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Besuch im Labor: Es rauschen Pumpen, auf zwei Holztischen stehen je sechs längliche Glasglocken in einer Reihe. In ihnen befinden sich Maispflanzen, über ihnen gleissendes LED-Licht, das für Wachstum sorgt. Einige Pflanzen sind intakt, einige zerfressen – von kleinen, sich windenden Raupen, wie ein genauerer Blick zeigt. Die Glasglocken sind durch dünne weisse Teflonschläuche miteinander verbunden. «So können wir verfolgen, wie der Mais über die Luft Informationen austauscht, in Form von Duftmolekülen», sagt Ted Turlings. «Besonders interessiert uns zu sehen, was passiert, wenn die Pflanzen von Schädlingen befallen werden.»
«Die Biologie fasziniert mich seit meiner Kindheit.
Turlings, Professor an der Universität Neuenburg, ist einer der weltweit führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der sogenannten chemischen Ökologie. Diese befasst sich mit chemischen Prozessen, die es verschiedenen pflanzlichen und tierischen Organismen – im letzteren Fall vor allem Insekten – ermöglichen, miteinander zu interagieren. Im September 2023 erhielt er für seine Grundlagenforschung, die er vor fast 40 Jahren begonnen hat, den Marcel Benoist Preis, die renommierteste wissenschaftliche Auszeichnung der Schweiz. Seine Arbeiten verheissen heute vor allem in der biologischen Landwirtschaft wichtige Anwendungen, namentlich bei der biologischen Schädlingsbekämpfung.
«Die Biologie fasziniert mich seit meiner Kindheit», sagt der 64-jährige Niederländer. Äusserlich zurückhaltend, ist er zugleich sehr herzlich im Umgang. Nach seinem Universitätsstudium in Leiden ging Ted Turlings in die USA: «1985 war ich 25 Jahre alt und ein junger, unbekümmerter Doktorand beim US-Landwirtschaftsministerium in Gainesville, Florida», erinnert er sich. «Alle im Labor gaben vollen Einsatz. Mir übertrug man eine sehr klare Forschungsfrage». Nämlich: Wie schaffen es die parasitische Wespen Cotesia marginiventris, genau jene Maisblätter anzusteuern, auf denen sich die Raupen Spodoptera exigua befinden, in deren Körper sie ihre Eier ablegen, um sich zu vermehren? Durch die Kette dieser Vorgänge wird die Pflanze die Raupe los, weil diese von der Wespenbrut gefressen wird. Verstünde man diese Prozesse besser, so liesse sich vielleicht ein natürliches Mittel entwickeln, das Heerscharen von Raubwespen anlockt, welche die Schädlinge töten.
Mais und Wespen im selben Tunnel
Die ihm gestellte Frage erforscht der Doktorand Ted Turlings mit Hilfe eines mehrere Meter langen, geschlossenen, rechteckigen Kanals aus Plexiglas. Im Inneren dieses «Flugtunnels» platziert er an einem Ende eine von der Raupe S. exigua angefressene Maispflanze. Am anderen Ende setzt er die parasitische Wespe ein. Ziel des Experiments: Beobachten, wie und wie schnell das Insekt das Ziel erreicht, und gleichzeitig die Duftmoleküle in der Luft der Röhre analysieren.
«Wir nahmen an, dass die Wespe durch den Geruch der Raupe oder ihrer Ausscheidungen angelockt wird», erinnert sich Ted Turlings. «Doch merkten wir schnell, dass es vielmehr der Mais ist, der die Lockstoffe abgibt, wenn er von der Raupe befallen wird.» Zunächst habe er vermutet, dass der Effekt immer zustande kommt, sobald das Maisblatt zerrissen wird, zum Beispiel auch manuell. Doch das erwies sich als falsche Fährte: Ohne Raupe ist die Pflanze für die Wespe uninteressant. Hingegen konnte Turlings zeigen, dass sich die Wespe auch auf beschädigte Blätter stürzte, wenn er diese zwar selbst beschädigt hatte, aber zusätzlich den Speichel der Raupe darauf auftrug. «Das war äusserst faszinierend», erinnert er sich heute, «denn es deutete darauf hin, dass die Pflanze den lebenden Organismus, der an ihr nagt, erkennt und entsprechend handelt, indem sie spezifische flüchtige Moleküle ausstösst, die quasi einen Hilferuf an die parasitische Wespe darstellen.»
