Spezialdrohne sammelt auf Bäumen Umwelt-DNA
An den weißen Klebstreifen soll Material kleben bleiben, welches dann im Labor analysiert wird. Foto: Gottardo Pestalozzi, WSL
(20.1.2023) Forschende der ETH Zürich und der Eidgenössischen Forschungsanstalt WSL entwickelten ein Fluggerät, das auf Ästen von Bäumen landen und dort Proben nehmen kann. Damit erschließt sich Wissenschaftler:innen eine neue Dimension, die bis dahin waghalsigen Baumkletterern vorbehalten war.
Ökologinnen und Ökologen nutzen für die Überwachung und Inventarisierung der biologischen Vielfalt immer öfter Spuren des Erbguts, welche Lebewesen in der Umwelt hinterlassen, sogenannte Umwelt-DNA. Anhand dieser DNA-Spuren können Forschende Arten bestimmen, die in einem gewissen Gebiet vorkommen.
Einfach ist es, Wasser- oder Bodenproben zu gewinnen. Andere Lebensräume sind jedoch für Forschende nur schwer zugänglich, wie etwa das Kronendach des Waldes. In schlecht erforschten Gebieten bleiben daher viele Arten verborgen.
Forschende der ETH Zürich und der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL sowie der Firma Spygen haben nun eine spezielle Drohne entwickelt, die autonom Proben auf Ästen von Bäumen sammeln kann.
Drohne sammelt Material
Die Drohne ist dafür mit Klebestreifen bestückt. Landet das Fluggerät auf einem Ast, bleibt Material des Astes daran haften. Daraus können die Forschenden dann im Labor DNA extrahieren, analysieren und anhand von Datenbankvergleichen den verschiedenen Organismen zuordnen.
Ast ist aber nicht gleich Ast - sie sind unterschiedlich dick und verschieden elastisch. Zudem federn Äste zurück, wenn die Drohne darauf landet. Das Fluggerät so zu programmieren, dass es dennoch einen Ast autonom anfliegen und eine bestimmte Zeit stabil darauf verharren kann, um Proben aufzunehmen, war für die Robotiker:innen eine große Herausforderung.
«Das Landen auf Ästen erfordert eine komplexe Steuerung », erklärt Stefano Mintchev, Professor für Umweltrobotik der ETH Zürich und der WSL. Wie biegsam ein Ast sei, sei der Drohne zunächst nicht bekannt. Das Fluggerät ist deshalb mit einem Kräftemesskäfig ausgestattet. Dieser erlaubt es der Drohne, diesen Faktor am Einsatzort zu messen und ins Flugmanöver einzubeziehen.
Komplexe Programmierungen waren nötig, damit die Drohne auf verschieden elastischen Ästen landen kann. Foto: Gottardo Pestalozzi, WSL
In der Masoala-Halle Regenwaldeinsatz vorbereiten
Ihr neues Fluggerät testeten die Forschenden auf sieben Baumarten. In den Proben fanden sie die DNA von 21 verschiedenen Organismengruppen, sogenannten Taxa, darunter Vögel, Säugetiere und Insekten. «Das ist ermutigend, da es zeigt, dass die Sammeltechnik funktioniert», sagt Stefano Mintchev, Mitautor der Studie, die soeben in der Fachzeitschrift Science Robotics erschienen ist.
Kurzes Video auf YouTube ↗ zur Drohne. Foto: Screenshot
Die Forschenden wollen ihre Drohne nun weiter verbessern und fit machen für einen Wettkampf, bei dem es darum geht, in 24 Stunden in einen 100 Hektaren großen Regenwaldgebiet in Singapur möglichst viele verschiedene Arten zu erfassen.
Um die Effizienz der Drohne unter ähnlichen Bedingungen, wie sie beim Wettbewerb herrschen werden, zu überprüfen, arbeiten Mintchev und seine Mitarbeitenden derzeit im Masoala-Regenwald des Zoos Zürich. «Das hat den Vorteil, dass bekannt ist, welche Arten vorkommen. Dadurch können wir besser einschätzen, wie vollständig wir Umwelt-DNA-Spuren mit dieser Technik sammeln oder ob wir etwas verpassen», betont Mintchev.
Dafür muss das Sammelgerät jedoch noch effizienter und schneller werden: Bei den Tests für diese Studie sammelte die Drohne in drei Tagen Material von sieben Bäumen, in Singapur muss sie in nur 24 Stunden zehnmal mehr Bäume anfliegen und Proben sammeln können.
Proben in einem natürlichen Regenwald zu sammeln, fordert die Forschenden jedoch stärker heraus. Häufiger Regen wäscht die Umwelt-DNA von Oberflächen ab. Wind und Wolken erschweren zudem die Bedienung der Drohne. «Wir sind daher sehr gespannt, ob sich unsere Sammelmethode auch unter extremen Bedingungen in den Tropen bewähren wird.»
(WSL)
Publikation
Aucone, E.; Kirchgeorg, S.; Valentini, A.; Pellissier, L.; Deiner, K.; Mintchev, S., 2023: Drone-assisted collection of environmental DNA from tree branches for biodiversity monitoring. Science Robotics, doi: 10.1126/scirobotics.add5762