Forschungsbereich Zell- und Ökophysiologie

Die Ökophysiologie befasst sich mit der Frage, wie die physikalische und biologische Umwelt auf die Physiologie eines Organismus einwirkt.

Sie umfasst die Auswirkungen von Klima, Nähr- aber auch Problemstoffen auf die physiologischen Prozesse bei Tieren und den Menschen und befasst sich insbesondere mit der Frage, wie physiologische Prozesse mit der Größe des Organismus skalieren.

Circadiane Rhythmik

Die Circadiane Rhythmik befaßt sich mit den endogenen Oszillationen von physiologischen und molekularen Meßgrößen in Organismen mit einer Periodenlänge von ungefähr 24 Stunden (lateinisch: circadian- “ungefähr ein Tag”). Diese Rhythmen können durch so genannte Zeitgeber mit den externen Tag/Nacht- Zyklen synchronisiert werden. Zu den wichtigsten Zeitgebern zählen Licht, Temperatur, Nahrungsverfügbarkeit und körperliche Aktivität. Unsere Gruppe beschäftigt sich mit dem Einfluß von Sauerstoffmangel auf die circadiane Uhr beim Zebrafisch und, im Umkehrschluß, mit der circadianen Regulation der Hypoxie- Antwort. In diesem Zusammenhang untersuchen wir vor allem Genexpressions-Muster in ihrer zeitlichen Abfolge und die transkriptionelle Regulation der jeweiligen Gene, verwenden aber auch Verhaltensbiologische Ansätze und physiologische Messungen, um unsere Daten auf organismischer Ebene zu überprüfen. Neben der erniedrigten Sauerstoffverfügbarkeit befassen wir uns auch mit dem Einfluß von Licht, körperlicher Aktivität und Magnetismus auf die circadiane Uhr und den Hypoxie- Signalweg im Zebrafisch.

(Abb.: Der Einfluß von Training auf die Tagesrhythmik der period1 und clock1 mRNA expression in 15 Tage alten Zebrafischlarven.)

Mitglieder dieser Arbeitsgruppe

Hypoxie-Adaptation und Entwicklung

Hypoxie Adaptation

Die Anpassung von tierischen Organismen an variable Umweltbedingungen erfordert neben unmittelbaren Antworten wie veränderter Frequenz der Atmung, des Herzschlags oder der lokomotorischen Aktivität auch eine Steuerung auf molekularer Ebene, also auf der Ebene der Genexpression. Am Beispiel des Modelltieres Zebrafisch werden die Auswirkungen von Sauerstoffmangel auf die Expression unterschiedlicher funktioneller Gengruppen untersucht. Von besonderem Interesse ist die differentielle Funktion der drei Isoformen des Hypoxie-induzierbaren Transkriptionsfaktors (Hif) unter verschiedenen Sauerstoffmangelsituationen, aber auch die Bedeutung der Hif-Proteine für die Embryonal- und Larvalentwicklung. Im Zentrum der Betrachtung steht neben der Entschlüsselung raffinierter molekularer Kontrollsysteme und deren Interaktion aber auch deren Bedeutung für die Anpassungsfähigkeit der Tiere an eine variable Umwelt.

Mitglieder dieser Forschungsgruppe:

Birgit Fiechtner
Bettina Peer
Bernd Pelster
Adolf Sandbichler

Interreg Projekt ALFFA

Interreg Projekt ALFFA

Gesamtheitliche (skalenübergreifende) Analyse der Einflussfaktoren und ihre Wirkung auf die Fischfauna im inneralpinen Raum.

Mit zunehmender Nutzung unserer Kulturlandschaft unterliegen auch die Gewässersysteme einem ansteigenden Einfluss durch diverse anthropogene Maßnahmen. Die meisten Gewässer sind durch Eingriffskombinationen mehrfach belastet. Ein sich daraus ergebender Multiplikationseffekt kann zu dramatischen Veränderungen der aquatischen Lebensräume und ihrer Organismengemeinschaften führen. Als Bioindikatoren für Gewässersysteme werden europaweit Fische verwendet. Über das vorhandene Artenspektrum, die Abundanz- und Dominanzverhältnisse und den Populationsaufbau der einzelnen Arten können verlässliche Aussagen über den Zustand eines Gewässers getätigt werden.
Die teilweise dramatischen Veränderungen der Fischfauna in Tirol und Südtirol reichen vom lokalen Rückgang einzelner Populationen bis zur aktuellen Bedrohung der Bestände und im Einzelfall sogar bis zum Verschwinden von Arten. Im Gegensatz zu den meisten bisherigen Untersuchungen sollen im Projekt ALFFA nicht einzelne Verursacher, sondern die Kombination möglichst aller Einflüsse großräumig erfasst und mit Hilfe geostatistischer und skalenübergreifender Modelle erkennbar gemacht werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sollen bei zukünftigen Entscheidungen bezüglich Gewässer- und Umweltmanagement eine wichtige Hilfe darstellen.

