Spezielle Zoologie und Evolutionsbiologie

Die derzeit am Institut für Spezielle Zoologie und Evolutionsbiologie vertretenen Forschungsrichtungen lassen sich drei Disziplinen zuordnen:

  1. Evolutionsbiologie mit dem besonderen Interesse an systemischem Veränderungen;
  2. Evolution von Ontogenesen, wobei unsere Interessen von den molekularen und entwicklungsmechanischen Vorgängen bei der Bildung des Wirbeltierkopfes über die Ontogenese bei Fröschen bis zu perinatalen Vorgängen bei Säugetieren reichen und
  3. Systematik und Biodiversität bei Arthropoden, basalen Metazoa und Tetrapoden.

Für das Verständnis von Evolutionsprozessen ist das Erkennen von evolutionären Neuheiten und von historischen Limitierungen ein zentrales Anliegen. In vergleichenden Studien werden in der phylogenetischen Systematik nach genealogisch bedingten Gemeinsamkeiten gesucht oder in der funktionellen Morphologie nach Konvergenzen. Die Güte jeder evolutionsbiologischen Argumentation hängt von dem zugrunde liegenden Cladogramm ab. Phylogenetische Forschung ist deshalb ein Kernpunkt an unserem Institut.

Bei der Forschung am Bewegungssystem, insbesondere der Transformation vom Spreizgang der Reptilien zur Fortbewegung von Säugetieren und Vögeln bis hin zur technischen Konzeption von Laufmaschinen, suchen wir nach den mechanischen und strukturellen Bedingungen, welche der hohen Vielfalt von Bewegungen zugrunde liegen. Unser funktionsmorphologischer Ansatz sieht Strukturen und deren Möglichkeit zur Anpassung an spezifische Erfordernisse vor ihrem evolutiven Hintergrund. Die Lizenzen zur Veränderung sind demnach stetige Kompromisse, Optimierung besteht im Ausgleich unterschiedlicher Notwendigkeiten. Für die Forschung stehen uns in Jena in Deutschland und Europa einzigartige experimentelle Bedingungen zur Verfügung.

Die Entomologie beschäftigt sich mit der Phylogenie und Evolution der Insekten. Im Mittelpunkt stehen dabei die Verwandtschaftsbeziehungen der Großgruppen („Ordnungen“) und evolutive Transformationen. Innovative Methoden der Morphologie  spielen eine zentrale  Rolle, gleichzeitig bestehen intensive Kooperationen mit molekulargenetisch orientierten Arbeitsgruppen (v.a. Forschungsmuseum Koenig, Bonn). Bearbeitet werden alle 3 großen Gruppierungen der geflügelten Insekten (Polyneoptera, Paraneoptera, Holometabola). Evolutionsbiologisch interessieren uns besonders die vielfachen Übergänge zum Wasserleben der Insekten, deren Haftstrukturen sowie Phänomene wie Parasitismus (z.B. Strepsiptera), Miniaturisierung und evolutive Mechanismen in Zusammenhang mit Genitalstrukturen.

Die Arbeitsgruppe evolutionärer Entwicklungsbiologie (”EvoDevo”) beschäftigt sich vorwiegend mit der Entstehung und Evolution neuer Strukturen und deren Untersuchung dies unter entwicklungsbiologischen, morphologischen und phylogenetischen Gesichtspunkten. Mit breit gefächerten Methoden von der Molekulargenetik bis zum Neuralleisten – fate mapping untersuchen wir Lungenfische und Amphibien (Frosch- und Schwanzlurche sowie Blindwühlen). Bei Knochenfischen steht die Ontogenese der skeletomuskulären Verhältnisse des Kieferapparates und bei Säugetieren die Untersuchung von Mustern und Prozessen in der Evolution des Gehirns im Mittelpunkt.

Die Funktionelle Morphologie und Physiologie der Basalen Metazoa befasst sich mit der frühen Evolution von funktionellen Einheiten innerhalb der vielzelligen Tiere. Der Schwerpunkt liegt dabei auf signalverarbeitenden Systemen, sowie Kontraktions- und Lokomotionssystemen in Tiergruppen, die weder Nervensysteme noch Muskeln besitzen, jedoch zu koordinierten Bewegungen befähigt sind. Im Mittelpunkt des Interesses stehen dabei die früh evolvierten Schwämme, sowie die weniger bekannte Gruppe der Placozoa. In einem integrativer Ansatz werden vergleichende anatomische, funktionsmorphologische, physiologische und molekulargenetische Studien an einer Reihe ausgewählter Vertreter dieser Metazoen-Gruppen durchgeführt.

