als er das verräterische Leuchten sah. Er rannte den Flur entlang und suchte nach Lodge und den anderen.

„Schockiert“, so beschrieb er ihre kollektive Reaktion.

Das Team beschloss, die Tests langsam flussaufwärts zu verlegen, in Richtung Gebiete, in denen die Karpfenbestände bekanntermaßen geringer sind.

„Wir hatten das Tool entwickelt und so gut wie möglich getestet – im Labor und vorläufig im Feld“, sagte Lodge. „Aber um unser eigenes Selbstvertrauen und das Selbstvertrauen aller anderen zu stärken, wollten wir an Orten beginnen, an denen sich alle einig waren, dass es Fische gibt. Die allgemeine Strategie bestand also darin, nach Süden zu beginnen und uns nach Norden (in Richtung der Barriere) vorzuarbeiten, denn das Ganze Die Idee bestand darin, herauszufinden, wo sich die Vorderkante der Invasionsfront befand.

Als Generalmajor John Peabody, der damalige Chef der Region der Großen Seen des Army Corps, erfuhr, was sie vorhatten, bat er um ein persönliches Treffen mit den Wissenschaftlern von Notre Dame.

Im Sommer 2009 tauchten Peabody und seine Mitarbeiter im Rosie's Family Restaurant auf, gleich neben der elektrischen Fischbarriere in einer kiesigen Ecke eines südwestlichen Vororts von Chicago. Der General und sein Stab kamen in Kampfkleidung – getarnte Hosen in hochgeschnürten Stiefeln – an, um einen von Lodges Kollegen darüber zu befragen, was das Notre-Dame-Team zu tun versuchte.

Peabody setzte sich mit dem Notre-Dame-Wissenschaftler an seiner Seite an das Kopfende eines Tisches (Lodge hatte eine Klasse zu unterrichten), und der Stab des Generals verteilte sich, einige standen, andere saßen am Tisch.

Eine Karte wurde aufgeklappt. Zuckerpäckchen wurden verwendet, um Dinge wie Fische, Barrieren und Boote darzustellen. Es war ein zeitweise unangenehmes Gipfeltreffen zwischen Militärs, die kristallklare Ja-Nein-Antworten forderten, und einem Wissenschaftler, der seinen Lebensunterhalt am Rande des menschlichen Wissens verdient.

Die Besatzung der Lodge wusste von Anfang an, dass sie in trübes Wasser watet. Zum einen war die spezifische Technik, die zur Jagd auf asiatische Karpfen in Flüssen entwickelt wurde, zu diesem Zeitpunkt noch nicht in einer wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht worden, was bedeutete, dass sie nicht von anderen Wissenschaftlern unabhängig validiert worden war.

Darüber hinaus kann die DNA-Analyse nichts über die Anzahl der Fische, ihren genauen Aufenthaltsort (DNA-Driften in der Strömung), die genaue Dauer des Verbleibs des genetischen Materials im Fluss oder gar die Art und Weise, wie es dorthin gelangt sein könnte, sagen. Doch Peabody wollte unbedingt herausfinden, ob die Fische auf seine neue Barriere drückten. Aufgrund der Befürchtungen, dass es zwischen den Lastkähnen zu Lichtbögen kommen könnte, war die Barriere zu diesem Zeitpunkt nur mit einem Viertel ihrer vorgesehenen Stärke in Betrieb. Wenn der General nachweisen konnte, dass der Fisch angekommen war, könnte das eine Erhöhung der Spannung rechtfertigen. Peabody hörte an diesem Tag genug, um überzeugt zu sein, dass DNA das beste Werkzeug war, das er hatte, um den Fisch zu finden.

Das Notre-Dame-Team setzte seine Tests weiter nach Norden fort – und fand weiterhin Hinweise auf den Fisch.

Im Dezember 2012 befasste sich der Reporter Dan Egan eingehend mit den Bemühungen zur Trennung der Einzugsgebiete der Großen Seen und des Mississippi.

Im September 2009 wurde die DNA asiatischer Karpfen etwa 10 Meilen weiter flussaufwärts gemeldet, als der Fisch jemals gesehen worden war. Wenn der DNA-Beweis stimmte, hatte der Asiatische Karpfen die letzte Schifffahrtsschleuse vor der elektrischen Barriere passiert.

Schifffahrtsschleusen sind hydraulische Aufzüge, die es Booten ermöglichen, einen Damm zu umgehen. Obwohl eine Schleuse nicht speziell dafür ausgelegt ist, Fische aufzuhalten, stellt sie ein schwieriges Hindernis dar, da ein Fisch ein Boot in die Schleusenkammer begleiten und mit ihm wieder herauskommen muss, sobald das Boot angehoben und die Schleusentore geöffnet werden. Stellen Sie sich eine Kakerlake vor, die einen Aufzug benutzt, um vom Keller eines Gebäudes in die oberste Etage zu gelangen – dafür muss viel passieren. Dann muss ein Kumpel die Reise machen. Dann müssen sie einander und einen sicheren und geeigneten Ort zum Legen ihrer Eier finden.

Der General war möglicherweise nicht erfreut über die neue Nachricht, dass offenbar mindestens ein Fisch die letzte Schleuse vor der elektrischen Barriere durchbrochen hatte. Aber zumindest schien dieses neue Tool genau so zu funktionieren, wie er es sich erhofft hatte. Wie eine Nachtsichtbrille hatte es einen zuvor unsichtbaren Feind beleuchtet, und das gab ihm die Chance, sich zu wehren.

Als sich die positiven DNA-Ergebnisse flussaufwärts verbreiteten, verdoppelte Peabody die Barrierespannung auf zwei Volt pro Zoll – immer noch nur die Hälfte der vorgesehenen Stärke, aber ein Anstieg, der dazu beitragen würde, die kleineren asiatischen Karpfen abzuwehren, die einen größeren Stoß benötigen als größere Fische.

Das Notre-Dame-Team machte mit der Probenahme weiter. Lodge hatte nicht vor aufzuhören, bis er einen Bereich des Flusses erreichte, in dem alle Proben keine Spuren von DNA zeigten. „Der springende Punkt“, sagte er, „ist, dorthin zu gelangen, wo wir alle Nullen haben, und natürlich haben alle, auch wir, gehofft, dass alle Nullen unterhalb der Barriere passieren würden.“

Was Lodge heute als „die Schwierigkeiten“ bezeichnet, begann, als die Proben regelmäßig Anzeichen von Karpfen an Stellen zeigten, an denen die Fische zuvor nicht nachweisbar waren; als sie allen die Augen für die Unmittelbarkeit der ökologischen Bedrohung öffneten, der die Großen Seen ausgesetzt sind.

Am 18. November 2009 um 7:48 Uhr schickte Lodge eine E-Mail, in der er Beamte des Army Corps darüber informierte, dass Wasserproben jenseits der Barriere positiv auf asiatische Karpfen getestet wurden. Es war kein Memo, das Lodge schreiben wollte, und er sagte, er habe ein deutliches Gefühl gehabt, als es an der Zeit sei, auf die Schaltfläche „Senden“ zu klicken.

„Dadurch wurde mir ein wenig schlecht.“

Diese Geschichte basiert auf Recherchen seit 2006. Sie umfasste mehr als 100 Interviews und basiert auf der Durchsicht von Tausenden von Dokumentenseiten, darunter Gerichtsakten, Regierungsberichte, wissenschaftliche Forschungsarbeiten und Archivmaterialien.