DNA aus der Steinzeit

Bis Christoph Sperisen einen in sein ­Labor im Keller der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) in Birmensdorf lässt, hat man geduscht, zweimal die ­Laborschuhe gewechselt, zwei Paar Plastikhandschuhe und Sockenüberzüge übereinander angezogen, eine Haarhaube, einen weissen Overall mit Kapuze und einen Mundschutz übergestreift. Dabei ist man durch zwei Schleusen gegangen. Denn dieses Labor ist ein Reinluftlabor, in dem mit Erbsubstanz (DNA) aus uralten Baumresten gearbeitet wird. Damit keine Pollen oder sonstigen Verunreinigungen in die Räume gelangen, herrscht Überdruck. Vergleichbare Labore fürs Arbeiten mit Pflanzenresten gibts in Europa nicht einmal eine Handvoll.

Was im 2015 eingerichteten «Hochsicherheitstrakt» geschieht, sieht unspektakulär aus, versetzt aber eine ganze Reihe von Forschern in Entzücken. Zum Beispiel Frederick Reinig und Daniel Nievergelt. Die beiden Dendrochronologen erforschen einen Wald, der vor rund 14'000 Jahren am Fusse des Uetlibergs wuchs, anhand von 253 Baumstrünken, die Nievergelt im Frühling 2013 in der Grossbaustelle Binz entdeckt hatte. Die WSL lagerte das alte Holz unterdessen in einem ausgemusterten Militärbunker in Zufikon am Mutschellen unter kontrollierten raumklimatischen Bedingungen.

Sehr viel Holz auf kleinem Raum

Mittlerweile hat sich herausgestellt, dass nicht nur die schiere Masse des Fundes auf kleinem Raum sensationell ist. Die Hölzer wurden zudem in dem lehmigen Schlick sehr gut konserviert – und gehören zu den ältesten subfossilen, also nicht versteinerten Hölzern weltweit. Sie stammen aus dem ersten Wald, der nach der Eiszeit in Zürich wuchs. «Nun hat uns Christoph Sperisen mit seinem Team nochmals einen Schlüssel in die Hand gegeben», sagt ­Daniel Nievergelt. Er öffnet ein weiteres Fenster in die Steinzeit, und zwar in einen Zeitraum, über den man bis jetzt erst wenig weiss.

Die Binz-Hölzer sind 11'500 bis 14'000 Jahre alt. Genau dort klafft eine Lücke im Zeitstrahl der Dendrochronologie: jener Forschungsrichtung, die anhand der Breite der Jahrringe Aussagen über die Klimaverhältnisse der jeweiligen Jahre erlaubt. «Wir sind nun daran, die Binz-Hölzer systematisch mit anderen subfossilen Holzfunden aus der Umgebung abzugleichen», erzählt Reinig. Die Chancen stehen gut, dass mithilfe der Radiokohlenstoff-Datierung (14C) an der ETH Zürich die Lücke geschlossen werden und die Jahrringreihe um 2000 Jahre erweitert werden kann.

Die falsche DNA erwischt

Den WSL-Dendro-Forschern ist bei den Binz-Hölzern zudem etwas Eigenartiges aufgefallen. Sie bilden unterschiedlich alte Gruppen – neun konnten sie ausmachen. Diese Gruppen legen nun nahe, dass dieser steinzeitliche Wald in mehreren Phasen wuchs und wieder verschwand. Was ist damals geschehen? Schlammlawinen? Erdbeben? Dramatische Klimastürze? Und wie schlimm waren diese? Konnten die vorherigen Populationen sich wieder erholen oder wanderten neue Bäume aus unversehrten Regionen ein?

Da kommt nun der Genetiker Sperisen wieder ins Spiel. Und wir kehren zurück ins Reinluftlabor – und in die Overalls. Alles begann mit einem Flop: Vor etwa fünfzehn Jahren war die Bestimmung von DNA allmählich so einfach, schnell und auch zahlbar geworden, dass sie nicht mehr nur für die medizinische Forschung eingesetzt wurde. Sperisen und Forscher aus dem Ausland begannen damals, DNA aus subfossilen Hölzern zu extrahieren. «Wir haben uns wahnsinnig gefreut, als es uns gelungen ist, in so altem Holz DNA zu finden.» Bis die Forscher skeptisch wurden. «Es war zu schön, um wahr zu sein», sagt Sperisen, dem wegen der Gesichtsmaske immer wieder die Brille anläuft. Tatsächlich zeigte sich, dass man oft nicht nur DNA von alten Hölzern, sondern auch DNA von Pflanzen aus der heutigen Zeit erwischt hatte. Diese Versuche fanden überall in behelfsmässig eingerichteten Reinluftlabors statt, und es fehlten Methoden zum Nachweis von alter DNA.

