Die Grundlage allen Lebens auf der Erde ist die Photosynthese. Was passiert also, wenn es gestört wird? Heutzutage können fortschrittliche Messinstrumente zeigen, wie sich der Klimawandel auf die Fähigkeit von Pflanzen auswirkt, die Energie des Sonnenlichts zu verarbeiten.
„Ich möchte verstehen, wie Arten und Ökosysteme in Zukunft funktionieren können“, sagt Rakesh Tiwari, Postdoktorandin und Birgitta-Sintring-Stipendiatin am Institut für Ökologie und Genetik.
Im tropischen Gewächshaus-Regenwald im Botanischen Garten tropft Feuchtigkeit von riesigen Baumkronen und riesigen Palmenblättern. Der Kontrast zum kalten, windigen und regnerischen Uppsala draußen könnte nicht größer sein. Neben einem Hibiskusstrauch hat Tiwari ein fortschrittliches Instrument aufgestellt, das wie ein längliches Mikroskop auf einem Stativ aussieht. Es stellt sich heraus, dass es sich um einen Infrarot-Treibhausgasanalysator handelt, der hauptsächlich zur Messung der Photosynthese durch Manipulation der Umweltbedingungen eines Blattes verwendet wird.
„Da es sich um ein tragbares Instrument handelt, kann ich es an verschiedene Orte mitnehmen und die photosynthetische Reaktion von Pflanzen auf unterschiedliche Umweltbedingungen analysieren. Ich kann beispielsweise die Temperatur und das Lichtniveau ändern und messen, wie sich dies auf die Photosyntheserate auswirkt“, sagt Tiwari.
Er nimmt einen Zweig und legt vorsichtig ein Hibiskusblatt in die Blattkammer des Instruments. Ein Lichtstrahl wird aktiviert und scheint durch das Blatt und ahmt die Bedingungen nach, denen die Pflanze extreme Hitze und Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist. Das Blatt fängt die Energie ein und wandelt sie dann mithilfe von Kohlendioxid und Wasser in Glukose und Sauerstoff um.
Die Demonstration mit dem Photosynthese-Analysator veranschaulicht die Arbeit, die Tiwari normalerweise in tropischen Wäldern wie denen in Puerto Rico durchführt.
„Mit diesen speziellen Instrumenten können wir das Zusammenspiel von Lichtintensität, Kohlendioxidkonzentration in der Luft und Temperatur messen – Parameter, die alle für das Funktionieren der Photosynthese von entscheidender Bedeutung sind. Auf diese Weise können wir tiefere Einblicke darüber gewinnen, wie Pflanzen darauf reagieren könnten.“ sich veränderndes Klima.“
Die Photosynthese bricht zusammen
Was er und andere Forscher in natürlichen tropischen Umgebungen beobachtet haben, ist eine deutliche Verschlechterung der Effizienz der Photosynthese. Während seiner Zeit an der University of Leeds beteiligte sich Tiwari 2017 an einem Forschungsprojekt im Amazonasgebiet, um herauszufinden, wie steigende Temperaturen die Funktionsfähigkeit des Regenwaldes gefährden.
„Wir haben ein ähnliches Fluorometer verwendet, um zu überwachen, wann die Photosysteme zusammenzubrechen begannen. Was wir sahen, war ein klares Muster. Bäume an einem der heißesten Standorte im Amazonasgebiet sind bereits Lufttemperaturbedingungen ausgesetzt, die ihre Photosynthesemaschinerie beeinträchtigen können.“
Tatsächlich entdeckte das Forschungsteam, dass einige Pflanzenarten an der Grenze ihrer Hitzetoleranz arbeiteten.
„Besonders alarmierend war, dass in besonders heißen und trockenen Perioden die Photosyntheseraten auf einige der niedrigsten Werte sanken, die in tropischen Wäldern gemessen wurden.“
Laut Tiwari ist die Photosyntheseeffizienz der meisten Pflanzen auf der Erde auf höchstens 5 % gesunken, was eine enorme Verschwendung potenzieller Energie darstellt. Eine der Hauptursachen für diese Ineffizienz ist die Photorespiration. Dabei handelt es sich um eine Nebenreaktion, die auftritt, wenn das Enzym Rubisco, das für die Bindung von Kohlendioxid verantwortlich ist, stattdessen Sauerstoff bindet. Wie sich verschiedene Pflanzenarten in der Photorespiration unterscheiden, könnte ihre Temperaturempfindlichkeit bestimmen.
„Ein weiterer Faktor sind die kleinen Öffnungen oder Stomata in den Blättern der Pflanze, die die Kohlendioxidaufnahme und den Wasseraustausch regulieren. Bei extremer Hitze können sie sich schließen, um Wasser zu sparen. Das ist eine Überlebensstrategie, aber es reduziert auch ihre Photosyntheserate. Während.“ „Bei manchen Bäumen öffnen sich die Spaltöffnungen bei höheren Temperaturen, um die Verdunstungskühlung als Mechanismus zur Blattkühlung zu nutzen“, erklärt Tiwari.
Die Fähigkeit, Kohlenstoff zu speichern, nimmt ab
Es ist ein Jahr her, seit Tiwari aus Leeds kam, um Postdoc in Bob Muscarellas Forschungsgruppe an der Universität Uppsala zu werden. Dort untersucht er die Hochtemperaturstrategien der Photosynthese und ihre Mechanismen in Wäldern. Vorläufige Ergebnisse der Forschungsgruppe haben gezeigt, dass die Temperaturempfindlichkeit der Photorespiration zwischen tropischen Arten variiert.
Im Projekt untersucht Tiwari auch, wie sich der Klimawandel auf die gemäßigten Wälder in Schweden auswirkt, unter anderem in Zusammenarbeit mit der schwedischen Universität für Agrarwissenschaften in Uppsala.
„Die Konsequenzen eines solchen Verständnisses können besser informierte Wiederaufforstungsprojekte sein. Wir können zum Beispiel verstehen, wie die Vegetation in wärmeren Zukunft funktionieren könnte und wie wir unsere zukünftigen Erhaltungs- und Aufforstungsstrategien anpassen können.“
Aufruf zu einer Erhaltungsperspektive
Es reiche jedoch nicht aus, nur Bäume zu pflanzen, fügt Tiwari hinzu. Der beste Weg, die Umwelt zu schützen, besteht darin, die bereits vorhandenen natürlichen Systeme zu erhalten.
„Wir können die Komplexität eines ausgewachsenen Waldes nicht nachbilden. Er bindet nicht nur Kohlenstoff; er unterstützt die Artenvielfalt, reguliert den Wasserfluss und bietet Lebensraum für unzählige Arten.“
Vom 21. Oktober bis 1. November findet die UN-Biodiversitätskonferenz statt COP16 findet in Cali, Kolumbien, statt. Tiwari hofft, dass sich die vorgestellten Lösungen auf Nachhaltigkeit, Naturschutz und langfristiges Denken konzentrieren werden.
„Wenn wir die biologische Vielfalt und die Waldökosysteme verlieren, verlieren wir das beste natürliche Kohlenstoffabscheidungssystem des Planeten. Eines Tages mag es Technologien geben, die Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernen können, aber je mehr wir uns auf künstliche Lösungen verlassen, desto mehr Schaden riskieren wir.“ Planet. Das sind Risiken, die wir uns nicht leisten können.