Europäer mischten sich am Ende der Eiszeit mit Einwanderern aus dem Nahen Osten

Die einzige bis heute überlebende Menschenart, der anatomisch moderne Mensch, erreichte Europa erstmals vor rund 45.000 Jahren. Hier lebte er ununterbrochen bis heute – doch das ist nur ein Teil der Geschichte. Das verraten die Gene. Eine groß angelegte genetische Studie an Überresten von 51 Menschen, die vor 45.000 bis 7.000 Jahren lebten, ergab eine Reihe von überraschenden Befunden aus der komplexen Urgeschichte der Europäer. So muss es am Ende der Eiszeit vor rund 14.500 Jahren eine Wanderungsbewegung von Menschen aus dem Nahen Osten nach Europa gegeben haben, auf die bis vor kurzem jeglicher Hinweis fehlte. An der Studie war ein großes Forscherteam beteiligt, darunter eine Arbeitsgruppe von der Universität Tübingen unter der Leitung von Professor Johannes Krause, der auch Direktor am Max-Planck-Institut für Menschheitsgeschichte in Jena ist. Unter den untersuchten frühen Europäern waren sieben Individuen, deren Überreste aus Höhlen der Schwäbischen Alb stammen. Die Studienergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

„Das Klima hat immer wieder Einfluss auf das Überleben und die Wanderungsbewegungen der modernen Menschen genommen“, sagt Johannes Krause. In Europa lebten sie sogar während des letzten Kaltzeitmaximums vor 25.000 bis 19.000 Jahren, als große Teile des Kontinents von Eis bedeckt waren. Doch die Forscher wussten aus früheren Untersuchungen, dass das Überleben teilweise nur in einzelnen Refugien möglich war. Solche Zurückdrängung und Wiederausbreitung spiegelt sich in den Genen. Um mehr zu erfahren, analysierte das Forscherteam in der neuen Studie das gesamte Erbgut der 51 prähistorischen Menschen. „Solche umfassenden genomweiten Daten lagen bisher nur für einige wenige Menschen aus der Zeit von der ersten Besiedlung Europas bis zum Einsetzen der Landwirtschaft vor rund 8.500 Jahren vor“, erklärt Johannes Krause. Denn die Analyse alter DNA ist in mehrerer Hinsicht eine große Herausforderung. Zum einen ist das Erbgut aus Jahrtausende alten menschlichen Überresten stark zerfallen und muss aufwendig rekonstruiert werden, zum anderen ist es mit der DNA von Mikroorganismen und möglicherweise von heute lebenden Menschen verunreinigt. Nur mithilfe der in den letzten Jahren stark verbesserten Verfahren und bei sorgfältiger Zuordnung der Erbinformationen erhalten die Forscher belastbare Ergebnisse.

„Besonders überraschend war ein Befund, der die Urgeschichte revolutioniert: In der Warmzeit vor 14.500 Jahren erscheint eine neue genetische Komponente in Europa, deren Spur in den Nahen Osten führt“, sagt Cosimo Posth, der die schwäbischen Knochen im Rahmen seiner Doktorarbeit im Labor in Tübingen aufarbeitete. Die genetischen Neuerungen bei den Europäern hatten zuvor andere Wissenschaftler mit Bevölkerungsumwälzungen in Europa selbst erklärt. „Doch nun ist klar, dass Menschen aus dem Nahen Osten nach Europa eingewandert sind und so bei der Vermischung ein neuer Genpool entstand.“

Weiterhin ergaben die Analysen, dass die frühesten modernen Menschen in Europa nicht substanziell zur Genausstattung heutiger Europäer beitrugen. Wie bereits eine frühere Studie anhand der Mitochondrien-DNA gezeigt hatte, stammen alle Individuen, die zwischen 37.000 und 14.000 Jahren alt sind, von einer einzelnen Gründerpopulation ab, die auch die Vorfahren heutiger Europäer bilden. „Wir sehen aber auch eine Kontinuität zwischen den ersten modernen Menschen Europas, die vor 40.000 bis 32.000 Jahren die wunderbare Kunst der Schwäbischen Alb geschaffen haben, und den Bewohnern West- und Zentraleuropas nach der Eiszeit, vor 18.000 bis 14.500 Jahren“, erklärt Krause. Zwischendurch habe sich eine Population hineingemischt, bekannt als Mammutjäger Osteuropas, die aber durch die Eiszeit vor 23.000 bis 19.000 Jahren zurückgedrängt worden sei. Das komplexe Bild der Genetik europäischer Menschen wollen die Forscher im nächsten Schritt mit ähnlichen Genomanalysen von urgeschichtlichen Menschen aus Südosteuropa und dem Nahen Osten weiter vervollständigen. Quelle: Eberhard Karls Universität Tübingen

Publikation:
Qiaomei Fu, Cosimo Posth, Mateja Hajdinjak, Martin Petr, Swapan Mallick, Daniel Fernandes, Anja Furtwängler, Wolfgang Haak, Matthias Meyer, Alissa Mittnik, Birgit Nickel, Alexander Peltzer, Nadin Rohland, Viviane Slon, Sahra Talamo, Iosif Lazaridis, Mark Lipson, Iain Mathieson, Stephan Schif-fels, Pontus Skoglund, Anatoly P. Derevianko, Nikolai Drozdov, Vyacheslav Slavinsky, Alexander Tsybankov, Renata Grifoni Cremonesi, Francesco Mallegni, Bernard Gély, Eligio Vacca, Manuel R. González Morales, Lawrence G. Straus, Christine Neugebauer-Maresch, Maria Teschler-Nicola, Silviu Constantin, Oana Teodora Moldovan, Stefano Benazzi, Marco Peresani, Donato Coppola, Martina Lari, Stefano Ricci, Annamaria Ronchitelli, Frédérique Valentin, Corinne Thevenet, Kurt Wehrberger, Dan Grigorescu, Hélène Rougier, Isabelle Crevecoeur, Damien Flas, Patrick Semal, Marcello A. Mannino, Christophe Cupillard, Hervé Bocherens, Nicholas J. Conard, Katerina Harvati, Vyacheslav Moiseyev, Dorothée G. Drucker, Jiří Svoboda, Michael P. Richards, David Caramelli, Ron Pinhasi, Janet Kelso, Nick Patterson, Johannes Krause, Svante Pääbo and David Reich: The genetic history of Ice Age Europe. Nature, DOI 10.1038/nature17993, Online-Veröffentlichung am 2. Mai 2016.

Neues Gutachten beweist systematische Falschauslegung von Glyphosat-Studien

Soll Vertuschung der Krebsgefahr europäische Wiederzulassung ermöglichen?

Zu ihrer Anfang März eingebrachten Strafanzeige gegen die federführenden Zulassungsbehörden und den Glyphosat-Hersteller Monsanto legt die österreichische Umweltschutzorganisation GLOBAL 2000 gemeinsam mit dem Umweltinstitut München heute im Rahmen einer Pressekonferenz in Berlin neue Beweise vor.

