Experimentelle Ökologie

Die Kammern der Erkenntnis

Von Hubertus Breuer
 - 17:00
zur Bildergalerie

Hier herrscht die totale Überwachung“, sagt Nico Eisenhauer und steckt seinen Kopf in eine Klimakammer. Auf zweieinhalb Quadratmetern breitet sich darin eine Miniatur-Wiesenlandschaft unter LED-Leuchten und Brauseköpfen aus. Nebst Gänseblümchen, Honiggras, Wiesenschwingel und Wiesenflockenblumen bilden zwei Bohnenarten ein dichtes Grün. Je 19 Stück von jeder Spezies sind im gleichen Abstand gepflanzt. Auf den Bohnen saugen sich Blattläuse mit Pflanzensaft voll, während nebenan ihre Artgenossen von Marienkäfern verspeist werden. „Die ernten wir morgen und zählen sie“, verkündet Eisenhauer.

Die Kammer, die ein denkbar schlichtes Ökosystem beherbergt, ist mit allem ausgestattet, was die Technik hergibt. An der Decke hängt eine 360-Grad-Kamera, die das Wachstum der Pflanzen und das Verhalten der Tiere dokumentiert. Vier Sensoren messen Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Durch den mit zwei Tonnen Erde gefüllten Metallkübel führt außerdem eine Plexiglasröhre mit einem Scanner, der wöchentlich das Wurzelwachstum registriert. In drei Bodentiefen werden Temperatur, Feuchtigkeit sowie die Wasserspannung erfasst, Saugsonden sammeln das Sickerwasser für chemische Analysen ein. Regelmäßig entnehmen Eisenhauers Mitarbeiter noch Bodenproben, um die darin lebenden Fadenwürmer, Springschwänze, Milben und Pilze zu bestimmen.

Das Grüne und das Braune

All das geschieht parallel in zwölf von insgesamt vierundzwanzig Kammern, die im Dämmerlicht einer früheren Maschinenhalle stehen. „Wir wollen verstehen, wie ,grüne‘ und ,braune‘ Teile von Ökosystemen miteinander interagieren“, sagt Eisenhauer. „Dazu müssen wir so viele Daten wie möglich sammeln.“

Die belebte Natur, also alles, was da kreucht, fleucht und gedeiht, in vollständige Gleichungen zu packen, ist bislang noch keinem gelungen. Ökosysteme sind schwer zu durchschauen. Spätestens seit den 1990er Jahren sind Ökologen jedoch durch Klimawandel, intensive Landwirtschaft und den Verlust von natürlichen Lebensräumen gefordert, der Dynamik von Fauna und Flora tiefer auf den Grund zu gehen. Inzwischen machen es Computer möglich, immer größere Datensätze zu verarbeiten. Dazu gehören Messwerte von Sensornetzwerken in freier Wildbahn, Genomsequenzen oder Satellitenbilder. Ziel ist es, sie in Modelle zu integrieren. Auf diesem Wege wollen Nico Eisenhauer und seine Kollegen drängende Fragen beantworten. Wie verändert sich ein Ökosystem durch invasive Arten? Was bedeutet ein Verlust an Biodiversität für die Reinigung des Wassers? Neben Satellitenbeobachtungen und Feldstudien sollen dabei auch Experimente in Klimakammern beitragen. Eine Theorie für die Natur zu entwickeln, die alle Größen, Regeln und Kräfte des Lebens erfasst, die von einer Wasserpfütze bis hin zum Dschungel wirken, ist eine Herausforderung, die am ehesten der Suche nach der Weltformel gleicht. „Wir sind in Ökosystemen über alle Größenskalen hinweg mit dem Problem der Komplexität konfrontiert“, sagt der theoretische Ökologe Jonathan Chase, der wie Eisenhauer am Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung Idiv in Leipzig tätig ist.

Im Mai konnte das Team jetzt Ecotron einweihen, eine rund 3,7 Millionen Euro teure Anlage in der Versuchsstation Bad Lauchstädt, die hier in Sachsen-Anhalt vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung betrieben wird. Die neuen 24 Minigewächshäuser haben den Vorteil, dass darin Experimente streng kontrolliert stattfinden können. Was nicht sein soll, passiert auch nicht: kein unerwarteter Wolkenbruch, keine unerwünschte Mäuseplage. Gleichzeitig können die Bedingungen in den Klimakammern so variiert werden, dass die Forscher statistisch belastbare Daten erhalten.

