2012 Besondere Lernleistung: Jenny Schmalfuß
Name: Jenny Schmalfuß
Lehreinrichtung: Städtisches Gymnasium Mittweida
Besondere Lernleistung: Entwicklung eines softwaregestützten Bestimmungsschlüssels für die Familie Silphidae und Taxonomieanalyse auf Sequenzebene
Kurs: 12 Mathematik 2
Schulische Betreuerin: Margit Kalkbrenner
Extern begleitet von Prof. Dr. rer. nat. Dirk Labudde & Dipl.-Biol. Dr. rer. medic., M.Sc., Ph.D. Mark Benecke
Mittweida, den 21.12.2012
Entwicklung eines softwaregestützten Bestimmungsschlüssels für die Familie Silphidae und Taxonomieanalyse auf Sequenzebene
[Weitere Facharbeiten über Insekten]
[Weitere Facharbeiten über DNA]
[Mehr zu Crime & Co.] [Über MB]
[Diese herausragende, besondere Lernleistung als .pdf]
1. Einleitung und Zielstellung
"Es gibt eine Geschichte, [...] des ausgezeichneten britischen Biologen J. B. S. Haldane, der sich in Gesellschaft einer Gruppe Theologen wiederfand.
Auf die Frage, was man wohl über die Natur des Schöpfers aus der Untersuchung seiner Schöpfung schließen könne, soll er geantwortet haben:
Eine unangemessene Vorliebe für Käfer."
51% aller derzeit beschriebenen Arten auf der Erde zählen zur Klasse der Insekten. Rund 400.000 Spezies der 1.000.000 Insektenarten gehören zur Ordnung der Käfer (Coleoptera). Damit machen Käfer ein Fünftel aller Arten der irdischen Biosphäre aus und jährlich werden mehrere hundert neue Spezies beschrieben.
Trotz des unglaublichen Artenreichtums und der Erschließung nahezu aller Lebensräume, sind Käfer bisher recht wenig erforscht. Dieser Umstand veranlasste dazu, nach Gründen für diese ungerechtfertigte Vernachlässigung zu suchen. Bei eingehender Beschäftigung mit der Thematik wurde klar, dass vermutlich der Einstieg in die Materie viele potentielle Interessierte abschreckt. Denn bei der Auseinandersetzung mit Käfern, sieht sich der Laie zwangsläufig mit Bestimmungsschlüsseln konfrontiert. Die Handhabung der gängigen und anerkannten Schlüssel ist aufgrund ihrer Komplexität für den Anfänger schwer zu bewältigen. Zusätzlich wird oft der Vergleich mit anderen Arten gefordert, meist nicht in Form einer Vergleichssammlung zur Verfügung stehen. Diese Problemstellung soll in dieser Arbeit aufgegriffen werden. Das erste Ziel ist der Entwurf eines neuen Bestimmungsschlüssels, welcher sich durch besondere Benutzerfreundlichkeit auszeichnet. Damit soll Einsteigern und Interessenten der Zugang zur Beschäftigung mit Käfern erleichtert werden. Um die einfache Bedienung zu gewährleisten, wird die Umsetzung des Schlüssels in Form einer Computeranwendung erfolgen.
Des Weiteren erscheint es angebracht, die taxonomische Einordnung einiger Käferspezies im Hinblick auf die technischen Möglichkeiten des 21. Jahrhunderts zu hinterfragen. Moderne DNA-Sequenzanalysen ermöglichen es, Verwandtschaftsbeziehungen zwischen Arten aus einem völlig neuen Blickwinkel zu betrachten und die gängige Klassifikation nach rein optischen Kriterien zu präzisieren. Da die Neusystematisierung von 400.000 Spezies, auch zu Zeiten digitaler Datenverarbeitung, ein Lebenswerk darstellt, soll an einer kleineren Gruppe von Arten demonstriert werden, wie die Umsetzung der beiden Hauptideen prinzipiell funktioniert. Um dem entstehenden Bestimmungsschlüssel auch für die Industrie anwendbar zu machen, wurde dafür eine Käferfamilie gewählt, deren praktische Relevanz man in der Kriminalbiologie bereits erkannt hat: die Silphidae (Aaskäfer).
Die Arbeit gliedert sich in zwei große Teilbereiche. Der erste Teil umfasst die Kapitel 2 bis 6 und bildet die theoretische und wissenschaftliche Basis der Arbeit. Er beinhaltet die Schwerpunkte Taxonomie, Habitate mit besonderem Fokus auf der weltweiten Verbreitung, Anatomie und Physiologie auf Grundlage von Literaturrecherchen. Zusätzlich wird die Verbindung zwischen der klassischen Taxonomie und der modernen Sequenzanalyse geschaffen. Wichtige Methoden zur Proteinsequenzanalyse werden dabei vorgestellt. Das terminologische Fundament für die praktische Komponente der Arbeit wird hier gelegt.