In den derzeit laufenden Gewässerzustandserhebungen in Österreich und Italien kommen die durch anthropogene Einflüsse hervorgerufenen Veränderungen klar zu Tage. Als Verursacher dieser Beeinträchtigungen werden vor allem morphologische (z.B. Gewässerunterbrechungen) und hydrologische Gründe (z.B. Schwall-Sunk, Restwasser) angenommen. Untersuchungen bezüglich Einfluss des Umlandes beschränkten sich bisher auf Ufer, Uferböschungen und maximal auf den Talboden des Gewässerkörpers. Im vorliegenden Projekt soll im Speziellen der großflächige Einfluss des Umlandes in die Betrachtung miteinbezogen werden. Nach ersten Hinweisen dürften sich die anthropogenen Einflüsse im Einzugsgebiet wesentlich stärker auf Fischfauna und Gewässerökologie auswirken, als bisher angenommen. Neu im Beurteilungskonzept ist dabei die Kombination der einzelnen Faktoren (Hydrologie, Morphologie, Bewirtschaftung, biogene Belastungen und Umland). Die bisherigen Ansätze berücksichtigten meist nur einzelne Faktoren oder wenige Faktorenkombinationen und konnten damit oftmals keine befriedigenden Erklärungen hinsichtlich des Qualitätsverlustes der Gewässersysteme erbringen.
Ziel ist ein besseres Verständnis zwischen den Wechselbeziehungen Ökosystem Gewässer und dem umgebenden Umland zu erreichen. Zur Erreichung dieses Ziels werden bereits vorhandene Daten (Landschaftskartierungen) verwendet bzw. wo notwendig neue Daten erhoben. Für eine effektive Abgleichung der Daten ist eine grenzüberschreitende Harmonisierung der Erhebungsmethoden unabdingbar (z.B. in Bezug auf die Elektrobefischungen), was auch für zukünftige Erhebungen von großem Nutzen sein wird. Durch die gemeinsame Auswertung aller Einflussfaktoren (auch gewässerinterne Beeinträchtigungen) wird ein Modell zur Erklärung der Fischfauna erstellt. Ein besseres Verständnis zu den unterschiedlichen Einflüssen auf die Fischfauna und damit auch auf die Qualität unserer Gewässer sollte sich in einem zukünftigen Umwelt- und Gewässermanagement positiv niederschlagen.
Die Stärke dieses Projektes liegt in der inter- und transdisziplinären Kooperation qualifizierter Projektpartner aus verschiedenen Bereichen (Universität und Forschungsinstitution, öffentliche Verwaltung, öffentlich-rechtliche Institutionen und Wirtschaft), der Verwendung und Verknüpfung der institutionell bereits vorhandenen Daten und dem damit verbundenen ganzheitlichen Ansatz. Diese Betrachtung ermöglicht erstmalig die Erstellung eines umfassenden Bildes von möglichen Einflussfaktoren auf die Gewässer und die Fischfauna, während in bisherigen europäischen Studien jeweils verschiedene Teilaspekte erfasst wurden. Diese umfassende Analyse unter Berücksichtigung aller wesentlichen Einflussgrößen erlaubt ein Abwägen der verschiedenen Einflussfaktoren und eine bessere Bewertung der verschiedenen Parameter, was in den bisherigen Einzelstudien nicht möglich war.
Im nord- und südamerikanischen Raum wird bereits an und nach gesamtheitlichen Betrachtungsweisen in Bezug auf die Fischfauna gearbeitet. Als weitere Neuerung ist die Einbeziehung endokriner Disruptoren (Hormonbelastung durch Kläranlagen) zu nennen, deren möglicherweise sehr stark schädigende Wirkung erst in jüngster Zeit erkannt wurde. Durch die Auswahl der Untersuchungsgebiete werden die unterschiedlichsten geomorphologischen, klimatischen und nutzungstechnischen Einflussgrößen berücksichtigt. Um ein möglichst ganzheitliches Bild zu erhalten, wird der Fokus nicht auf einzelne, fischereirelevante Arten gelegt, sondern der Gesamtfischbestand erhoben und bewertet. Die Ergebnisse dieses Projektes werden daher eine wichtige Grundlage für weitere Entscheidungen in Bezug auf den Gewässerschutz liefern. Zudem können die Ergebnisse dieses Projektes einen wesentlichen Beitrag zur Ursachenfindung des europaweiten rückläufigen Trends der Süßwasser-Fischfauna liefern.