Insekten als Reagenz hinzugeben

Die Klimakammern im Saalekreis sind kein Novum, eine ähnliche Anlage unterhält Frankreichs Centre National de la Recherche Scientifique in Montpellier. Doch in dieser Größenordnung sind die verglasten Ökosysteme einmalig. „In unserer Pilotstudie untersuchen wir, wie sich der Insektenbefall der Pflanzen auf die Mikrobengemeinschaft im Boden auswirkt“, erklärt Nico Eisenhauer. Interessant sei etwa, wie eine Pflanze ihre Abwehrkräfte mobilisiert und dazu die Pilzgemeinschaften in ihrem Feinwurzelwerk nutzt. „Das Ergebnis wird aber nur ein Puzzleteil eines großen Panoramas sein, das wir vollständig noch lange nicht kennen.“

Es gibt bereits Formeln, die versuchen, Ökosysteme als Ganzes zu erfassen. So hat der amerikanische Ökologe John Harte eine Gleichung auf der Annahme entwickelt, dass sich der wahrscheinlichste Zustand eines Ökosystems aufgrund einiger weniger Eckdaten berechnen lässt. Als Variablen schlug Harte die Größe eines Ökosystems, dessen Artenreichtum, die Zahl der Individuen pro Art und ihren Energieumsatz vor. Dafür sammelte Harte an der Universität Berkeley im Department of Environmental Science, Policy and Management die entsprechenden Daten einer Fläche von einem Viertelhektar und berechnete daraus, wie die Arten und Individuen in der umliegenden Region verbreitet sind, wie sich der Energieumsatz unter ihnen verteilt oder wie viele Arten auf einer bestimmten Fläche vorkommen.

Diagnostische Stoffwechselraten

Ein anderes Modell propagiert Stephen Hubbell an der University of California in Los Angeles. Dessen Vorhersagen zur Biodiversität beruhen allein auf der Annahme, wie viele Tiere in einer Population sich ausbreiten, geboren werden und sterben und wie schnell sich neue Arten bilden. James Brown von der University of New Mexico wiederum verfolgt eine metabolische Theorie der Ökologie, die aus der Stoffwechselrate der Organismen viele Muster eines Ökosystems erschließen will.

„Diese mathematischen Formeln funktionieren ganz gut. Aber sie sind eher Bestandsaufnahmen“, meint dazu Jonathan Chase. „Sie sagen uns nicht, was genau in einem Ökosystem passiert. Aber sie geben uns eine gute Grundlage, um die Zusammenhänge in einem Ökosystem zu erforschen.“ Will man aber im Detail wissen, was in Regenwäldern, auf einer Alpenwiese oder in einem Korallenriff passiert, gibt es keine Alternative dazu, Tier- und Pflanzenarten zu katalogisieren. Zum Beispiel arbeiten im Nationalpark Great Smoky Mountains im Südosten der Vereinigten Staaten Biologen seit 1998 daran, alle Arten im mehr als zweitausend Quadratkilometer großen Naturschutzreservat zu bestimmen, vom wilden Truthahn über den Weihnachtsfarn bis hin zu Algen, die nur unter dem Mikroskop erkennbar sind. Bislang wurden über 19.000 Arten entdeckt, rund ein Fünftel der auf insgesamt 100.000 geschätzten. Eine solche Liste reicht aber noch lange nicht, will man das Ökosystem des Parks verstehen. Dazu sind detaillierte Daten nötig: zum Verhalten der Organismen und ihren Interaktionen, zur Topographie, zur Witterung und zu den Stoffflüssen.

Vernetzte Heuschrecken

Wie komplex die Abläufe sein können, veranschaulicht eine von Ökologen gern zitierte Studie des Yale-Professors Oswald Schmitz, die demonstriert, wie Raubtiere das Verhalten ihrer Beute beeinflussen. In diesem Fall sind es Spinnen, die Heuschrecken auflauern, welche daraufhin gestresst reagieren und Schutz suchen. Und zwar zwischen den vorherrschenden Goldruten-Pflanzen, die reichlich Nahrung bieten, so dass die Heuschrecken zugleich ihren erhöhten Energiebedarf decken können. Durch diesen Fraßdruck werden die Goldruten zurückgedrängt, und andere Pflanzen florieren – die Artenvielfalt wächst. Eine Wiese, in der Spinnen nach Heuschrecken jagen, kann somit 1,4 Mal mehr Kohlenstoff binden als Grasland. Und zwar nicht nur in den darin existierenden Pflanzen und Tieren, deren Ausscheidungen und Körpern, sondern auch, weil Mikroben bei einem erhöhten Kohlenstoffgehalt und einem niedrigeren Stickstoffeintrag organisches Material langsamer kompostieren.