«Ich bin dann in die Erwachsenenwissenschaft geraten.»
Der junge Doktorand ging diesem Hinweis hartnäckig nach – und schaffte es als erster Wissenschaftler, die genaue chemische Identität dieser Moleküle zu bestimmen. Im November 1990 publizierte Science, eine der renommiertesten wissenschaftlichen Zeitschriften, seine Entdeckung. Ein Durchbruch, den auch viele andere Forschungsgruppen, die mit anderen Pflanzen und Insekten arbeiteten, angestrebt hatten. Doch zunächst wurden Ted Turlings Ergebnisse von anderen Biologen heftig kritisiert. Denn es gelang ihnen nicht, sie zu reproduzieren – weil sie nicht dieselbe Pflanzenart verwendeten. «Das hat mich verunsichert und frustriert, da ich keine Erfahrung damit hatte, so infrage gestellt zu werden», sagt Turlings. Zudem brauchte es damals viel Zeit, solche Experimente zu wiederholen, weil diese Art der chemischen Analyse oft mehrere Monate dauerte, während sie mit den heute verfügbaren Instrumenten (einem Gaschromatographen, der mit einem Massenspektrometer gekoppelt ist) innerhalb eines Tages durchgeführt werden kann. Doch schliesslich wurden Turlings’ Resultate bestätigt. «So bin ich in die Erwachsenen-Wissenschaft hineingerutscht», sagt er und verweist dabei auf die Begeisterung, mit der seine Arbeiten schliesslich aufgenommen wurden.
Nach den ausschlaggebenden Faktoren für diesen Erfolg gefragt, antwortet Turlings: «Ich hatte Glück. Mais hat sich als ideale Pflanze für diese Forschungsrichtung erwiesen, da er bei einem Angriff viele flüchtige Moleküle abgibt.» Und als Doktorand habe er von den Ratschlägen und Ermutigungen seines Mentors profitiert, dem weltbekannten James Tumlinson, der Anfang 2022 verstarb. «Er sagte mir immer wieder: Dot all your i’s, cross all your t’s [deutsch: «Setze einen Punkt auf jedes i, kreuze jedes t»]. Mit anderen Worten, er betonte, dass man auf jedes Detail achten muss. Das hat sich ausgezahlt.»
An den Leitspruch seines Mentors hielt sich Ted Turlings auch weiterhin und im Laufe der Jahrzehnte folgte ein Erfolg auf den anderen. Seiner Gruppe gelang es, das von ihm Volicitin benannte Molekül im Speichel der Raupen zu identifizieren («zwei Jahre Arbeit», sagt der Forscher). Anschliessend entdeckte er, welches Gen im Mais durch den Speichel der Raupen aktiviert wird und für die Produktion der Duftmoleküle verantwortlich ist. Beide Entdeckungen hatte er zwar noch in den USA gemacht, doch befand er sich bereits in der Schweiz, als sie veröffentlicht wurden. Hier verfolgte er seine Karriere zunächst an der ETH Zürich weiter, von 1993 bis 1996, bevor er an die Universität Neuenburg ging. Dort gelang es ihm und seinem Team aufzuzeigen, dass auch gesunde Pflanzen, die neben einer befallenen Pflanze stehen, deren flüchtige Warnsignale wahrnehmen.
