Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass Pflanzen die Luftverschmutzung auf einem sich erwärmenden Planeten verschlimmern könnten

Es ist eine einfache Frage, die ein wenig wie ein bescheidener Vorschlag klingt: „Sollen wir alle Eichen fällen?“ fragt Tom Sharkey, ein angesehener Universitätsprofessor am Plant Resilience Institute der Michigan State University.

Sharkey arbeitet außerdem am MSU-Department of Energy Plant Research Laboratory und in der Abteilung für Biochemie und Molekularbiologie.

Um es klarzustellen: Sharkey schlägt nicht ernsthaft vor, dass wir alle Eichen fällen sollten. Dennoch war seine Frage ernst gemeint, angeregt durch die neuesten Forschungsergebnisse seines Teams, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurden Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Das Team entdeckte, dass Pflanzen wie Eichen und Pappeln auf einem sich erwärmenden Planeten mehr Verbindungen ausstoßen, die die schlechte Luftqualität verschlimmern und zu problematischem Feinstaub und Ozon in der Atmosphäre beitragen.

Das Problem ist, dass dieselbe Verbindung namens Isopren auch die Qualität sauberer Luft verbessern und Pflanzen gleichzeitig widerstandsfähiger gegen Stressfaktoren wie Insekten und hohe Temperaturen machen kann.

„Wollen wir, dass Pflanzen mehr Isopren produzieren, damit sie widerstandsfähiger sind, oder wollen wir, dass sie weniger produzieren, damit die Luftverschmutzung nicht noch schlimmer wird? Was ist das richtige Gleichgewicht?“ fragt Sharkey. „Das sind wirklich die grundlegenden Fragen, die diese Arbeit vorantreiben. Je mehr wir verstehen, desto effektiver können wir sie beantworten.“

Isopren im Fokus

Sharkey untersucht seit den 1970er Jahren, als er Doktorand an der Michigan State war, Isopren und wie Pflanzen es produzieren.

Isopren aus Pflanzen ist der am zweithöchsten emittierte Kohlenwasserstoff auf der Erde, gleich hinter den Methanemissionen durch menschliche Aktivitäten. Dennoch haben die meisten Menschen noch nie davon gehört, sagt Sharkey.

„Es ist schon lange im Verborgenen, aber es ist unglaublich wichtig“, sagt er.

Etwas Berühmtheit erlangte es in den 1980er Jahren, als der damalige Präsident Ronald Reagan fälschlicherweise behauptete, Bäume würden mehr Luftverschmutzung verursachen als Autos. Doch in dieser Behauptung steckte ein Körnchen Wahrheit.

Isopren interagiert mit Stickoxidverbindungen, die in der Luftverschmutzung durch Kohlekraftwerke und Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen vorkommen. Bei diesen Reaktionen entstehen Ozon, Aerosole und andere Nebenprodukte, die sowohl für Menschen als auch für Pflanzen gesundheitsschädlich sind.

„Es gibt dieses interessante Phänomen, bei dem Luft durch eine Stadtlandschaft strömt, Stickoxide aufnimmt und sich dann über einen Wald bewegt, um dieses giftige Gebräu zu erzeugen“, erklärt Sharkey. „Die Luftqualität vor dem Wind einer Stadt ist oft schlechter als die Luftqualität in der Stadt selbst.“

Jetzt arbeiten Sharkey und sein Team daran, die biomolekularen Prozesse, die Pflanzen zur Herstellung von Isopren nutzen, besser zu verstehen. Die Forscher interessieren sich insbesondere dafür, wie die Umwelt diese Prozesse beeinflusst, insbesondere angesichts des Klimawandels.

Vor der neuen Veröffentlichung des Teams wussten die Forscher, dass bestimmte Pflanzen bei der Photosynthese Isopren produzieren. Sie wussten auch, dass die Veränderungen, denen der Planet gegenübersteht, konkurrierende Auswirkungen auf die Isoprenproduktion haben.

Das heißt, dass steigender Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre die Rate verringert, während steigende Temperaturen die Rate beschleunigen. Eine der Fragen hinter der neuen Veröffentlichung des MSU-Teams war im Wesentlichen, welcher dieser Effekte sich durchsetzen wird.

„Wir suchten nach einem Regulierungspunkt im Biosyntheseweg des Isoprens bei hohem Kohlendioxidgehalt“, sagt Abira Sahu, Hauptautorin des neuen Berichts und Postdoktorandin in Sharkeys Forschungsgruppe.

„Wissenschaftler haben schon lange versucht, das herauszufinden“, fügt Sahu hinzu. „Und endlich haben wir die Antwort.“

„Für die Biologen da draußen besteht der Kern der Arbeit darin, dass wir die spezifische Reaktion identifiziert haben, die durch Kohlendioxid, CO2, verlangsamt wird“, bemerkt Sharkey.

„Damit können wir sagen, dass der Temperatureffekt den CO2-Effekt übertrifft“, sagte er. „Bei 35 Grad Celsius gibt es praktisch keine CO2-Unterdrückung mehr. Isopren strömt wie verrückt heraus.“

In ihren Experimenten mit Pappelpflanzen stellte das Team außerdem fest, dass bei einer Erwärmung eines Blattes um 10 Grad Celsius seine Isoprenemission um mehr als das Zehnfache anstieg, sagt Sahu.

„Wenn man mit Tom zusammenarbeitet, erkennt man, dass Pflanzen tatsächlich viel Isopren ausstoßen“, sagt Mohammad Mostofa, ein Assistenzprofessor, der in Sharkeys Labor arbeitet und ein weiterer Autor des neuen Berichts war.

Die Entdeckung wird Forschern helfen, besser vorherzusagen, wie viel Isoprenpflanzen in Zukunft ausstoßen werden, und sich besser auf die Auswirkungen vorzubereiten. Die Forscher hoffen aber auch, dass es dazu beitragen kann, die Entscheidungen zu beeinflussen, die Menschen und Gemeinschaften inzwischen treffen.

„Wir könnten einen besseren Job machen“, sagt Mostofa.

An einem Ort wie MSU, der mehr als 20.000 Bäume beherbergt, könnte das bedeuten, dass in Zukunft weniger Eichen gepflanzt werden, um die Isopren-Emissionen zu begrenzen.

Was wir mit den Bäumen tun, die bereits Isopren ausstoßen, hat Sharkey durchaus eine Idee, bei der es nicht darum geht, sie zu fällen.

„Mein Vorschlag ist, dass wir die Stickoxidbelastung besser kontrollieren sollten“, bietet er an.

Sarathi Weraduwage, eine ehemalige Postdoktorandin in Sharkeys Labor, die jetzt Assistenzprofessorin an der Bishop’s University in Quebec ist, trug ebenfalls zu der Forschung bei.