Solche Prozesse lassen sich, einmal erfasst, simulieren, etwa in klassischen Netzwerk-Modellen, die berücksichtigen, dass zwischen den einzelnen Arten verschiedene Beziehungen bestehen. Sie jagen und werden gefressen, leben in Symbiose und konkurrieren mit ihren Artgenossen, zu Lande und zu Wasser. Auf diese Weise haben Ursula Gaedke und ihre Kollegen an der Universität Potsdam beispielsweise die Mechanismen im Bodensee erkundet und saisonale Veränderungen beobachtet. Um unter anderem die Rolle der Algen zu beleuchten, wurde das Fressverhalten von Mikroorganismen, Kleinkrebsen und Jungfischen betrachtet und die Körper- und Biomasse nebst anderen Faktoren einbezogen.

Beschleunigung mit Blattläusen

Die Forscher wollen jetzt im Rahmen des Projektes „Dynatrait“ versuchen, die gesamte Dynamik von aquatischen Lebensgemeinschaften abzubilden. Das soll im Freiland, aber auch in Glaskolben, Wassertanks oder Computersimulationen geschehen. In diesem seit 2014 laufenden Projekt der Deutschen Forschungsgemeinschaft werden jene Eigenschaften der Lebewesen miteinbezogen, die sich im Verlauf der Zeit verändern, also ihre Nährstoffaufnahme, ihre Größe, ihre Bedeutung als Beute oder ihre Anpassungsfähigkeit. Evolutionäre Prozesse werden ebenfalls erfasst: „Wir lernen beispielsweise, wie Planktonarten mit steigenden Wassertemperaturen oder größeren Räuberdichten zurechtkommen“, erklärt Alice Boit von der Universität Potsdam, die auch an der Bodensee-Studie beteiligt war und das „Dynatrait“–Projekt koordiniert. So identifizieren die Ökologen Mechanismen, die Organismen helfen, in einer sich wandelnden Umwelt zu bestehen. Noch fehlen einheitliche Ansätze, mit denen sich genetische Informationen, Merkmale von Arten und deren wechselseitigen Beziehungen in ein Ökosystem-Modell integrieren lassen. „In den nächsten Jahren erwarten wir aber substantielle Fortschritte“, ist Boit überzeugt.

Ganz egal, ob es eines Tages eine umfassende Theorie des Lebens geben wird, ihr Fundament steht schon heute außer Frage. Es beruht auf den Gesetzen der Thermodynamik, also der Energieflüsse in der Natur, und den die Biodiversität antreibenden Mechanismen der Evolution. Darauf gilt es, das komplexe Theoriegebäude der Ökosysteme zu errichten. „Dynatrait“ liefert dafür wichtige Bausteine und jetzt auch die Ecotron-Anlage in Bad Lauchstädt. Dort hat die erste Wiesenlandschaft ausgedient, die Experimente sind beendet. Die Proben werden zwar noch ausgewertet, aber Nico Eisenhauer vermutet, dass die Blattläuse den Nährstoffkreislauf beschleunigt haben und dass sich die Lebensgemeinschaft im Boden verändert hat. Nicht zu übersehen war jedenfalls eine andere Erkenntnis: Im Grasdickicht hatten Blattläuse größere Chancen, von den Marienkäfern nicht gefressen zu werden, als ihre Artgenossen, die sich woanders niedergelassen hatten.

Im kommenden Jahr wollen Eisenhauer und seine Mitarbeiter tonnenschwere Erdblöcke in die Klimakammern hieven, die aus einem Graslandexperiment bei Jena stammen. An diesen über Jahre gewachsenen Ökosystemen wollen sie studieren, wie artenreiche Wiesen überhaupt funktionieren. „Das Ecotron wird uns helfen, das besser zu verstehen“, sagt Eisenhauer. „Am Ende steht sicher keine Weltformel, aber wir gewinnen Einblicke in zentrale Mechanismen von terrestrischen Ökosystemen, die extrem wichtig für die Ernährung der Menschheit sind.“

Quelle: F.A.S.
  Zur Startseite