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Extreme Ökosysteme

Wüste lebt
Unter den richtigen Bedingungen blüht sogar die Wüste (Quelle: Felde, JLU Gießen)

von Jasmin Krenzer

Erstes Beispiel: Die Wüste lebt

Der Negev ist eine Halbwüste im Süden Israels. Hier wächst nicht viel, Nährstoffe sind rar – die beheimateten Mikroorganismen müssen mit dem wenigen auskommen, was da ist. Auf der täglichen Speisekarte der Bakterien, Pilze, Flechten und Moose steht deshalb vor allem eins: Sand. Über das Jahr verteilt gibt es nur sehr geringe Mengen an Niederschlag und diese auch nur von November bis Februar. Im Rest des Jahres herrscht Wassermangel. Während es im Sommer am Tag über 40 Grad heiß wird, fallen nachts die Temperaturen rapide ab. Starker Wind und Sandstürme machen den Lebensraum zusätzlich ungemütlich.

In diesem lebensfeindlichen Gebiet sind besondere Tricks zum Überleben notwendig: Um sich vor der aggressiven, ultravioletten Sonnenstrahlung zu schützen, ruhen die Bakterien im Staubfilm. Sobald aber Feuchtigkeit die Oberfläche erreicht, wandern sie nach oben – so wird jeder Tautropfen genutzt. Außerdem betreiben die Mikroorganismen eine besonders effiziente Photosynthese – der Stoffwechsel ist überlebenswichtig.

Doch gerade die Krustenbildung begünstigt ein natürliches Bewässerungssystem. Durch das Gefälle der Dünenlandschaft rinnt Wasser über die extrem trockene Oberfläche und sammelt sich in Senken. Es entstehen oasenähnliche, fruchtbare Inseln – der Fachmann spricht von Hotspots – in denen auch eine lebendige Vegetation in der Wüste möglich ist. Die leicht klebrigen Krusten binden den Sand und schützen die Pflanzen davor, von Wanderdünen begraben zu werden.

Vincent Felde vom Interdisziplinären Forschungszentrum (IFZ) in Gießen untersucht diese Krusten. Er sieht ein steigendes Interesse an seinem Fachgebiet: „In meinen Augen wird das Potential von Bodenkrusten als Werkzeug in der Ökosystem-Sanierung immer mehr wahrgenommen und erforscht, etwa wenn wir an die Wüstenbekämpfung denken.“ Die Überschneidungen mit anderen, anwendungsbezogenen Disziplinen sind für ihn dabei offenkundig: Zwischen unserer Forschung und politisch-sozioökonomischen Belangen gibt es eindeutige Zusammenhänge. Gerade in Bezug auf die stetig wachsende Weltbevölkerung und die damit einhergehende Notwendigkeit, Nahrungsmittel zu produzieren“, sagt Felde. Wer nach fruchtbarem Ackerland suche, stoße auf die Thematik der Bodenkrusten: Welche Krusten machen karge Böden fruchtbarer? Wie können sie bei entsprechend angepasster Landnutzung die Wüstenausbreitung verhindern? Fragen, die sowohl Biologen als auch Politologen und Ökonomen beschäftigen werden, glaubt der junge Forscher.

Ein gutes Beispiel ist Israel, das Felde für Forschungszwecke schon mehrfach besucht hat. Sollten die Grenzen am Gazastreifen neu verhandelt werden, könnten die bisher unattraktiven Gebiete im Süden an Bedeutung gewinnen. Felde möchte mit seinen Ergebnissen das landwirtschaftliche Potenzial der Negev neu beurteilen.

Zweites Beispiel: Eiskalte Überlebenskünstler

Denkt man an Wüsten, tauchen Bilder von gleißendem Sonnenlicht, unendlichen Sandflächen und Kamelen vor dem inneren Auge auf. Auf ewiges Eis und Pinguine kommt keiner so schnell. Doch es gibt auch polare Wüsten, wie die Antarktis. Sie sind gekennzeichnet durch extreme Kälte und sehr geringen Niederschlag. Im Jahr fallen pro Quadratmeter nur 200 Milliliter Regen, Deutschland kommt im Jahresdurchschnitt auf mehr als die dreifache Menge. Ein halbes Jahr lang herrscht hier totale Dunkelheit, in der anderen Jahreshälfte ist es 24 Stunden am Tag hell. Als Robert Falcon Scott Anfang des 20. Jahrhunderts als einer der ersten Menschen überhaupt den geografischen Südpol erreichte, ging er davon aus, dass die Antarktis steril sei. Diese Ansicht hielt sich bis in die 1970er-Jahre. Mit neuen Forschungsmethoden konnten inzwischen aber lebende Mikroorganismen und sogar Moose und Flechten nachgewiesen werden.

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Der Pinguin ist Teil des beinahe unberührten Ökosystems Antarktis (Quelle: Colesie, TU Kaiserslautern)

Die Forschung in der Eiswüste ist anstrengend. Wie aufwendig so eine Expedition genau ist, weiß Claudia Colesie vom Institut für Pflanzenökologie und Systematik an der Technischen Universität Kaiserslautern. Zwei Monate war sie mit dem Zelt im Ökosystem Antarktis unterwegs und sagt, dass es „das Schönste war, was ich jemals gesehen habe.“ Doch dieses Erlebnis verlangt einem einiges ab. Auch gut vorbereitete Forscher kommen hier körperlich an ihre Grenzen. Um sich auf die Expedition einzustimmen, muss jeder Teilnehmer ein Stressbewältigungs-Camp absolvieren. Vor der Forschungsreise steht also ein Trainingslager.