«Früher sprach man lieber nicht von Kommunikation zwischen Pflanzen, da dies implizierte, dass die angegriffenen Pflanzen mit dem Ziel handeln würden, evolutionär von der Warnung ihrer Artgenossen zu profitieren. Es hätte aber auch sein können, dass sie nur intrinsisch auf das Alarmsignal reagieren», so Turlings. «Auch heute noch werden diese Konzepte sowie das Vokabular, mit dem sie beschrieben werden, intensiv diskutiert.» Das Forschungsfeld ist denn auch sehr lebendig: Seit Ted Turlings’ Entdeckung haben verschiedene Gruppen gezeigt, dass auch andere Pflanzenarten auf diese Weise räuberische Insekten zu Hilfe rufen.
Geruchssensoren
Die von Turlings erzielten Fortschritte in der Grundlagenforschung wurden nach und nach in konkrete Anwendungen umgesetzt. Seit 2018 entwickelt der Forscher im Rahmen des Projekts Agriscents Geräte mit biochemischen Sensoren. Sie erfassen flüchtige Verbindungen, die von befallenen Pflanzen abgegeben werden. Unterstützt wird diese Forschung durch ein Stipendium des Europäischen Forschungsrats. Ziel ist es ein System zu entwickeln, das landwirtschaftliche Produzenten rechtzeitig vor Schädlingsbefall warnt. «Die ersten Ergebnisse zeigen, dass sich auf diese Weise Schädlinge in 80-90 Prozent der Fälle aufspüren und identifizieren lassen», so Turlings.
Das Team testet dabei zwei Arten von Sensoren: Einer ist klein und günstig, aber empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen und daher weniger zuverlässig. Der andere ist mit Kosten von mehreren hunderttausend Franken sehr viel teurer und relativ gross, aber äusserst zuverlässig und in der Lage, Warngerüche in Echtzeit aufzuspüren (im Gegensatz zum ersten Typ, der hierzu bis zu einer Minute benötigt)
«Diese Sensoren könnte man etwa in Landwirtschaftsmaschinen nutzen, die sich auf Feldern bewegen und Pestizide ganz gezielt nur dann und dort versprühen, wo sie Schädlinge entdecken», erklärt Ted Turlings. Für ihn ist dies eine der wichtigsten Auswirkungen seiner Entdeckung aus dem Jahr 1990: Sie soll dazu beitragen, den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln massiv zu reduzieren. Derzeit finden in der Region Yverdon-les-Bains Tests in Zusammenarbeit mit Ecorobotix statt. Dieses kleine Unternehmen entwickelt automatisierte Landwirtschaftsmaschinen, die mithilfe von Kameras Unkraut aufspüren.
Würmergel schützt Pflanzen
Ted Turlings möchte mit solchen Geräten auch eine seiner anderen Entdeckungen in die Praxis umsetzen, die er an der Universität Neuenburg gemacht hat. Pflanzen rufen Insekten nicht nur an der Oberfläche, sondern auch unter der Erde zu Hilfe. So geben etwa die Wurzeln einer Maissorte grosse Mengen Caryophyllen in die Erde ab, wenn sie von den Larven des Käfers Diabrotica virgifera befallen werden. Die Substanz lockt die Fadenwürmer Heterorhabditis megidis an, die in die Käferlarven eindringen und sich dort vermehren, was zum Tod der Larven führt. Allerdings haben die meisten amerikanischen Maissorten im Laufe der Zeit die Fähigkeit verloren, dieses Warnsignal auszusenden; sie werden deshalb nicht mehr angebaut.
Doch auch andere Pflanzen produzieren Caryophyllen, zum Beispiel Oregano. «Wir haben es geschafft, das Gen, das bei Oregano für die Herstellung von Caryophyllen verantwortlich ist, in eine amerikanische Maissorte einzupflanzen», so Turlings. «In unseren Versuchen wurden daraufhin massenhaft Fadenwürmer angelockt. Genug, um die Schädlinge zu vernichten». Aus dieser Arbeit ist allerdings keine praktische Anwendung hervorgegangen, denn das hätte eine genetische Manipulation der ursprünglichen Pflanzen vorausgesetzt.