Ein Gutachten, das der deutsche Epidemiologe Prof. Dr. Eberhard Greiser (Universität Bremen) im Auftrag der Umweltschützer erstellte, kommt zu dem Schluss, dass das Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) nahezu alle epidemiologischen Studien über die krebserzeugende Wirkung von Glyphosat unbegründet als “nicht zuverlässig“ verworfen hat. Greiser dazu: „Die Pestizid-Hersteller haben diesen Studien bereits im Zulassungsantrag fälschlich methodische Fehler unterstellt. Das BfR hat diese Falschdarstellungen kritiklos übernommen. Mein Eindruck ist, dass auf diese Weise praktisch alle epidemiologischen Studien, die der Wiederzulassung von Glyphosat im Wege stehen, systematisch aussortiert wurden.“

Zuvor hatte bereits eine Analyse des Toxikologen Peter Clausing gezeigt, dass auch die von der Industrie eingereichten Krebsstudien mit Labormäusen falsch ausgewertet und dadurch signifikante Krebsbefunde beim Tier verschleiert wurden. „Aufgefallen ist das deshalb, weil zwei jener Mäusestudien auch von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) ausgewertet wurden“, erklärt Helmut Burtscher, Biochemiker bei GLOBAL 2000. „Im Gegensatz zum BfR stellten die WHO-Experten in allen Krebsstudien mit Mäusen einen signifikanten Anstieg von Tumoren fest.“

In seinem finalen Bewertungsbericht erkannte das BfR die Korrektheit der WHO-Auswertung an und gab zu, die statistische Auswertung der Industrie ungeprüft übernommen zu haben. An seiner Empfehlung, Glyphosat als „nicht krebserregend“ einzustufen, hielt es dennoch fest. Deshalb kritisierten fast 100 renommierte WissenschaftlerInnen die Krebsbewertung des BfR in einem offenen Brief an die EU-Kommission als „wissenschaftlich inakzeptabel“, „fundamental fehlerhaft“ und „in die Irre führend“.

„In Anbetracht der zahlreichen nachgewiesenen Mängel im Zulassungsverfahren entsteht fast zwangsläufig der Eindruck, dass Behörden und Hersteller Hand in Hand arbeiten, um Glyphosat mit allen Mitteln auf dem europäischen Markt zu halten“, erklärt Sophia Guttenberger, Biologin und Referentin für Verbraucherschutz am Umweltinstitut München. „Ein solches Vorgehen der Behörden wäre mit ihrem gesetzlichen Auftrag keinesfalls zu vereinbaren. Deshalb muss die Staatsanwaltschaft prüfen, ob sich die Verantwortlichen strafbar gemacht haben,“ so Guttenberger weiter.

„Sollte es im Wiederzulassungsverfahren von Glyphosat zu vorsätzlichen Manipulationen gekommen sei, um einen krebserregenden Stoff durchzuschleusen, wäre das Betrug an 508 Millionen EU-Bürgern“, stellt der Wiener Rechtsanwalt Dr. Josef Unterweger fest.

Aus diesem Grund bringt seine Kanzlei nun zusätzlich zu der von GLOBAL 2000 bereits eingebrachten eine weitere Anzeige, auch bei der Staatsanwaltschaft Wien, im Auftrag von sechs weiteren Organisationen aus europäischen Mitgliedstaaten ein, darunter das Pesticide Action Network (PAN) Germany, Générations Futures France, WeMove Europe, PAN Europe, PAN UK und Nature & Progrès Belgique. Es erfolgt zudem eine Eingabe bei der europäischen Betrugsbekämpfungsbehörde OLAF. Quelle: GLOBAL 2000

Downloads:

Auswirkungen von Bewässerungslandwirtschaft auf das Klima

Forscher des Max-Planck-Instituts für Meteorologie (MPI-M) zeigen in einer neuen Studie, dass künstliche Bewässerung nicht nur lokale Auswirkungen auf das Klima hat, sondern auch entfernt liegende Regionen beeinflusst. Ihre Ergebnisse wurden gerade in Geophysical Research Letters veröffentlicht.

Während in trockenen Regionen die künstliche Bewässerung oft die einzige Möglichkeit darstellt, um Landwirtschaft zu betreiben, werden in feuchtgemäßigten Klimabereichen die landwirtschaftlichen Flächen zusätzlich bewässert, um die Erträge zu steigern. Je nach vorherrschendem Klima variieren die Techniken und Methoden zur Bewässerung: von der Anstauung des Wassers auf Flächen (wie beispielsweise im Reisanbau) bis hin zur punktgenauen Ausbringung des Wassers durch Schläuche und Düsen.

Der Einfluss von Bewässerungsanlagen auf das lokale Klima wurde bereits in vielen Studien untersucht. Die große Menge an Wasser, die durch Verdunstungsprozesse in die Atmosphäre abgegeben wird, weist bereits darauf hin, dass Bewässerung auch auf das globale Klima einen Einfluss haben muss. Allerdings haben bisher nur wenige Studien die Folgen auf einer globalen Skala untersucht. Dr. Philipp de Vrese, Dr. Stefan Hagemann und Prof. Martin Claußen, alle Wissenschaftler in der Abteilung “Land im Erdsystem“ am MPI-M, untersuchten nun zum ersten Mal, welche Auswirkungen die in Asien genutzte künstliche Bewässerung auf andere Regionen hat. Sie nutzten hierfür das Zirkulationsmodell des MPI-M, das mit dem Landmodell JSBACH gekoppelt wurde. Für die Simulationen wurde in das Landmodell ein Bewässerungsschema integriert. Die Autoren legten ihren Fokus vor allem auf die Bewässerungslandwirtschaft in Südasien, weil sich dort, u.a. durch den Reisanbau, der weltweit größte Anteil an Bewässerungsanlagen befindet.

Sie fanden heraus, dass Bewässerung unmittelbar das Klima in Entfernungen von mehreren tausend Kilometern beeinflussen kann. Die Auswirkungen der Bewässerung in Asien treten nicht nur lokal auf, sondern schaffen sogar den interkontinentalen Sprung über das Meer nach Afrika. Bis zu 40 % des heutigen Niederschlags in bestimmten ariden Gebieten Ostafrikas stehen in Zusammenhang mit der Bewässerungslandwirtschaft in Asien.

Zugrundeliegende Mechanismen – Wie kann Bewässerung in Asien den Regen in Ostafrika beeinflussen?
Die Autoren untersuchten die hierfür verantwortlichen Mechanismen und konnten die Advektion von Wasserdampf sowie die Veränderung des Asiatischen Monsuns durch die Bewässerung als Schlüsselmechanismen ausmachen. Der Wasserdampf stammt von der durch Bewässerung erhöhten Evapotranspiration. Der Begriff bezeichnet die Summe aus Transpiration von Wasser über die Blattflächen der Pflanzen und Evaporation, also die Verdunstung von Wasser über Wasseroberflächen und Böden.

Zu Beginn des Frühlings auf der nördlichen Halbkugel (Februar – März) ist der Feuchtestrom, der von der Verdunstung aus Bewässerungsanlagen in Südasien hervorgerufen wird, bereits hoch. Durch die daraus entstehende Evapotranspiration steigt die Luftfeuchtigkeit an. Während dieser Zeit bewegen sich die bodennahen Winde des Arabischen Meeres in südwestliche Richtung. Daher strömt ein großer Teil des atmosphärischen Wasserdampfes, der aus Bewässerungsanlagen in Südasien stammt, über das Arabische Meer zu Afrikas Ostküste, wo er die Luftfeuchtigkeit deutlich erhöht. Zum Ende des Frühlings (April-Mai) versiegt aufgrund drehender Winde der Feuchtestrom aus Asien. Dafür wird Wasserdampf von Gebieten im Mittleren Osten vermehrt nach Ostafrika transportiert. Der Anstieg an Wasserdampf in der Atmosphäre führt zu vermehrtem Niederschlag. In manchen der trockneren Gebiete Ostafrikas entspricht dieser Anstieg des Niederschlags mehr als einem Drittel des simulierten Jahresniederschlags.