Das Phyletische Museum ist als Teil des Institutes aktiv in die Forschungsarbeiten einbezogen. Dank einer umfangreichen Sammlung an Wildkatzen konnte beispielsweise auch in Zusammenarbeit mit dem BUND mit morphologischen und molekulargenetischen Methoden der Status der Thüringer Wildkatzen im Verhältnis zu anderen Wildkatzenpopulationen in Deutschland und Europa ermittelt werden und damit ein aktiver Beitrag zum Schutzprogramm erbracht werden.

Biodiversität und Evolution der Pflanzen

Biodiversität und Evolution der Pflanzen bilden die Schwerpunkte des Instituts für Spezielle Botanik in Forschung und Lehre. Das Institut besteht aus dem Lehrstuhl für Spezielle Botanik, der Professur für Biodiversität der Pflanzen, dem Botanischen Garten sowie dem Herbarium Haussknecht.

Thematische Schwerpunkte liegen unter anderem in der Rekonstruktion der Evolution der Landpflanzen aufgrund der vergleichenden Analyse von genomischen Daten. Seit vielen Jahren wird auch zur Familie der Korbblütler (Asteraceae) geforscht. In verschiedenen Projekten werden hier phylogenetische, taxonomische, reproduktionsbiologische und phylogeographische Aspekte untersucht. Dabei konzentrieren wir uns einerseits auf die Gruppe um die vorwiegend mediterran-vorderasiatische Gattung Centaurea und andererseits auf die neuweltliche Gattung Baccharis und ihre Verwandten.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt bei der Systematik, Phylogenie und Biogeografie der Moose, zurzeit vor allem im Kaukasusgebiet. Bei diesen Forschungen bilden die Bestände des Herbarium Haussknecht eine besonders wichtige Grundlage; es handelt sich um eine der fünf größten Moossammlungen weltweit.

Weiter beschäftigen wir uns mit den Auswirkungen von Landnutzungs- und Klimawandel auf die Biodiversität auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen. Im Vordergrund steht die Analyse der Prozesse und Mechanismen, die die Verbreitung von (Pflanzen-) Arten, deren Seltenheit und die Zusammensetzung von Pflanzengesellschaften bestimmen. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Analyse und Bewertung der Veränderungen von Ökosystemstruktur und -funktionen bei Globalem Wandel unter Verwendung von funktionellen Merkmalen.

Eher anwendungsorientiert sind auch Projekte und Arbeiten, die sich mit der Mikroevolution von Pflanzen auf Sonderstandorten befassen. Besonderes Augenmerk gilt hier der Frage, wie Pflanzen Standorte wie Abraumhalden des Kupferschieferbergbaus erobern und welche Auswirkungen die widrigen Lebensumstände auf die genetische Struktur der Populationen haben. Eng mit dieser Frage verbunden sind Forschungen zu Vegetation und Diversität in der Kulturlandschaft. Wie haben sich Ackerwildkräuter entwickelt, woher stammen sie? Wie gelingt es, die pflanzliche Biodiversität auch beim großflächigen Anbau von nachwachsenden Rohstoffen (Energiepflanzen) zu sichern? Wie verläuft die Sukzession an vom Menschen geformten Standorten?

Für seltene Pflanzenarten unserer Flora entwickeln wir Konzepte zu Artenhilfsmaßnahmen. Die Samenbank Thüringer Wildpflanzen und der Botanische Garten sind Bestandteile der Forschungsinfrastruktur auf diesem Gebiet.

Nicht zuletzt existiert auch ein Forschungsschwerpunkt zur Theorie und Geschichte der Botanik, wobei eine enge Zusammenarbeit mit dem Institut für Theorie und Geschichte der Naturwissenschaft und Technik der Friedrich-Schiller Universität besteht. Praktisch umgesetzt werden unsere Forschungsergebnisse u. a. im Botanischen Garten, der in seiner Konzeption auf die Goethezeit zurückgeht.