Turlings weiss um die Debatten rund um genveränderte Organismen. Er sagt: «Man muss sich bewusst machen, dass die konventionellen Strategien zur Züchtung neuer Pflanzensorten manchmal riskanter sind. Bei der Kreuzung zweier Sorten befindet man sich in genetischer Hinsicht oft ein bisschen im Blindflug, das heisst, das Resultat kann eine Sorte mit bisher unbekannten, möglicherweise auch schädlichen Merkmalen sein. Bei den modernen Techniken der Genveränderung weiss man hingegen genau, was man tut. Doch man muss sehr genau arbeiten».
Bei den Studien zum Befall der Pflanzenwurzeln kam ihn die Idee, dass die gleichen Würmer nicht nur unter der Erde, sondern möglicherweise auch gegen Schädlinge auf den Maisblättern eingesetzt werden könnten. Er testete dies mit der Raupe des Herbst-Heerwurms (Spodoptera frugiperda), einer invasiven Schmetterlingsart, die ursprünglich aus Amerika stammt. «Sie wurde 2016 zum ersten Mal in Afrika beobachtet», so Turlings. «Seitdem hat sie den Kontinent südlich der Sahara vollständig besiedelt und Schäden in Milliardenhöhe verursacht. Und sie ist inzwischen auch in Asien weit verbreitet. Mit ihrer Fähigkeit, über sehr grosse Entfernungen zu wandern, und mit Hilfe der globalen Erwärmung kommt sie langsam nach Europa; in Zypern wurde sie bereits nachgewiesen.» Doch weil sie noch nie mit insektenfressenden Fadenwürmern in Berührung gekommen ist, sei es sehr wahrscheinlich, dass sie keinen Abwehrmechanismus dagegen besitzt
Im Labor trugen die Wissenschaftler ein Gel, das besagte Fadenwürmer enthält, auf von der Raupe angefressene Maispflanzen auf. Mit Erfolg: Die Raupen wurden sofort geschädigt. Es folgte ein Feldversuch in Ruanda. «Auch hier haben wir festgestellt, dass die Schädlinge durch die Würmer genauso effektiv wie mit Pestiziden beseitigt werden, der einzigen anderen derzeit verfügbaren Lösung gegen diese Plage», so Ted Turlings. Nun sollen die Versuche mit dem gezielten Einsatz des Gels auf befallene Kulturen ausgeweitet werden; in Kürze wird ein Test mit den intelligenten Systemen von Ecorobotix lanciert.
Zur Ernährungssicherheit beitragen
Ted Turlings betrachtet all diese Arbeiten vor dem Hintergrund globaler Herausforderungen: «Die Landwirtschaft ist die Ursache für sehr viele Probleme, man denke etwa an die riesigen Pestizidmengen, die ausgebracht werden», sagt er. «Das hat erhebliche negative Auswirkungen auf die Umwelt, oft aber auch auf die Menschen, die vor allem in Afrika und Asien ungeschützt damit arbeiten. Mit neuen Ansätzen können wir jedoch zu einer nachhaltigen Landwirtschaft beitragen, die Ernährungssicherheit gewährleistet, auf die alle Menschen ein Anrecht haben. Reiche Länder wie die Schweiz müssen Forschung betreiben mit dem Ziel, die Ernährungssicherheit zu erhöhen und gleichzeitig die Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren. Und dazu bietet uns die Natur zuverlässige und kostengünstige Lösungen – wie diese Fadenwürmer. Doch man kann sicherlich nicht überall automatisierte Landwirtschaftsmaschinen mit Geruchssensoren einsetzen. Wir müssen solche modernen Methoden zwar weiter erforschen, sollten aber auch zu einfachen Lösungen gelangen. Eben haben wir in Afrika gezeigt, dass man dieses Wurmgel auch von Hand auf die Kulturen aufbringen kann, mit einem Werkzeug ähnlich einer grossen Spritze.»
«Die Natur bietet uns zuverlässige und kostengünstige Lösungen.»
