Die Katastrophentheorie kann neues Licht darauf werfen, wie sich Dürre auf Pflanzen auswirkt

Manchmal sind die Dinge in Ordnung – bis sie es nicht mehr sind. Ein Boot kentert. Eine Brücke stürzt ein. Der Aktienmarkt nimmt eine extreme Wendung.

Dies sind Beispiele für die „Katastrophentheorie“, ein Werkzeug in der Mathematik, das verwendet werden kann, um eine Reihe von Variablen zu beschreiben, die an einem bestimmten Punkt zusammenkommen, um ein System vollständig zu verändern. Es ist ein Framework, das auf eine Vielzahl von Szenarien angewendet werden kann, und jetzt möchte ein Wissenschaftler der University of Georgia es verwenden, um besser zu verstehen, wie Pflanzen Wasser nutzen und auf Dürre reagieren.

In einer neuen eingeladenen Rezension in der Zeitschrift Pflanze, Zelle & Umweltplädiert Dan Johnson, ein außerordentlicher Professor an der UGA Warnell School of Forestry and Natural Resources, dafür, dass Forscher, anstatt die Reaktion der Pflanzen auf Wasserstress als einen langen, langsamen Rückgang der Pflanzengesundheit zu betrachten, stattdessen die Katastrophentheorie zum Graben anwenden sollten tiefer in die Kräfte im Spiel.

„Ich wollte es in eine quantitative Richtung lenken und etwas Neues bieten – einen neuen Rahmen für die Anlagenhydraulik“, sagte Johnson. „Wir sollten unsere Sichtweise auf dieses Feld ändern, das bis in die Zeit von (Leonardo) da Vinci zurückreicht.“

Wenn Wissenschaftler heutzutage die Wasserbewegung in Pflanzen untersuchen, konzentrieren sie sich hauptsächlich auf Struktur und Funktion. Unter der Rinde der Bäume befindet sich das Xylem, allgemein bekannt als Holz, ein System von Röhren, die Wasser von den Wurzeln zu den Ästen transportieren. Die Forschung konzentriert sich oft darauf, wie das Xylem funktioniert oder wie Dürre seine Funktion beeinflusst.

Aber anstatt sich auf strukturelle Fehler zu konzentrieren, sagte Johnson, was wäre, wenn die Forscher den Punkt untersuchen würden, der den Tod der Pflanze verursacht hat? „Also, dachte ich, müssen wir Kipppunkte herausfinden – Stresspunkte, an denen wir wissen, dass eine Pflanze sterben wird“, fügte er hinzu. „Das Gleiche gilt für ein Ökosystem – wann wird ein Wald zu einer Wiese?“

Johnson hat sich mit zwei Kollegen von der Duke University, Gabriel Katul und Jean-Christophe Domec, zusammengetan, um eine Möglichkeit zu entwickeln, mit mathematischer Theorie Kipppunkte in Pflanzen zu analysieren. Katul ist Theodore S. Coile Distinguished Professor of Hydrology and Micrometeorology und Domec ist Gastprofessor an der Duke’s Nicholas School of the Environment und Professor für nachhaltige Forstwirtschaft an der Bordeaux Sciences Agro in Frankreich.

Gemeinsam schufen sie einen Rahmen, der es ihnen ermöglichen würde, Änderungen in einem System zu verfolgen – sei es ein Baum oder ein ganzes Ökosystem – und die Auswirkungen zu sehen, die sie auf den größeren Organismus ausübten. Wie ändern sich zum Beispiel Variablen wie Atmung oder Wachstum, wenn sich die Temperatur ändert?

Durch jahrelange anekdotische Erfahrungen hatte Johnson eine Vorstellung davon, dass diese Wendepunkte existierten. Aber der mathematische Rahmen lieferte den Beweis, dass das, was er in jahrelanger Forschung sah, nicht nur eine Reihe von Zufällen war.

Das Papier wird auf der Website der Zeitschrift vorgestellt und wird später in diesem Jahr in gedruckter Form erscheinen. Johnson sagte, er hoffe, dass es ein Ausgangspunkt für neue Arbeiten im Bereich der Anlagenhydraulik werde.

Das Team traf sich monatelang über Zoom-Meetings, um die Details auszuarbeiten.

„Es war eine Menge Arbeit, aber es hat mir auch am meisten Spaß gemacht, eine Arbeit zu schreiben, weil wir voneinander gelernt haben“, sagte Johnson. „Wir begannen mit Luftblasen in Xylem – dieser Größenordnung im Nanometerbereich – und fragten: ‚Was steuert, wie sich eine Luftblase ausdehnt und das Gefäßnetzwerk blockiert?‘ Und dann haben wir es bis auf die Ebene des ganzen Baums und des Ökosystems hochskaliert und dann all die verschiedenen Maßstäbe dazwischen. Es war eine epische Menge an Arbeit.“