Sind die wissenschaftlichen Ergebnisse den Aufwand und die hohen Kosten wert? Colesie sieht die Forschungen im Ökosystem Antarktis auch kritisch: „Man sollte versuchen, so wenig wie möglich hinzufahren.“ Das fragile System werde durch Besucher immer gestört, sei es durch Kerosinausstoß oder Körperausscheidungen. Daher sollten auf der Reise durch die Antarktis so gut wie keine menschlichen Spuren zurückbleiben. „Jedes Haar und jeder Zehennagel wird aufgesammelt und wieder mit in die Heimat genommen“, sagt sie.

Dennoch ist es wichtig, mehr über den Stoffwechsel von Mikroorganismen in Wüstenlandschaften zu wissen, gerade in der Antarktis, betont Colesie. „Biologische Bodenkrusten spielen eine wichtige Rolle in allen Trockengebieten der Erde, wo sie die größte Vegetationseinheit bilden. Ihre Erforschung in antarktischen Ökosystemen ist ein wichtiger Beitrag, da es sich bei diesem Ökosystem um eines der letzten, von menschlicher Hand nahezu unberührten Systeme handelt“, erklärt die junge Wissenschaftlerin.

Derzeit sind 33 Prozent der Flächen auf unserem Planeten Trockengebiete. „Durch die menschgemachte Verwüstung werden Trockengebiete immer größer“, erklärt Colesie. Die Nährstoffverwertung von Organismen in extremen Lebenswelten zu verstehen ist ein Forschungsthema mit Zukunft. Aktuell stehe mann allerdings noch am Anfang, wie die Kaiserslauterner Forscherin erklärt: „Bezüglich eines kompletten Arteninventars für Kältewüsten der Kontinental-Antarktis ist noch viel Arbeit zu leisten. Erst dann kann dieses Ökosystem verstanden werden.“

Gerade Langzeitanalysen seien nötig, um vor allem Veränderungen, die potentiell mit dem Klimawandel zu tun haben, dokumentieren zu können.

Drittes Beispiel: Maispflanzen, die dem Klimawandel trotzen

Eine robuste Maispflanze züchten und so die Versorgung mit Nahrung auf der Welt sichern – wäre das nicht großartig? Daran forscht Stephan Jung vom Institut für Pflanzenernährung an der Justus-Liebig-Universität in Gießen. „Die Ernährungssicherung der Bevölkerung, besonders in subtropischen Gebieten“, so beschreibt er das Forschungsziel. Aufgrund von Ergebnissen aus der Klimaforschung geht er davon aus, dass sich sehr trockene (aride) Gebiete auf der Welt häufen werden.

Dem Ökosystem im Boden von sehr heißen, ariden Gebieten droht die menschengemachte Versalzung. Weil es wenig regnet bewässern viele Landwirte ihre Böden mit Grundwasser, das natürliche Salze enthält. Die mittelfristige Folge: Es entsteht ein salzhaltiger Wasserkreislauf, da kein frisches Wasser die Salze auswäscht. Salz bedeutet aber Stress für Pflanzen und macht krank. Die Folge ist ein geringerer Ertrag oder sogar der Tod der Pflanze. Um die ursprüngliche Bodenqualität wieder herzustellen, wäre eine intensive Bewässerung notwendig. In Gebieten mit Wasserknappheit ist diese allerdings schwer zu realisieren. Eine andere Lösung muss her.

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Versuchsaufbau im Container: Grüne Tonne mal anders (Jung, JLU Gießen)

„Wie kann man es schaffen, dass Getreidepflanzen trotz Salzstress einen hohen Ertrag erzielen, darum geht es bei den Forschungen“, resümiert Stephan Jung. Insgesamt gehe es ihm um einen ganzheitliche Ansatz, sagt er: „Pflanzenbauer, Pflanzenphysiologen und Pflanzenzüchter arbeiten zusammen, um das Ziel stabiler Erträge unter extremen Anbaubedingungen zu erreichen“. Für seine aktuellen Untersuchungen an Maispflanzen stellt Jung ein ideales Ökosystem künstlich her: In Containern mit Bodenkultur, wachsen die Pflanzen unter idealen Bedingungen: eine Temperatur von 26 Grad am Tag und 18 Grad in der Nacht, ausreichend Wasser und Licht sowie regelmäßige Zugabe von Nährstoffen. Nach zwei Wochen in der Komfortzone wird bei einer Versuchsgruppe Salz zugegeben – der Stress beginnt. Über eine Woche wird beobachtet, wie die Pflanzen darauf reagieren. Jung: „Man darf nicht unterstellen, dass die Pflanze denkt, sie entwickelt einfach Überlebensstrategien.“ Und die sind ganz unterschiedlich: einige Pflanzen versuchen das Salz gar nicht erst aufzunehmen, andere wiederum scheiden das Salz wieder aus.

Die Forschungsergebnisse werden in konventioneller Züchtung umgesetzt, das heißt ohne Gentechnik. Pflanzen mit den besten Überlebensstrategien bei versalzenen Böden werden miteinander gekreuzt – ein mehrjähriger Prozess, der sich lohnt. Das Ergebnis ist eine Pflanze, die ihre Ertragsrate hält, aber von kleinerem Wuchs ist. Ein durchdachtes Prinzip: Je weniger Blattfläche, desto weniger Wasser wird benötigt. Die stressresistente Pflanze verteilt ihre Energie einfach um.

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