«Idealerweise würden solche neuen Lösungen ergänzend zu traditionellen landwirtschaftlichen Methoden eingesetzt, die weltweit erhalten und gefördert werden sollen. Das ist machbar», ist der Familienvater überzeugt. Dabei interessiert er sich nicht nur von Berufs wegen für unterschiedlichste landwirtschaftliche Techniken. Vielmehr sind das Reisen und das Entdecken anderer Kulturen seine grösste Leidenschaft, die Ted Turlings mit seiner mexikanischen Frau teilt. Als er nach seinem Zwischenstopp in Florida über seine weitere Karriere nachdachte, hätte er auch Stellen auf den Philippinen oder in Neuseeland annehmen können. Doch er entschied sich 1993 für die Schweiz. Dabei ging er an die ETH Zürich weniger wegen ihres internationalen Rufs, «sondern aufgrund meiner Forschungsinteressen, und weil ich hier ein gutes Gehalt und die Nähe zu meiner Familie in den Niederlanden verbinden konnte». Nach drei Jahren wechselte Turlings dann an die Universität Neuenburg, ins Labor für Tierökologie und Entomologie. Hier verfolgte er seine Arbeiten weiter, wurde ordentlicher Professor und übernahm die Leitung des Laboratoire de recherches fondamentales et appliquées en écologie chimique (FARCE).
«Die Universität ist klein und nicht sehr bekannt», so Turlings. «Das ist zwar manchmal ein Nachteil, doch wir haben hier grossartige Forschende, arbeiten höchst professionell, und ich kann hier einzigartige Projekte verfolgen». Diesbezüglich sei er auch dem Schweizerischen Nationalfonds sehr dankbar, der seine Arbeiten seit Jahren immer wieder finanziell unterstützt, in einem Nationalen Forschungsschwerpunkt ebenso wie in einem Nationalen Forschungsprogramm, mit Sinergia-Projekten und mehr. Dies habe ihm ermöglicht, in seiner Forschungsgruppe immer wieder mit hervorragenden jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zusammenzuarbeiten. «Bis heute, da ich mit dem Marcel Benoist Preis ausgezeichnet wurde, bin ich absolut überzeugt von meiner Entscheidung für Neuenburg.» Turlings unterrichtet hier auch einen der einzigen Kurse in chemischer Ökologie in der Schweiz, obwohl «es so viel zu erforschen gibt, wenn man beginnt, die chemischen Interaktionen zwischen unterschiedlichen Organismen aufzudecken.»
Wissen teilen
Im Gespräch mit Turlings wird schnell klar: Er will sein Wissen auch weitergeben, so dass andere davon profitieren, genauso wie er damals von seinem Mentor profitieren durfte. Er denkt dabei an die Universitäten bei uns ebenso wie an die Zusammenarbeit mit Entwicklungsländern oder an die zahlreichen gemeinsamen Projekte mit Universitäten in China. Dabei geht es ihm um mehr als nur wissenschaftliche Forschung: «Die Kombination traditioneller landwirtschaftlicher Praktiken mit innovativen, aber einfachen und von der Natur inspirierten Technologien wird die Landwirtschaft weiterbringen. Neue, nachhaltige Strategien zur Lösung des Problems der Ernährungssicherheit werden sich auch stark und positiv auf die Wirtschaft auswirken. Das könnte junge Landwirte in Entwicklungsländern dazu bewegen, vor Ort neue Wege zu gehen, statt sich an den Migrationsbewegungen zu beteiligen». Aktuell ist der Biologieprofessor auf der Suche nach Fördermitteln, um seine Ideen in Zusammenarbeit mit einer Forschungsgruppe in Kenia voranzutreiben und in die Praxis umzusetzen.
Nun, mit baldigem Erreichen des offiziellen Rentenalters, kann Ted Turlings seine Entdeckung, die er vor vier Jahrzehnten gemacht hat, nochmals in einer neuen Dimension weiterentwickeln – immer getrieben von der Neugier auf die Natur, die sich als roter Faden durch sein ganzes Schaffen zieht.