Darüber hinaus resultiert aus der Bewässerung in Asien eine Abschwächung des Monsuns, welcher im Sommer für einen Großteil des Niederschlages in Südostasien verantwortlich ist. So kann Bewässerung nicht nur zu einer Erhöhung des Niederschlages in entfernten Regionen führen, sondern diesen auch reduzieren.

Auswirkungen
Der vermehrte Niederschlag führt zu verstärkter Evapotranspiration und einer damit verbundenen Kühlung der Landoberfläche: Der zusätzliche Wasserdampf in der Atmosphäre beeinflusst die Wolkenbildung. Teilweise erhöht sich die mittlere Wolkenbedeckung in der unteren Troposphäre um mehr als 7,5 %, was die einfallende Sonnenstrahlung auf der Landoberfläche reduziert. Zusammen führen diese zwei Effekte in den betroffenen Gebieten zu einer Abkühlung der Landoberfläche von bis zu 0,5 Grad Celsius.

Die Abschwächung des Monsuns reduziert den Niederschlag in einigen Gebieten Südostasiens, was zu verringerter Evapotranspiration und der damit verbundenen Abkühlung der Erdoberfläche führt. Dies kann in einigen Fällen den Niederschlag im Sommer um bis zu 2 mm pro Tag verringern und zu einem Temperaturanstieg von bis zu 2° C führen.

Fazit
Die Autoren haben ihre Untersuchung der Auswirkungen auf Gebiete in Ostafrika, Südostasien und das südliche China eingeschränkt, da die zugrundeliegenden Mechanismen hier am deutlichsten sichtbar sind. Allerdings deuten die durchgeführten Simulationen darauf hin, dass die Effekte auch in anderen Regionen auftreten können. Zum Beispiel gelangt Wasserdampf von Bewässerungsgebieten durch Advektion nach Russland, wo es das bodennahe Klima beeinflusst, und die Bewässerung in Südeuropa hat vermutlich starke Auswirkungen auf den Feuchtegehalt der Atmosphäre und die Temperaturen in Westeuropa und Skandinavien.

Selbst wenn die Bewässerungstechniken in Zukunft wesentlich effizienter gestaltet werden, steigt der für die künstliche Bewässerung benötigte Wasserbedarf bis 2050 (im Vergleich zum Jahr 2000) vermutlich um 50 % an, da sich die Bewässerungslandwirtschaft dem steigenden Lebensmittelbedarf einer wachsenden Weltbevölkerung anpassen muss.

Während die künstliche Bewässerung, durch die Umverteilung von Wasser, ihrerseits Auswirkungen auf den Wasserkreislauf und den Energiehaushalt der Landoberfläche hat, wird sie selbst durch Klimaänderungen und abnehmende Frischwasserressourcen beeinflusst. Es ist wahrscheinlich, dass ein zukünftiger Ausbau oder ein Rückgang der bewässerten Gebiete – durch die steigende Lebensmittelnachfrage oder abnehmende Trinkwasserressourcen – auch den Niederschlag und die Temperaturen anderer Gebiete, die vom Verursachungsort entfernt liegen, beeinflussen wird.

Originalveröffentlichung
Philipp de Vrese, Stefan Hagemann, Martin Claussen (2016). Asian Irrigation, African Rain: Remote Impacts of Irrigation. Geophysical Research Letters. doi: 10.1002/2016GL068146

Klimawandel: Trockener Sommer setzte dem Wald zu

Die Förster des Rhein-Neckar-Kreises bereiten sich auf schwierige Zeiten vor. Der heiße Sommer und die geringen Niederschläge bedeuteten für den Wald puren Stress, betont Kreisforstamtsleiter Dr. Dieter Münch.

Die Bäume seien zwar für Trockenperioden gerüstet. Aber in diesem Sommer seien viele an die Grenzen ihrer Anpassungsmöglichkeit gekommen und hätten zusätzlich vorzeitig Nadeln und Blätter fallen lassen, um den Wasserverbrauch einzuschränken. „Die Bäume kämpften ums Überleben und wurden dadurch auch anfälliger für Krankheiten, wie Pilzinfektionen und Insektenbefall“, so Dr. Münch.

Für die Förster heißt es nun, eine Massenvermehrung der Borkenkäfer in den Wäldern des Odenwaldes und im Kraichgau zu verhindern. In den Kiefernwäldern des Rheintals geht es in den nächsten Jahren darum, Wege zu finden, um die Waldstruktur auf großer Fläche überhaupt zu erhalten.

Diese Spuren hat der Sommer 2015 in den einzelnen Waldregionen des Rhein-Neckar-Kreises hinterlassen:

Situation im Odenwald…

In den Wäldern des Odenwaldes hatten vor allem die Fichten mit dem Wassermangel ihre Probleme. Als Flachwurzler waren für sie die Wasservorräte in der oberen Bodenschicht bereits sehr schnell erschöpft.  Die so geschwächten Bäume können sich nicht mehr so kraftvoll gegen die Borkenkäfer Buchdrucker und Kupferstecher wehren. Erste abgestorbene Bäume sind daher im Odenwald meist Fichten. Wichtig ist jetzt, die Fichten im Wald zu finden, die bereits vom Borkenkäfer befallen sind, aber noch eine grüne Baumkrone haben. Denn in diesen Fichten und im umliegenden Boden überwintern die Borkenkäfer und warten auf ein neuerliches warmes, trockenes Frühjahr. Den Waldarbeitern und Förstern, die in letzter Zeit viele Stunden damit zugebracht haben, solche Fichten zu suchen und einzuschlagen, helfen  dabei manchmal die Spechte, die bereits die Baumrinde angeschlagen haben und so auf einen Befall mit Borkenkäfern hinweisen. Besser verkraftet haben Douglasie und Tanne die Trockenheit, da sie tiefer wurzeln und gerade die Douglasie viel besser auf Trockenperioden angepasst ist als die Fichte. Gezeichnet haben auch die im Odenwald im Naturwald vorherrschenden Buchen. Vorzeitiger Laubabfall und erste absterbende Baumkronen sind zu beobachten

..im Kraichgau

In den Kraichgauwäldern wachsen die Bäume auf Böden, die besonders viel Wasser speichern können. Buchen- und Eichenwälder sind dort prägend. Gerade die tiefwurzelnde Eichen verkraftete Trockenheit noch mit am besten. Dort sind aber auch die Buchen, die besonders viel Wasser verbrauchen, an ihre Grenzen gestoßen. Manche Bäume beginnen nun, von oben her abzusterben. Es bleibt das nächste Frühjahr abzuwarten, wie stark die Schädigung tatsächlich war und wie gut sich die Bäume erholen.