Diese wird im zweiten Teil vorgestellt, der die Kapitel 7 und 8 umfasst. Zum einen beinhaltet er die Entstehungsdokumentation des Bestimmungsschlüssels, gefolgt von der Beschreibung des Programms und seiner Funktionen. Die Tauglichkeit des implementierten Schlüssels wird abschließend anhand eines Beispiels unter Beweis gestellt. Zum anderen wird eine Taxonomieanalyse auf Sequenzebene für verschiedene Artenzusammenstellungen der Silphiden vorgenommen. Den Abschluss des zweiten Teils bilden Überlegungen zur Anwendung von Sequenzanalysen sowie ein Ausblick auf weiterführende Forschungsmöglichkeiten.
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9. Zusammenfassung und Ausblick
Trotz der vergleichsweise geringen Artenzahl und des verhaltenen Interesses der Fachwelt, steht bei eingehender Recherche eine Fülle an Informationen über die Silphidae bereit. Daher gelang es, eine vollständige Liste der, in Deutschland vorkommenden Spezies aufzustellen. Auf deren Grundlage war es möglich, einen neuen Bestimmungsschlüssel für die deutschen Arten der Silphidae zu entwerfen.
Bei der Untersuchung der Verbreitungsgebiete konnte festgestellt werden, dass die Hauptvorkommen der Silphidae auf der nördlichen Hemisphäre liegen. Aufgrund der Anwendung des Wissens über Silphidae in der Forensik kann sich der Einsatzbereich eines Bestimmungsschlüssels für diese Familie von Nordamerika über Europa bis nach Asien erstrecken.
Das Fundament des angefertigten Schlüssels bildet eine umfangreiche Recherche zum Körperbau von Coleoptera sowie Analysen der Besonderheiten von Silphidae. Durch die Bestimmung von Merkmalen anhand echter Präparate ist der Schlüssel fundierter, als er auf alleiniger Grundlage einer Literaturrecherche sein könnte. Das Ziel, einen Bestimmungsschlüssel mit besonders hoher Benutzerfreundlichkeit und ohne geforderte Vergleichssammlung zu schaffen, wurde damit erfüllt. Dies konnte durch die exemplarischen Bestimmung von Necrophorus vespillo mithilfe der entwickelten und implementierten Computeranwendung nachgewiesen und bestätigt werden.
Die Arbeit stellt einerseits die klassische evolutionäre Klassifikation als anerkanntes taxonomisches Schema vor, erläutert aber auch die Zusammenhänge von genetischen Informationen und morphologischen Merkmalen. Darauf basierend erfolgte die Vorstellung von Sequenzalignments als weitere Möglichkeit der Verwandtschaftsbestimmung von Organismen. Die Anwendung der Erkenntnisse erfolgte bei der Proteinsequenzanalyse von sieben Necrophorus-Arten sowie 33 Spezies der Familie Silphidae mit verschiedener Gattungszugehörigkeit.
Die klassische taxonomische Einordnung der sieben Necrophorus-Arten konnte auf diesem Weg bestätigt werden und vermittelte tiefere Einblicke in die Verwandtschaftsverhältnisse innerhalb der Gattung. Dagegen waren die Ergebnisse der gattungsübergreifenden Sequenzanalyse nicht widerspruchsfrei mit der bisherigen Einordnung zu vereinen. Die auftretenden Differenzen zwischen den Sequenzanalysen der 33 Spezies und der klassischen evolutionären Klassifikation konnten teilweise auf eine unzureichende Datenbasis zurückgeführt werden. Jedoch legt die in der Literaturrecherche bereits festgestellte spärliche Beschäftigung von Entomologen mit der Familie der Silphidae den Schluss nahe, dass die Systematisierung in der Vergangenheit möglicherweise fehlerhaft durchgeführt wurde. Es wäre wünschenswert, die Einordnung der Spezies mit erweiterter Datenbasis zu überprüfen und gegebenenfalls zu überarbeiten. Hier besteht weiterer Forschungsbedarf.
Die eingehende Beschäftigung mit einer Käferfamilie hat gezeigt, dass die Entomologie mit vielen anderen Wissenschaftsdisziplinen eng verknüpft ist. Aufgrund der fachlichen Vernetzung stellt die Beschäftigung mit Insekten eine vielseitige Aktivität dar, die Einblicke in eine Reihe anderer Tätigkeitsfelder erlaubt. Es bleibt zu hoffen, dass in Zukunft noch mehr Menschen das Interesse finden, sich der faszinierenden Welt der Insekten zuzuwenden.
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Mit herzlichem Dank an Jenny Schmalfuß, Margit Kalkbrenner und Dirk Labudde für die Freigabe und die Genehmigung zur Veröffentlichung.