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HighLife - Utilising ancient DNA preserved in lake sediments to reconstruct pastoralism and transhumance in the Alps

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Applicant Morlock Marina Alexandra
Number 188256
Funding scheme Early Postdoc.Mobility
Research institution Dept of Ecology & Enivironmental Science Umea University
Institution of higher education Institution abroad - IACH
Main discipline Hydrology, Limnology, Glaciology
Start/End 01.07.2020 - 31.12.2021
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All Disciplines (3)

Discipline
Hydrology, Limnology, Glaciology
Geology
Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy

Keywords (6)

transhumance; PCR inhibition; sedimentary ancient DNA; land-use change; pastoralism; erosion

Lay Summary (German)

Lead
Ziel unserer Forschung ist ein verbessertes Verständnis über das Zusammenspiel von Erosion, Landnutzung und Klima in alpinen Ökosystemen über längere Zeiträume, insbesondere seit Ende der letzten Eiszeit vor ca. 10,000 Jahren. Darüber hinaus gibt das Projekt Aufschluss über die Aussagekraft und das Potential von sedimentärer DNA-Analyse zur Rekonstruktion der regionalen Umweltbedingungen.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Die neue Methode der sedimentären DNA-Analyse ermöglicht einen einmaligen Einblick in die Beziehung zwischen menschlicher Aktivität und Veränderungen der Ökosysteme im alpinen Raum. Insbesondere kann der Nachweis von Nutztier-DNA in Seesedimenten als unabhängiger Nachweis für regionale Viehwirtschaft einen wichtigen Beleg für den Eingriff des Menschen in alpine Ökosysteme liefern. Der Fokus des Projekts liegt einerseits auf dem Weitertransport von Nutztier-DNA vom Einzugsgebiet in die Seesedimente. Ziel ist es, DNA der im Einzugsgebiet weidenden Tiere zuverlässig in den Oberflächensedimenten nachzuweisen. Diese Beweiskette legt den Grundstein für die Interpretation älterer Seesedimente. Ziel des zweiten Projektteils ist es, mithilfe von Nutztier-DNA in älteren Seesedimenten Beginn und Art der Alpwirtschaft seit der letzten Eiszeit zu rekonstruieren. Da Seesedimente auch Aufschluss über andere Umweltfaktoren wie beispielsweise Bewaldung und Erosion geben, ist es weiterhin möglich, Zusammenhänge zwischen menschlicher Aktivität und deren Auswirkungen auf alpine Ökosysteme geben.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext

Der Klimawandel ist eine der grössten Herausforderungen unserer Zeit. Um die Auswirkungen von Mensch und Klima auf alpine Ökosysteme zu verstehen, ist es essentiell, das Zusammenspiel sowie die Auswirkungen dieser beiden Faktoren gesondert zu verstehen. Bei Rekonstruktionen über längere Zeiträume mithilfe natürlicher Archive ist die Trennung von Klima und Mensch häufig schwierig. Sedimentäre DNA-Analyse ermöglicht einen eindeutigen Nachweis von Nutztieren und anderen vom Menschen eingeführten Organismen in Ökosystemen und somit eine Zuordnung von beobachteten Umweltveränderungen auf menschliche Aktivität. Unsere Forschung gibt Aufschluss über den menschlichen Einfluss im Hochgebirge seit Ende der letzten Eiszeit und trägt so bei zum Verständnis von natürlichen im Gegensatz zu vom Menschen beeinflussten Ökosystemen.

Direct link to Lay Summary Last update: 16.07.2019

Responsible applicant and co-applicants

Abstract

Understanding the drivers and effects of ongoing climate change represents one of the main challenges of our time. In this context, the Alps have already been shown to respond to global warming with substantial ecosystem changes during the last century. However, climate is not the only driver of large-scale environmental change, and some of the ongoing change has been attributed to transformations in land-use. To predict future changes in landscape evolution and soil erosion, it is critical to better understand how past climate and human activities have influenced the alpine environment. This postdoctoral project will utilize recent advances in sedimentary ancient DNA (sedaDNA) analysis to reconstruct past changes in animal husbandry in order to distinguish between signals of climate change and land-use transformations. The overarching goal of this project will be to understand how erosion, land-use, and climate shape alpine ecosystems through time, with the potential of applying sedaDNA to other ecosystems in the future and establishing the method in Switzerland.In a first step, the project will investigate the transfer of the DNA signal from the lake catchment to the sediments. A survey of surface sediments from 10 mountain lakes along with sampling of topsoils and streams will be conducted to investigate the detection and transfer of livestock DNA from the catchment to lake sediments. We will focus on end-member catchments where livestock farming is currently practiced, and others where no animal farming occurs. A key question will be how well the quantity and quality of DNA transferred from the catchment to the surface sediment reflects current land use. In a second step, the sediment record from Lake Grosssee in the Eastern Swiss Alps will be analysed to reconstruct environmental changes with an emphasis on past human activities (i.e., animal husbandry) and their impact on lake and catchment conditions during the Holocene. The lake is well studied and contains multiple discrete flood layers, which are characterised by high abundance of terrestrial organic matter (OM) and, potentially, sedaDNA. The project also involves linking OM degradation parameters that were recently developed at the host institution, to DNA preservation. The Lake Grosssee sediments record a strong and lasting pulse of increased erosion at ~4,000 years before present (years BP), which is thought to be primarily induced by anthropogenic/livestock impacts. A successful reconstruction of the presence and type of livestock herded in the Lake Grosssee catchment will provide an important step towards better characterising human activities in sensitive mountain regions and their effects on erodibility, landscape evolution, and vegetation dynamics.During the proposed project I will be hosted by Dr. Jonatan Klaminder and Prof. Dr. Richard Bindler at the Department of Ecology and Environmental Science at Umeå University, Sweden. The department has a long record of method development at the forefront of palaeolimnology and offers state-of-the-art facilities for the analyses of lake sediments, sedaDNA, and OM. Dr. J. Klaminder is an expert on sedaDNA analyses and human-climate interactions, and Prof. Dr. R. Bindler is a renowned specialist in palaeolimnology, palaeoecology, and organic geochemistry. Lake Grosssee sediment cores are available at the Institute of Geological Sciences, Univ. of Bern and are ready to be analysed, but no specialised facilities for sedaDNA analyses are currently available in Switzerland. Fieldwork to collect surface sediment and catchment samples is planned for autumn 2019.
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