.. und im Rheintal

Auf den sehr wasserdurchlässigen Sandböden des Rheintals verlief der Absterbeprozess an Kiefern und Buchen besonders dramatisch. Die nördliche Oberrheinebene ist die Region in Baden-Württemberg, die vom Klimawandel besonders betroffen wird. Bereits jetzt ist es mit die wärmste und niederschlagsärmste Region in Baden-Württemberg und das gekoppelt mit Böden, die nur für wenige Tage bis Wochen genügend Wasser für die Bäume speichern können. Das Baumwachstum findet schon heute am Grenzbereich statt. Sollten, wie prognostiziert, die Temperatur um bis zu weitere 2 C° ansteigen und die Sommerniederschläge geringer werden, verschlechtern sich die Ausgangbedingungen für das Baumwachstum nochmals erheblich. Hinzu tritt, dass sich die Lebensverhältnisse für Insekten, z.B. den Maikäfer, dadurch deutlich verbessern und das Baumwachstum zusätzlich durch Insektenfraß an den Blättern und Wurzeln beeinträchtigt wird. Hier sind erste Auflösungserscheinungen der Wälder zu beobachten. Eingeschleppte Pflanzen wie die Kermesbeere finden unter diesen Verhältnissen eine ökologische Nische, in der sie sich sehr wohl fühlen und massiv ausbreiten. Die heimische Tier- und Pflanzenwelt könnte dadurch verdrängt werden. Die Kiefernwälder in der Rheinebene sind daher derzeit die größten Sorgenkinder der Kreis-Förster.

„Ewiges Eis ist nicht ewig“: West-Antarktis könnte komplett schmelzen

Der riesige Eispanzer der westlichen Antarktis könnte vollständig verschwinden, wenn dort das vergleichsweise winzige Amundsen-Becken instabil würde, so haben Wissenschaftler des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung jetzt berechnet. Gelangt all dies Eis in den Ozean, steigt der Meeresspiegel um rund drei Meter. Einige vor wenigen Monaten veröffentlichte Studien deuten darauf hin, dass dieses Gebiet des Eiskontinents seine Stabilität bereits verloren habe – damit wäre das erste Element des Erdsystems tatsächlich gekippt. Die neue Veröffentlichung zeigt zum ersten Mal die Folgen einer solchen Entwicklung. Wenige Jahrzehnte Erwärmung des Ozeans können einen über Jahrhunderte und Jahrtausende andauernden Eisverlust auslösen, so die Computersimulationen.

„Was wir das ewige Eis der Antarktis nennen, erweist sich leider als keineswegs ewig“, sagt Johannes Feldmann, Leitautor der jetzt in den ‚Proceedings’ der US-National-Akademie der Wissenschaften (PNAS) erscheinenden Untersuchung. „Wird der Naturzustand der Eismassen einmal gestört, und genau das passiert heute, so reagieren sie in nicht-linearer Weise: nach einer langen Zeit ohne große Veränderungen bricht ihre Stabilität ziemlich rasch zusammen.“ Deshalb spricht man von Kipp-Elementen: werden sie zu stark angestoßen, fallen sie in einen anderen Zustand. Dies trifft beispielsweise auch auf den Amazonas-Regenwald zu, und auf das indische Monsun-System. In der Antarktis nimmt dann der natürliche Eisfluss in den Ozean deutlich und dauerhaft zu.

„Wenige Jahrzehnte Schmelzen stoßen eine Jahrtausend-Veränderung an“

Die Erwärmung des Ozeans schmilzt langsam von unten die vom Festland ins Meer ragenden und aufschwimmenden Eis-Schelfe. Große Teile des Eises der West-Antarktis ruhen auf einem Felsbett, das sich unterhalb des Meeresspiegels befindet. Eisverlust an den Rändern führt dazu, dass sich Stück für Stück die Aufsetzlinie des Land-Eises ins Landesinnere verschiebt. Weil der Boden hier abfällt statt ansteigt, wird eine immer dickere Eiskante dem wärmeren Meereswasser ausgesetzt – was den Eisverlust weiter beschleunigt.

„In unseren Simulationen genügen 60 Jahre des Abschmelzens in der heute beobachtbaren Rate, um einen dann nicht mehr zu stoppenden Prozess des Eisverlustes auszulösen, der tausende von Jahren anhält“, erklärt Feldmann. Dies würde letztlich zu einem Anstieg des Meeresspiegels von mindestens drei Metern führen. „Natürlich läuft das über sehr lange Zeiträume ab“, so Feldmann. „Aber es beginnt mit uns.“

Der Faktor Treibhausgase

„Bislang fehlen uns die Belege, um sagen zu können, ob der Stabilitätsverlust des Amundsen-Eises von den Treibhausgasen und der entsprechenden weltweiten Erwärmung ausgelöst wurde“, sagt Ko-Autor Anders Levermann, der als Meeresspiegel-Experte am jüngsten Bericht des Weltklimarats IPCC mitgearbeitet hat. „Klar ist aber, dass ein weiterer Ausstoß von Treibhausgasen das Risiko eines Kollapses der West-Antarktis erhöht – und damit das eines unaufhaltsamen Anstiegs des Meeresspiegels.“

„Vor dem Meeresspiegelanstieg muss man keine Angst haben, aber er ist etwas worum man sich kümmern muss“, so Levermann. „Der Meeresspiegel steigt langsam an, aber dabei zerstört er unser Menschheits-Erbe; Küstenmetropolen wie Hamburg und New York, die Teile unseres kulturellen Erbes der Zukunft tragen – wenn wir nicht die CO2-Emissionen rasch reduzieren.“

Artikel: Feldmann, J., Levermann, A. (2015): Collapse of the West Antarctic Ice Sheet after local destabilization of the Amundsen Basin. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS, Online Early Edition) [DOI: 10.1073/pnas.1512482112]

Weblink zum Artikel: www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1512482112

Wie Organe von Pflanzenzellen miteinander „chatten“

Ein Forscherteam unter Federführung der Universität Bonn hat eine Grundlage der Kommunikation in Pflanzenzellen entschlüsselt: Das Protein „MICU“ steuert an zentraler Stelle in den Zellkraftwerken die Kalziumionen-Konzentration. Mit diesen chemischen Signaturen regeln die Pflanzen zum Beispiel die Ausbildung von Organen und reagieren auf Wasserstress. Die Ergebnisse könnten in Zukunft auch dazu dienen, Nutzpflanzen zu optimieren. Die renommierte Fachzeitschrift „The Plant Cell“ berichtet in ihrer aktuellen Ausgabe über die Resultate.

Pflanzen reagieren in vielfältiger Weise auf Reize ihrer Umwelt: Wird das zur Verfügung stehende Wasser knapp, drosseln sie die Verdunstung aus ihren Blätter. Kommt ein Schädling daher, wappnen sie sich zum Beispiel mit chemischen Keulen. Möchte ein Bodenpilz zum gegenseitigen Vorteil in einer Art Wohngemeinschaft mit einer Pflanzenwurzel leben, dann sprechen beide Partner über ihre Pflichten. „All diese Feinjustierungen erfordern ein großes Maß an Kommunikation zwischen den einzelnen Organen der Pflanzenzellen“, sagt Dr. Markus Schwarzländer, Leiter einer Emmy-Noether-Gruppe am Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz der Universität Bonn.

Wenn verschiedene Bestandteile von Pflanzenzellen miteinander kommunizieren, nutzen sie keine Worte, sondern Kalziumionen – also positiv geladene Kalziumatome. „Die Information ist in den Schwankungen der Kalziumkonzentration der unterschiedlichen Zellkompartimente codiert“, erläutert Dr. Schwarzländer. Wie kann ein einzelnes Ion so viele Informationen beinhalten und weiterleiten? Das fragen sich Wissenschaftler, seit bekannt ist, wie verschiedene Zellkompartimente miteinander „chatten“.