Das Angebot für Studierende des Masterstudienganges MEES mit Schwerpunkt im Bereich Biodiversität und Evolution der Pflanzen umfasst neun Module zu folgenden Themenkomplexen: Mikro- und Makroevolution der Pflanzen, Anthropogene Lebensräume, Vegetation der Erde, Versuchsplanung in der Biodiversitätsforschung und die statistische Methoden in der Biodiversitätsforschung (Statistikkurs in R). Das Programm des ersten Studienjahres kann durch eine zweiwöchige Großexkursion sowie durch frei wählbare Module aus dem Angebot der anderen MEES-Fächer oder auch Geographie-Kursen (z.B. GIS/ Fernerkundung) abgerundet werden.

Abschlussarbeiten können sowohl im Rahmen von aktuellen Forschungsprojekten als auch in eher anwendungsorientierten Gebieten, oft auch in Kooperation mit den Naturschutzbehörden und den Thüringer Landesanstalten (z.B. TLL, TLUG) durchgeführt werden.

Ökologie

Die Ökologie an der Friedrich-Schiller-Universität ist stark auf die wissenschaftliche Grundlagenforschung ausgerichtet. Dementsprechend nehmen die theoretische Ökologie und das konzeptionelle Verständnis des Fachs einen breiten Raum in der Ausbildung ein. Forschungsschwerpunkte des Instituts, die sich auch in der Lehre widerspiegeln, sind die funktionelle Biodiversitätsforschung, die aquatische Geomikrobiologie und die Verhaltensökologie von Säugetieren und Vögeln.

In der funktionellen Biodiversitätsforschung liegt der Schwerpunkt auf den trophischen Interaktionen von Insektengesellschaften in Grasländern. Dabei steht die Frage im Vordergrund, wie sich die pflanzliche Artendiversität auf die höheren trophischen Ebenen und in der Folge auf die Stoffumsätze auswirkt. Mit dem Jena-Experiment wird vom Institut für Ökologie eines der weltweit größten Forschungsprojekte zur funktionellen Biodiversitätsforschung betrieben.

Die aquatische Geomikrobiologie befasst sich vorrangig mit der Frage, wie Stoffumsätze an der wichtigen Schnittstelle zwischen Boden und Wasser von Mikroorganismen beeinflusst werden. Für diese Forschungsrichtung, bei der ebenfalls Fragen der Biodiversität eine wichtige Rolle spielen, besteht eine enge Kooperation mit den Biogeowissenschaften der Chemisch-Geowissenschaftlichen Fakultät sowie mit dem in Jena ansässigen Max-Planck-Institut für Biogeochemie. Ein Schwerpunkt der Arbeitsgruppe sind belastete Gebiete wie das Wismut-Sanierungsgebiet im ehemaligen Uranabbaurevier Ronneburg sowie Tagebaurestseen in Braunkohlerevieren.

Die Verhaltensökologie geht der Frage nach, wie Verhaltenstrategien als Anpassungen an unterschiedliche ökologische Herausforderungen evolutiv entstanden sind. Die Arbeitsgruppe Kleinsäugerökologie führt dazu experimentelle Arbeiten auf Populationsniveau mit Wühlmäusen als Modellsystem in der Großgehegeanlage Remderoda durch. Für diese Arbeiten finden auch landschaftsökologische Aspekte Berücksichtigung, die einen Bezug zu angewandten Fragestellungen des Naturmanagements haben. Die Arbeitsgruppe Polar- und Ornitho-Ökologie arbeitet seit vielen Jahren in der Antarktis und befasst sich unter anderem mit Brutstrategien von Seevögeln in einer von extremen Schwankungen bestimmten Umwelt. Durch die Ausarbeitung von Managementplänen für die Vereinbarkeit von Naturschutz und Tourismus in der Antarktis besteht auch in dieser Gruppe eine Verbindung zu anwendungsorientierten Aspekten.

Das Studienprogramm in der Fachrichtung Ökologie umfasst fünf obligatorische Module mit insgesamt 30 LP, die die theoretischen und konzeptionellen Grundlagen sowie anspruchsvolle statistische Methoden der Datenanalyse vermitteln. Zu dem obligatorischen Studienprogramm gehören weiterhin ein Forschungspraktikum sowie eine etwa zweiwöchige Großexkursion, die häufig Expeditionscharakter hat. Mit den restlichen 10 LP kann innerhalb der Ökologie die Vertiefung eines Fachgebietes erfolgen, das bereits zur Masterarbeit hinführen soll.