Laut Forscher ist die Photosynthese in einer immer heißeren Welt bedroht

Die Grundlage allen Lebens auf der Erde ist die Photosynthese. Was passiert also, wenn es gestört wird? Moderne Messinstrumente können heute aufdecken, wie sich der Klimawandel auf die Fähigkeit von Pflanzen auswirkt, Sonnenenergie zu verarbeiten.

„Ich möchte verstehen, wie Arten und Ökosysteme in Zukunft funktionieren könnten“, sagt Rakesh Tiwari, Postdoktorand und Birgitta Sintring Fellow in der Abteilung für Ökologie und Genetik.

Im Regenwald des Tropengewächshauses des Botanischen Gartens tropft Feuchtigkeit von riesigen Baumwipfeln und riesigen Palmwedeln. Der Kontrast zum kalten, windigen und regnerischen Äußeren Uppsalas könnte nicht größer sein. Neben einem Hibiskusstrauch hat Tiwari ein fortschrittliches Instrument aufgestellt, das einem länglichen Mikroskop auf einem Stativ ähnelt. 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 Temperatur und Lichtstärke ändern und messen, wie sich dies auf die Photosyntheserate auswirkt“, sagt er 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 Energie ein, die es dann mithilfe von Kohlendioxid und Wasser in Glukose und Sauerstoff umwandelt.

Die Demonstration mit dem Photosynthese-Analysator veranschaulicht Arbeiten, 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 besser verstehen, wie Pflanzen auf sich ändernde Klimabedingungen reagieren könnten. “

Die Photosynthese bricht zusammen

Was er und andere Forscher in natürlichen tropischen Umgebungen beobachtet haben, ist ein deutlicher Rückgang der Effizienz der Photosynthese. Während seines Studiums an der University of Leeds nahm Tiwari 2017 an einem Forschungsprojekt im Amazonasgebiet teil, um herauszufinden, wie steigende Temperaturen die Funktionsfähigkeit des Regenwaldes gefährden.

„Wir haben ein ähnliches Fluorometer verwendet, um zu überwachen, wann Photosysteme zu zerfallen begannen. Was wir sahen, war ein klares Muster. Bäume an einem der heißesten Standorte im Amazonas haben bereits Temperaturbedingungen in der Luft, die ihre Photosynthesemaschinerie beeinträchtigen können.“

Tatsächlich stellte das Forschungsteam fest, 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 5 % oder weniger gesunken, was eine enorme Verschwendung potenzieller Energie darstellt. Eine der Hauptursachen für diese Ineffizienz ist die Photorespiration. Dies ist eine Sekundärreaktion, die auftritt, wenn das Enzym Rubisco, das für die Bindung von Kohlendioxid verantwortlich ist, an 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 geschlossen werden, um Wasser zu sparen. Das ist eine Überlebensstrategie, aber es reduziert auch ihre Photosyntheserate.“ Bei manchen Bäumen öffnen sich die Stomata bei höheren Temperaturen, um die Verdunstungskühlung als Blattkühlmechanismus 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 Hochtemperaturstrategien der Photosynthese und deren Mechanismen in Wäldern. Die vorläufigen Ergebnisse der Forschungsgruppe zeigten, dass die Temperaturempfindlichkeit der Photospiration 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 zu fundierteren Wiederaufforstungsprojekten führen. Wir können beispielsweise verstehen, wie die Vegetation in einer wärmeren Zukunft funktionieren könnte und wie wir unsere zukünftigen Erhaltungs- und Aufforstungsstrategien anpassen können.“

Rufen Sie nach einer Naturschutzperspektive

Es reiche jedoch nicht aus, einfach nur Bäume zu pflanzen, fügt Tiwari hinzu. Der beste Weg, die Umwelt zu schützen, besteht darin, bestehende natürliche 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 in Cali, Kolumbien, die Biodiversitätskonferenz COP16 der Vereinten Nationen statt. Tiwari hofft, dass sich die vorgeschlagenen Lösungen auf Nachhaltigkeit, Naturschutz und langfristiges Denken konzentrieren.

„Wenn wir die biologische Vielfalt und die Waldökosysteme verlieren, verlieren wir das beste natürliche Kohlenstoffabscheidungssystem der Welt. 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.