Das Protein „MICU“ ist eine zentrale Relaisstation

Einen Lichtstrahl ins Dunkel bringt nun ein Forscherteam um Dr. Schwarzländer, der mit Wissenschaftlern aus Italien, Frankreich, England, Australien sowie dem Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln und der Universität Münster neue Erkenntnisse zur Kalziumionen-Kommunikation der Pflanzen gewonnen hat. Anhand der Zellkraftwerke (Mitochondrien) der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) entdeckten die Wissenschaftler, dass das Protein „MICU“ eine zentrale Stellung in der Steuerung der Kalziumionen-Konzentration in den Mitochondrien einnimmt.

„Bei Säugetieren gibt es ein ganz ähnliches Protein, das ebenfalls die Menge an Kalziumionen reguliert“, sagt Dr. Stephan Wagner aus dem Team von Dr. Schwarzländer. Es bringt die Mitochondrien der Säuger wie ein Turbolader dazu, mehr Energie bereitzustellen. Die Wissenschaftler spekulierten, dass es sich dabei um einen interessanten Kandidaten handeln könnte, waren dann aber doch überrascht, als sie mit dem eng verwandten pflanzlichen „MICU“ eine zentrale Relaisstation im Kommunikationssystem von Arabidopsis ausfindig machten. „Die beiden sich ähnelnden Proteine in Tieren und Pflanzen sind offenbar aus einem gemeinsamen Vorfahren hervorgegangen, haben aber im Lauf der Jahrmillionen eigene Charakteristika entwickelt“, sagt Dr. Schwarzländer.

Fluoreszierende Zellkraftwerke geben Aufschluss

Indem die Forscher das Gen mit dem MICU-Bauplan im Arabidopsis-Genom zerstörten, konnten sie experimentell herausfinden, welchen Einfluss das Protein auf die Kalzium-Kommunikation der Pflanzen hat. Sie koppelten die Mitochondrien mit einem fluoreszierenden Sensorprotein. Anhand der unterschiedlichen Fluoreszenzintensitäten war es nun möglich, Veränderungen in den Kalzium-Konzentrationen der Zellkraftwerke in der lebenden Pflanze sichtbar zu machen. „Wir konnten eindeutig Einflüsse auf die Kommunikation der Mitochondrien feststellen“, berichtet Dr. Wagner. Das ausgeschaltete MICU-Gen sorgte unter anderem für veränderte Eigenschaften der Zellatmung.

„Mit unseren Erkenntnissen haben wir die Grundlage geschaffen, Einfluss auf die Kalzium-Signale in spezifischen Teilen der Pflanzenzelle zu nehmen“, fasst Dr. Schwarzländer zusammen. Da Arabidopsis als experimentelles Modell für viele Feldfrüchte gilt, lassen sich die Erkenntnisse in Zukunft möglicherweise auch für die Optimierung von Nutzpflanzen anwenden. Wenn man zum Beispiel beliebigen Pflanzen über veränderte Kalzium-Signale beibringen könnte, sich mit stickstofffixierenden Bodenbakterien zu verbünden, ließe sich viel Dünger in der Landwirtschaft einsparen, blicken die Forscher in die Zukunft.

Publikation: The EF-Hand Ca2+ Binding Protein MICU Choreographs Mitochondrial Ca2+ Dynamics in Arabidopsis, Fachjournal “The Plant Cell“, DOI: 10.1105/tpc.15.00509

Oberfläche der Ozeane beeinflusst Klima stärker als gedacht

Die Ozeane produzieren offenbar deutlich mehr Isopren und wirken sich dadurch stärker auf das Klima aus als bisher angenommen. Das geht aus einer Studie des Instituts für Katalyse und Umwelt in Lyon (IRCELYON, CNRS / Universität Lyon 1) und des Leibniz-Institutes für Troposphärenforschung (TROPOS) hervor, die Proben des Oberflächenfilms im Labor untersucht hatten. Die Ergebnisse unterstreichen die globale Bedeutung der chemischen Prozesse an der Grenze zwischen Ozean und Atmosphäre, schreiben die Forschenden im Fachblatt Environmental Science & Technology.

Isopren ist ein Gas, das sowohl von der Vegetation als auch den Ozeanen gebildet wird und in der Atmosphäre große Bedeutung für das Klima hat. Aus diesem Gas bilden sich Partikel, die später zu Wolken werden können und dann Temperatur und Niederschlag beeinflussen. Bisher war angenommen worden, dass Isopren im Meereswasser vor allem durch biologische Prozesse aus Plankton entsteht. Die Atmosphärenchemikerinnen und –chemiker aus Frankreich und Deutschland könnten jetzt jedoch zeigen, dass Isopren auch ohne biologische Quellen im Oberflächenfilm der Ozeane durch Sonnenlicht gebildet werden könnte und so die große Diskrepanz zwischen Feldmessungen und Modellen erklären. Der neue photochemische Reaktionsweg ist deshalb wichtig, um die Klimamodelle verbessern zu können.

Die Ozeane der Erde nehmen nicht nur Wärme und Kohlendioxid auf, sie sind auch Quellen verschiedener Gase und beeinflussen so das globale Klima. Eine Schlüsselrolle bei diesen Interaktionen zwischen Meerwasser und den Luftschichten nimmt ein hauchdünner Film an der Wasseroberfläche ein. Der sogenannte Oberflächenfilm bildet sich vor allem bei geringem Seegang. In dieser nur wenige Mikrometer dünnen Schicht sammeln sich verschiedenste organische Substanzen wie Fett- und Aminosäuren, Proteine, Lipide genauso an wie auch Spurenmetalle, Staub und Mikroorganismen. Sie alle zusammen bilden einen gewaltigen Filter, der bis 70 Prozent der Oberfläche des Planeten abdecken kann. Der Oberflächenfilm filtert jedoch nicht nur, er ist auch aktiv an der Produktion von Gasen beteiligt.

Für die jetzt veröffentlichte Studie nutzte das Forscherteam Proben aus dem Nordatlantik. Im Raunefjord bei Bergen in Norwegen wurde der Oberflächenfilm eingesammelt. Dazu wird eine Glasplatte ins Wasser getaucht und anschließend wieder vorsichtig aus dem Wasser gezogen. Dabei bleibt der 200 Mikrometer dünne Film am Glas haften und wird anschließend mit einem Scheibenwischer abgekratzt. Die so gewonnene Probe wird später im Labor untersucht. Am Instituts für Katalyse und Umwelt in Lyon (IRCELYON), das zur französischen Forschungsorganisation CNRS und zur Universität Lyon 1 gehört, untersuchte das Team die photochemischen Eigenschaften, indem die Proben mit Licht bestrahlt wurden und die entstehenden Gase analysiert wurden. Durch die Messungen zeigte sich, dass auch ohne Plankton Isopren entstand und dies in Größenordnungen, die bisher ausschließlich dem Plankton zugeschrieben wurden. „Wir konnten damit erstmals die Produktion dieses wichtigen Vorläufergases von Aerosolpartikeln auf abiotische Quellen zurückführen, was die Unstimmigkeiten in den globalen Berechnungen erklärt, die bisher nur biologische Quellen angenommen hatten“, erklärt Dr. Christian George vom IRCELYON.