Diese Erkenntnis stellte Publikationen diverser Forschungsgruppen infrage und bremste die DNA-Forschung an subfossilen Hölzern mehrere Jahre lang. Bis es nun Sperisen, Bertalan Lendvay und Mitarbeitenden gelang, Methoden zur Reinigung von altem Holz und zum Nachweis von alter DNA zu ent­wickeln. Vor drei Tagen erschien darüber ein Arti­kel im renommierten Journal «New Phytologist».

Der Weg dorthin war lang. Sperisen zeigt im ersten Raum seines Labors ein jasskartengrosses Stück Binz-Holz. Es ist steril verpackt und weist auf einer Seite schwarze Brandspuren auf. «Da war wohl noch recht viel Harz drin, als es behandelt wurde», sagt er. «Manche Proben haben sogar Feuer gefangen.» Behandelt heisst: Das Holzstück wurde mit einem 1000-Watt-Laser bestrahlt und danach mehrmals mit Javel-Wasser gereinigt. Erst diese Behandlung reichte aus, um aus der Umgebung stammende DNA zu beseitigen und wirklich saubere Holzproben zu erhalten. Vorherige Versuche nur mit Javel oder mit weniger potenten Lasern brachten keine befriedigenden Resultate.

Javel-Wasser und UV-Licht

Und erst jetzt lohnt sich das immer noch aufwendige Prozedere, DNA aus den Binz-Hölzern zu extrahieren. In einem ersten Schritt wird das Holz in einer ­Kugelmühle pulverisiert, dann wird das Pulver in mehreren Schritten mit Flüssigkeiten vermengt, um die DNA in Lösung zu bringen und zu reinigen. Sperisen hantiert mit Pipetten und Röhrchen und reibt sich dazwischen immer wieder die Hände mit Javel-Wasser ein. Auch die Geräte werden so behandelt und teilweise mit Ultraviolettlicht bestrahlt, um nicht vom alten Holz stammende DNA zu zerstören. Übrig bleibt – nahezu nichts, wenigstens nichts Sichtbares. Die in einigen wenigen Mikro­litern gelöste DNA wird nun in einer ­Maschine vervielfältigt.

«Die so extrahierten DNA-Ketten sind stark fragmentiert und chemisch beschädigt», sagt Sperisen. «Doch es sind gerade die spezifischen chemischen Schäden, die es uns erlauben zu beweisen, dass die extrahierte DNA alt ist.»

Waldföhren aus der Steinzeit

Und was sind nun die Resultate dieser Prozedur? Bisher wurden 12 Binz-Fundstücke genetisch bestimmt. Alle auf alte DNA positiv getesteten Holzstücke gehören zur Art Pinus sylvestris. In der Binz wuchs also nach dem, was wir heute wissen, nach der letzten Eiszeit erst einmal ein Waldföhrenwald. Doch wird das Fenster, welches das interdisziplinäre Forscherteam an der WSL aufgestossen hat, sehr viel wichtigere Fragen beantworten können. Dank der DNA-Bestimmungen lässt sich aufzeigen, wie eng die verschiedenen Baumgruppen miteinander verwandt waren.

Kommen nach einem Unterbruch neue Populationen vor, müssen die Störungen, wie etwa eine einschneidende Kältephase, verheerend gewesen sein. Und man wird auf die Suche gehen, woher die neuen Bäume eingewandert sind. Sind in späteren Gruppen aber ­Variationen der früheren plötzlich viel häufiger, ist das ein Hinweis auf natürliche Auslese, was Rückschlüsse auf die Anpassungsfähigkeit dieser Art zulässt.

Und damit sind wir bei hochaktuellen Fragestellungen, nämlich wie unsere Vegetation auf den Klimawandel reagiert. Bevor sich Genetiker Christoph Sperisen allerdings daran machen kann, Proben der restlichen 241 Binz-Baumstrünke zu analysieren, hat er in seinem Labor Wichtigeres zu tun. Putzen.

(Tages-Anzeiger)

Erstellt: 17.12.2017, 17:48 Uhr