Mitarbeiter dieser Arbeitsgruppe

Bernd Pelster
Wolfgang Mark
Michael Niederwanger
Agnes Felber

Kreislaufentwicklung

Funktionelle Ontogenese des Kreislaufsystems

Die wechselseitige Abhängigkeit von Gastausch und Zirkulation in embryonischem und larvalen Fischen oder Amphibien stellt einen wichtigen Aspekt unserer Forschung dar. Von besonderem Interesse sind der Beginn neuronaler und humoraler Regelung des Herz-Kreislaufsystems, der Integration der Zirkulation, Gastausch und der embryonischen Entwicklungsplastizität.

Spezielle nicht-invasive Computer unterstützte Bildanalyse ermöglicht, ein breites Portefeuille von Herz-Kreislaufparametern zu messen. Parallel werden molekulare biologische Parameter wie Gen und Eiweißexpression in Betracht gezogen, um eine holistische Sicht auf die frühen Entwicklungsprozesse zu erhalten.

Unsere Forschung soll Einblick in die funktionelle Ontogenese des Kreislaufsystems liefern mit besonderem Interesse an der Flexibilität, mit wechselnden abiotischen Bedingungen in Bezug auf Sauerstoffzufuhr oder die Temperatur auf der einen Seite- und biotischen Einflüssen wie Aktivität oder genetische Unterschiede (Mutationen) andererseits.

Forschungseinrichtung und Zusammenarbeit mit dem Institut für Molekularbiologie:

Video: Cells and Fate - Teil 1
Video: Cells and Fate - Teil 2

Mitglieder dieser Arbeitsgruppe

Thorsten Schwerte (Leiter)
Bernd Pelster

Schwimmblasenfunktion und Laichwanderung des Aals

Der Europäische Aal ist ein katadromer Fisch, der den größten Teil seines Lebens im Süßwasser verbringt, und seinen Lebenszyklus mit der Laichwanderung zur Sargasso See beendet. Zu Beginn der Laichwanderung erfolgt eine ‚Metamorphose‘ (silvering) vom Süßwasser angepassten Gelbaal zum Blankaal oder Silberaal, der die 4000-5000 km lange Wanderung im Ozean vollführt. Diese Umwandlung zum Blankaal umfasst osmotische, hormonelle und histologische Modifikationen in verschiedenen Geweben. Veränderungen in der Schwimmblase mit den Retia mirabilia und den speziellen Gasdrüsenzellen lassen auf eine verbesserte Funktionsfähigkeit im Blankaal schließen. In diesem Projekt werden die molekularen Veränderungen in der Schwimmblase, die bei der ‚Metamorphose‘ erfolgen, sowie die Rolle der Schwimmblase als Auftriebsorgan während der Laichwanderung analysiert.

Mitglieder der Arbeitsgruppe sind:

Bernd Pelster (Leiter)
Gabriel Schneebauer

Umweltstress und Genregulation

Unsere Forschungsinteressen konzentrieren sich auf molekulare Regulationsmechanismen, die bei Umweltstress in wirbellosen Tieren, insbesondere in Regenwürmern, aktiviert werden. Regenwürmer sind als Hauptdünger des Bodens von großer ökologischer Bedeutung und wurden in einer Vielzahl von Studien als Sentinel-Organismen eingesetzt. Metallothioneine (MTs) sind Schlüsselfiguren in der molekularen Stressantwort, und wir konzentrieren uns auf die Analyse spezifischer Genaktivierungsmechanismen sowie allgemeiner Signalwege, die an der Koordinierung dieser zellulären Prozesse beteiligt sind. Wir sind außerdem daran interessiert, ob und wie wirbellose Landtiere in der Lage sind, sich an veränderte Umweltbedingungen anzupassen, und nutzen verschiedene Organisationsebenen von der molekularen Ebene bis zur Physiologie des Organismus, um diese wissenschaftlichen Fragen mit Hilfe von molekularen, physiologischen und -OMICS-Ansätzen anzugehen.