Damit wird es nun möglich, die Gesamtmengen an Isopren abzuschätzen, die global emittiert werden. Bisher deuteten lokale Messungen auf Mengen von etwa 0.3 Megatonnen pro Jahr, globale Simulationen dagegen auf rund 1.9 Megatonnen pro Jahr. Das Team aus Lyon und Leipzig schätzt aber, dass der neu entdeckte photochemische Reaktionsweg allein 0.2 bis 3.5 Megatonnen pro Jahr zusätzlich beitragen und die bisherigen Unstimmigkeiten erklären könnte. „Die Existenz der organischen Oberflächenfilms an der Ozeanoberfläche aufgrund von biologischen Aktivitäten beeinflusst daher die Austauschprozesse zwischen Luft und Meer unerwartet deutlich und die photochemischen Prozesse an dieser Grenzfläche könnten eine ganz wesentliche Quelle von Isopren sein“, fasst Prof. Hartmut Herrmann vom TROPOS zusammen.

Die Prozesse an der Grenze zwischen Wasser und Luft sind aktuell von großem Interesse in der Wissenschaft: Im August legte das Team vom CNRS und TROPOS in Scientific Reports, dem Open-Access-Journal von Nature, Belege vor, dass gelöstes organisches Material im Oberflächenfilm unter dem Einfluss von Sonnenlicht die chemische Umwandlung von gesättigten Fettsäuren in ungesättigte Gasphasenprodukte verstärkt. Dabei wurde erstmals klar, dass diese Produkte nicht nur biologischen Ursprungs sein müssen, sondern auch abiotische Prozesse an der Grenzfläche zwischen beiden Medien das Potenzial haben, solche Moleküle zu produzieren. Anfang September konnte ein anderes Team aus Kanada, den USA, Großbritannien und Deutschland im Journal Nature zeigen, dass organisches Material aus dem Oberflächenfilm der Ozeane eine wichtige Quelle für die Eisbildung in Wolken über küstenfernen Regionen des Nordatlantiks, Nordpazifiks und Südpolarmeers sein kann. Die jüngste Publikation des Teams vom CNRS und TROPOS in Environmental Science & Technology gibt nun erstmals Hinweise, wie die Klimamodelle in dem wichtigen Detail des Einflusses von Isopren verbessert werden könnten und wird vom Journal daher wegen der großen Bedeutung frei zugänglich als „Editor´s Choice“ veröffentlicht. Quelle: Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e. V.

Smartphone: Experten erwarten deutlichen Anstieg der Kurzsichtigkeit

Ganze Schulklassen voller Brillenträger? Augenärzte rechnen in Deutschland mit einem deutlichen Anstieg von Kurzsichtigkeit bei Kindern. Ursachen sind vermutlich veränderte Spiel- und Freizeitaktivitäten. Warum der Nachwuchs mehr Spielplatz und weniger Smartphone braucht und welche Augentropfen vor dicken Brillengläsern schützen können, erläutern Experten auf der Vorab-Pressekonferenz zum diesjährigen Kongress der Deutschen Ophthalmologischen Gesellschaft (DOG).

Experten beobachten weltweit eine deutliche Zunahme der Kurzsichtigkeit, auch Myopie genannt. „Besonders die asiatischen Länder sind von dem unscharfen Sehen in der Ferne betroffen“, sagt Professor Dr. med. Karl Ulrich Bartz-Schmidt, Kongress-Präsident und Ärztlicher Direktor der Universitäts-Augenklinik Tübingen. In China etwa sind in manchen Regionen bis zu 90 Prozent der Jugendlichen und jungen Erwachsenen kurzsichtig.

In Deutschland beträgt der Anteil derzeit 35 bis 40 Prozent. „Wir rechnen aber auch hierzulande mit einem starken Anstieg“, erklärt Professor Dr. med. Wolf Lagrèze, Leitender Arzt der Sektion Neuroophthalmologie, Kinderophthalmologie und Schielbehandlung von der Universitäts-Augenklinik Freiburg. „Die Gründe sind vermutlich veränderte Spiel- und Freizeitaktivitäten mit vermehrter Nutzung von Smartphones und iPads, verbunden mit intensivem Lernverhalten in Räumen, die wenig Tageslicht bieten“, so Lagrèze. In Asien verbringen Kinder viele Stunden täglich am Schreibtisch, um den Anschluss im Bildungsbereich nicht zu verpassen.

Aus der Analyse leiten sich Gegenmaßnahmen ab. So zeigt eine Studie in Taiwan, dass Schulkinder weniger kurzsichtig werden, wenn sie die Pausen draußen statt drinnen verbringen – Tageslicht schützt vor Brillenbedürftigkeit. „Untersuchungen belegen, dass es mindestens zwei Stunden Aufenhalt im Freien pro Tag sein sollten, wobei Lichtstärken von mindestens 10.000 Lux erreicht werden sollten“, erklärt Lagrèze. Zum Vergleich: Ein bewölkter Tag kann diesen Wert unterschreiten, ein gut beleuchteter Klassenraum bringt es auf maximal 500 Lux. „Um die Lichtintensität zu erhöhen, werden deshalb etwa in Singapur taghelle Schulzimmer erprobt“, so Lagrèze.

Ein zweiter Hebel setzt am Nutzungsverhalten von Smartphone & Co an. „Die Nutzung erfordert eine Nahsicht und findet häufig in Innenräumen statt – zwei Faktoren, die Kurzsichtigkeit fördern können“, erläutert Lagrèze. „Eltern sollten die Online-Nutzung ihrer Kinder deshalb kontrollieren und gegebenenfalls dosieren, in dem sie Alternativen anbieten und ermöglichen“, rät Lagrèze. Nach aktuellen Schätzungen sind in Deutschland zehn Prozent der Dreijährigen und 50 Prozent der Achtjährigen regelmäßig online.

Zusätzlich können medizinische Maßnahmen ergriffen werden, um das Fortschreiten der Kurzsichtigkeit aufzuhalten. Zum einen hilft das Präparat Atropin, das aus der Tollkirsche gewonnen wird und das Augenärzte in einer Konzentration von 0,5 Prozent zur Weitstellung der Pupille nutzen. Jeweils ein Tropfen Atropin in einer Konzentration von 0,01 Prozent abends in beide Augen verlangsamt die Sehschwäche, wie inzwischen mehrere Studien nachgewiesen haben. „In dieser schwachen Konzentration erweitert Atropin die Pupille nicht“, betont Lagrèze.

Zum anderen steht für Jugendliche als Alternative zur Brille eine multifokale Kontaktlinse zur Verfügung, die das Fortschreiten der Myopie ebenfalls mindert. Ein Aufhalten stark voranschreitender Kurzsichtigkeit ist sinnvoll, weil eine Fehlsichtigkeit von mehr als minus sechs Dioptrien das Risiko für andere Augenerkrankungen wie Netzhautablösung, Glaukom und Altersbedingte Makuladegeneration (AMD) stark erhöht.

„Zusammengefasst lautet die wichtigste Empfehlung: mehr Spielplatz, weniger Smartphone“, so Lagrèze. Zumal dieses Freizeitverhalten noch weitere positive Effekte hat – es verbessert die Stimmung und schützt vor Übergewicht. „Eine wirkungsvolle Maßnahme, die nichts kostet“, freut sich der DOG-Experte. Quelle: Deutsche Ophthalmologische Gesellschaft (DOG)

DOG: Forschung – Lehre – Krankenversorgung

Die DOG ist die medizinisch-wissenschaftliche Fachgesellschaft für Augenheilkunde in Deutschland. Sie vereint unter ihrem Dach mehr als 6000 Ärzte und Wissenschaftler, die augenheilkundlich forschen, lehren und behandeln. Wesentliches Anliegen der DOG ist es, die Forschung in der Augenheilkunde zu fördern: Sie unterstützt wissenschaftliche Projekte und Studien, veranstaltet Kongresse und gibt wissenschaftliche Fachzeitschriften heraus. Darüber hinaus setzt sich die DOG für den wissenschaftlichen Nachwuchs in der Augenheilkunde ein, indem sie zum Beispiel Stipendien vor allem für junge Forscher vergibt. Gegründet im Jahr 1857 in Heidelberg, ist die DOG die älteste medizinisch-wissenschaftliche Fachgesellschaft der Welt.

Wie Armut und Klimawandel gleichzeitig bekämpft werden können

Um die nachhaltigen Entwicklungsziele Klimaschutz und den Kampf gegen die Armut gleichermaßen gewährleisten zu können, sollte die Atmosphäre als globales Gemeinschaftsgut anerkannt werden. „Wenn der Klimawandel so gemildert werden soll, dass die Armen vor seinen Auswirkungen geschützt werden, müssen die von Menschen verursachten Emissionen begrenzt werden“, schreibt ein Autorenteam um Ottmar Edenhofer, Direktor des Mercator Research Institute on Global Commons and Climate Change (MCC) in der neuen Ausgabe des Fachmagazins „Nature Climate Change“.

Dabei beziehen sie sich auf die jüngste Enzyklika des Papstes „Laudato si“. Franziskus hat darin Armut, nachhaltiges Wirtschaften und den Klimaschutz zu zentralen Themen gemacht. Er spricht am Freitag vor der UN-Vollversammlung, die die nachhaltigen Entwicklungsziele verabschieden will. In seiner Enzyklika hat der Papst die Weltgemeinschaft dazu aufgerufen, die Atmosphäre als „gemeinschaftliches Gut von allen und für alle“ anzuerkennen.

Edenhofer und die Co-Autoren Christian Flachsland und Brigitte Knopf betonen in ihrer Analyse, dass das Zwei-Grad-Ziel nur dann mit hoher Wahrscheinlichkeit noch zu erreichen sei, wenn die große Mehrheit der fossilen Reserven im Boden bleibt. Und sie geben einen Ausblick: „Ökonomische Analysen haben gezeigt, dass die Begrenzung der Atmosphäre als CO2-Deponie einschneidende Folgen für die globale Verteilung des Reichtums hätten“, heißt es in dem Artikel. „Dies würde das Vermögen der Besitzer von fossilen Reserven entwerten.“ Die Idee, dass reichere Gesellschaften mehr zu den Klimaschutzkosten beitragen müssten, sei eine, die „einige Regierungen natürlich nicht gerne unterstützen, die die Enzyklika des Papstes aber sehr prominent auf den Tisch legt“.

Am Freitag wollen die Staats- und Regierungschefs auf einem UN-Gipfel in New York, an dem auch Bundeskanzlerin Angela Merkel (CDU) teilnimmt, die „Agenda 2030 für nachhaltige Entwicklung“ verabschieden. Der Katalog mit 17 sogenannten Nachhaltigen Entwicklungszielen (Sustainable Development Goals – SDGs) soll die Milleniums-Entwicklungsziele fortführen. Der gleichzeitige Kampf für den Klimaschutz und gegen die Armut ist in dem Dokument zentral.

„Die Entwicklungsziele dürfen nicht gegeneinander ausgespielt werden – sie bedingen sich vielmehr gegenseitig“, sagt MCC-Generalsekretärin Brigitte Knopf. „Nur durch die Begrenzung des Klimawandels ist ein Kampf gegen die Armut in den Schwellen- und Entwicklungsländern überhaupt möglich.“ Dies gelte auch mit Blick auf die UN-Weltklimakonferenz Ende des Jahres in Paris.

Um die Anerkennung der Atmosphäre als globales Gemeinschaftsgut in praktische Politik umzusetzen, schlägt das MCC eine Bepreisung von CO2 vor, entweder durch ein funktionierendes Emissionshandelssystem oder durch eine Steuer. Die Einnahmen wären eine effiziente Finanzierungsquelle für Infrastrukturmaßnahmen wie etwa Wasserversorgung, Elektrifizierung oder den Zugang zu Sanitäranlagen. Christian Flachsland, Leiter der MCC-Arbeitsgruppe Governance betont: „Die CO2-Bepreisung muss so ausgestaltet werden, dass sie die Armen nicht weiter belastet, sondern im Gegenteil Ihre Handlungschancen erweitert.“

Über das MCC

Das MCC erforscht nachhaltiges Wirtschaften sowie die Nutzung von Gemeinschaftsgütern wie globalen Umweltsystemen und sozialen Infrastrukturen vor dem Hintergrund des Klimawandels. Sieben Arbeitsgruppen forschen zu den Themen Wirtschaftswachstum und -entwicklung, Ressourcen und Internationaler Handel, Städte und Infrastrukturen, Governance sowie wissenschaftliche Politikberatung. Das MCC ist eine gemeinsame Gründung der Stiftung Mercator und des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK).

Weitere Informationen:

Edenhofer, Ottmar; Flachsland, Christian; Knopf, Brigitte (2015): Science and religion in dialogue over the global commons. Nature Climate Change. Vol 5. DOI: 10.1038/nclimate2798.

Ein aktueller lesenswerter Kommentar der FAZ: Die Klimaflüchtlinge kommen – Das Leben der anderen ist armselig und kurz

Bakteriengemeinschaft im Boden rettet Pflanzenleben

Wurzelbakterien verbessern nicht nur die Nährstoffversorgung von Pflanzen, sie schützen Pflanzen einer neuen Studie zufolge auch vor Krankheiten. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena haben bei Feldversuchen in Utah, USA, herausgefunden, dass der richtige Mikrobenmix im Boden das Überleben von wilden Tabakpflanzen der Art Nicotiana attenuata direkt beeinflusst. Konnten die Pflanzen keine Schutzallianz mit den lebenswichtigen Bakterien im Boden ausbilden, erkrankten sie an einer tödlichen Wurzelfäule, die sie über Nacht welken und absterben ließ.

Wurzelbakterien verbessern nicht nur die Nährstoffversorgung von Pflanzen, sie schützen Pflanzen einer neuen Studie zufolge auch vor Krankheiten. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena haben bei Feldversuchen in Utah, USA, herausgefunden, dass der richtige Mikrobenmix im Boden das Überleben von wilden Tabakpflanzen der Art Nicotiana attenuata direkt beeinflusst. Konnten die Pflanzen keine Schutzallianz mit den lebenswichtigen Bakterien im Boden ausbilden, erkrankten sie an einer tödlichen Wurzelfäule, die sie über Nacht welken und absterben ließ. Die Ausbreitung des gefährlichen Erregers war möglich geworden, weil die Freisetzung der Pflanzen über mehrere Jahre auf dem gleichen Versuchsfeld stattfand und die Pflanzen darüber hinaus vor der Auspflanzung in einem sterilen Medium angezogen worden waren, was die frühzeitige natürliche Rekrutierung symbiotischer Bakterien verhinderte. Die Ergebnisse unterstreichen zum einen die Wichtigkeit von Fruchtfolgen für die Qualität von Böden und die Verhinderung von Krankheiten durch Bodenerreger, sie zeigen aber auch, wie komplex die Ökologie von Pflanzen, insbesondere im Hinblick auf die Vielzahl der mit ihnen in Wechselwirkung stehenden nützlichen und schädlichen Mikroorganismen ist. (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, August 2015).

Wissenschaftler um Ian Baldwin, der am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie die Abteilung Molekulare Ökologie leitet, erforschen seit nahezu 20 Jahren die ausgeklügelten Abwehrstrategien des Kojotentabaks Nicotiana attenuata gegen Fraßfeinde an seinem natürlichen Standort im Lytle Preserve im US-amerikanischen Bundesstaat Utah. Ein bestimmtes Versuchsfeld wurde seit 15 Jahre für Experimente genutzt. Vor acht Jahren traten dort erstmals sporadisch Fälle einer Krankheit auf, die einzelne, bereits hochgewachsene Tabakpflanzen plötzlich verwelken ließ. Diese Fälle wurden über die Jahre häufiger und es erkrankten zunehmend auch Pflanzen in früheren Entwicklungsstadien, bis am Ende der Feldsaison 2012 mehr als die Hälfte der Versuchspflanzen an der Krankheit eingegangen waren.

Interessanterweise zeigten andere Wildpflanzen auf dem Feld keinerlei Symptome, die Krankheit schien also nur Tabakpflanzen zu befallen. Offensichtlich hatten die Wissenschaftler durch wiederholtes Anpflanzen einer Wildpflanze ein typisches landwirtschaftliches Problem unabsichtlich nachgestellt: die Vermehrung von Pflanzenpathogenen infolge von Monokultur und Einfelderwirtschaft.

Da die Wissenschaftler auf dem Versuchsfeld ausschließlich mit Tabakpflanzen arbeiten, war ein Fruchtwechsel keine Option. Daher entwickelten sie verschiedene Ansätze zur Bekämpfung der Krankheit, und erprobten deren Effektivität anschließend in Feldversuchen. Zuerst isolierten sie Bakterien und Pilze aus dem Wurzelbereich erkrankter Pflanzen und konnten 70 verschiedene Bakterien und 36 Pilze finden, darunter pflanzenpathogene Fusarium- und Alternaria-Arten. Außerdem bestimmten die Wissenschaftler Bakterienstämme aus dem Wurzelbereich gesunder Tabakpflanzen und wählten diejenigen Arten für eine potenzielle biologische Schädlingsbekämpfung aus, deren positive Wirkung auf Pflanzenwachstum und -gesundheit in früheren Arbeiten bereits nachgewiesen worden waren.

Die Max-Planck-Forscher setzten auch konventionelle chemische Fungizide ein und versuchten, die Bodenqualität durch das Hinzufügen von Holzkohle zu verbessern; denn die jungen Tabakpflanzen keimen in ihrer natürlichen Umgebung meist nur nach Bränden, wie sie nach Blitzeinschlägen regelmäßig entstehen. Neben nützlichen Bakterien kamen auch Pilze für eine biologische Schädlingsbekämpfung zum Einsatz. Während weder Fungizide noch die Holzkohle den erwarteten Erfolg brachten, erhöhten eine Kombination aus Fungiziden und Holzkohle sowie der Einsatz von Pilzen zur Biokontrolle die Sterblichkeit der Versuchspflanzen sogar noch.

Lediglich bei den Pflanzen, die zuvor mit einem Mix nützlicher Bodenbakterien behandelt worden waren, war ein Rückgang der Sterblichkeit zu verbuchen. Die Wissenschaftler schauten sich daraufhin die Wirkung dieser Bakteriengemeinschaft genauer an und verglichen Pflanzen, die mit jeweils zwei, drei oder fünf verschiedenen Bakterienstämmen behandelt worden waren. Während die Behandlung mit nur zwei Bakterienstämmen praktisch keine Wirkung hatte, starben deutlich weniger Pflanzen bei einer Behandlung mit drei oder fünf Bakterienstämmen. Insgesamt wurde sowohl bei In-vitro-Versuchen als auch bei den Feldversuchen deutlich, dass einzelne Bakterienstämme erst im Zusammenwirken mit anderen Bakterien ihre volle Wirkung entfalteten und dazu beitrugen, dass es gesündere Pflanzen mit einer längeren Lebenszeit gab.

Dass Pflanzen einen guten Boden brauchen, hat eine tiefere Bedeutung als uns bislang bewusst war. Es bedeutet schlicht, dass eine ausgewogene Mikrobengemeinschaft entscheidend dazu beiträgt, dass Pflanzen wachsen können und gesund bleiben. Bisher wurden zwar einzelne Bakterienstämme in der Landwirtschaft eingesetzt. Aber Bakterien leben nicht allein, sie bilden Lebensgemeinschaften, die sich gegenseitig ergänzen und nur in Wechselwirkung ihre positive Wirkung auf die Pflanzengesundheit entfalten können“, sagt Arne Weinhold, der die Projektgruppe „Mikrobielle Interaktionen mit Nicotiana attenuata“ leitet.

„Unsere Ergebnisse zeigen erneut, dass wir eine Menge lernen können, wenn wir genau hinschauen, wie die Natur selbst ihre Probleme löst. Die Pilzkrankheit trat letztendlich nur deshalb auf, weil wir das natürliche Verhalten der Pflanzen missachteten und stattdessen landwirtschaftliche Methoden angewandten“, erläutert Ian Baldwin, der den Kojotentabak wie kein anderer kennt. Die einjährige Wildpflanze braucht in der Natur bestimmte Bedingungen, damit ihre Samen, die über viele Jahre im Boden warten können, keimen. Eine wichtige Voraussetzung sind verbrannte Böden als Folge von Flächenbränden nach Blitzeinschlägen. Die wilden Tabakpflanzen wechseln so beständig ihren Standort. Frühere Untersuchungen zeigten, dass bereits die Tabakkeimlinge über die Produktion von Ethylen bestimmte Wurzelbakterien rekrutieren und so selbst ihr „Wurzelmikrobiom“ mitgestalten.

Weitere Untersuchungen sind jetzt notwendig, um herauszufinden, wie der durch die Bakterien vermittelte Schutzmechanismus funktioniert, ob und wie sich die einzelnen Bakterienarten gegenseitig ergänzen und in ihrer Wirkungsweise synergistisch verstärken. „Monokulturen können in der Landwirtschaft auf Dauer zu immer größeren Ernteschäden führen. Wir müssen lernen, die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und der unglaublich diversen Mikrobengemeinschaft im Boden zu verstehen, um herauszufinden, wie dieses komplexe Ökosystem in Ungleichgewicht geraten kann“, meint Rakesh Santhanam aus Indien, einer der drei Erstautoren und derzeit Doktorand der International Max Planck Research School, der ebenso wie seine Co-Autorin Van Thi Luu aus Vietnam bei Ian Baldwin promoviert. Und Van Thi Luu, die Stipendiatin der International Leibniz Research School for Microbial and Biomolecular Interactions ist, ergänzt: „Jede Pflanze sucht sich je nach Standort ihre bakteriellen Helfer aus. Wenn es uns gelingt, diese zu identifizieren und entsprechend anzureichern, damit die Pflanze sie frühzeitig für ihr Mikrobiom gewinnen kann, könnten wir einen enormen Beitrag zum Pflanzenschutz leisten.“  Quelle: Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

Originalveröffentlichung:
Santhanam, R., Luu, V. T., Weinhold, A., Goldberg, J., Oh, Y, Baldwin, I. T. (2015). Native root-associated bacteria rescue a plant from a sudden-wilt disease that emerged during continuous cropping. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Doi 10.1073/pnas.1505765112
http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1505765112