Bär und Co verschlafen die eisige Zeit – doch nicht nur die Tiere des Nordens überdauern den Winter in einem Ruhezustand: Die Nadelbäume schalten in den kalten Phasen des Jahres den Prozess der Photosynthese ab. Bei diesem berühmten System der Energiegewinnung fängt das grüne Pigment Chlorophyll Licht ein und produziert in Kombination mit fixiertem Kohlendioxid chemische Energie in der Form von Kohlenstoffverbindungen. Die Gesamtproduktion von chemischer Energie aus der Photosynthese wird dann als Bruttoprimärproduktion bezeichnet. In Bezug auf die immergrünen Wälder geht aus dieser Größe somit auch hervor, wie viel Kohlendioxid diese bedeutenden Ökosysteme aus der Atmosphäre abziehen.
Problem: Koniferen verlieren keine Blätter
Was die Laubwälder betrifft, verwenden Wissenschaftler bereits seit Jahrzehnten Satelliten, um die Bruttoprimärproduktion zu überwachen. Bei diesen Pflanzengemeinschaften sind die Zusammenhänge allerdings vergleichsweise leicht zu erfassen: Im Herbst und Winter fällt das Laub ab – die Photosyntheseaktivität macht somit unverkennbar eine Pause und springt erst wieder an, wenn sich die neuen Blätter im Frühjahr entfalten. Diese Entwicklungen lassen sich durch den scharfen Blick der Satelliten gut erfassen. Die immergrünen Bäume der nördlichen Wälder behalten jedoch das ganze Jahr über ihre mit Chlorophyll gefüllten Nadeln. So konnten Wissenschaftler bisher den Beginn und den Rückgang der Photosyntheseleistung dieser wichtigen Ökosysteme nicht durch einen Blick aus dem All erfassen.
Doch in der letzten Zeit hat sich abgezeichnet, dass die satellitengestützte Erfassung der sogenannten solarinduzierten Fluoreszenz eine entsprechende Möglichkeit bieten könnte. Technisch ist sie bereits möglich, doch bisher fehlten konkrete Untersuchungsdaten, die klar zeigen, inwieweit dieser Leuchteffekt von Pflanzen mit der Bruttoprimärproduktion von immergrünen Wäldern gekoppelt ist. Diesen Nachweis liefern nun die Forscher um Troy Magney vom California Institute of Technology in Pasadena.
Wie die Wissenschaftler erklären, entsteht die solarinduzierte Fluoreszenz (SIF), nachdem Sonnenlicht aktives Chlorophyll in einen höheren Energiezustand versetzt hat: Wenn das grüne Pigment anschließend in seinen Normalzustand zurückkehrt, emittiert es einen feinen Lichtimpuls, der nur technisch erfassbar ist. Das resultierende “Leuchten” ist das SIF. Um nun die Verbindung zwischen SIF und Photosyntheseleistung beziehungsweise Bruttoprimärproduktion zu erfassen, hat das Forscherteam Untersuchungen in einem immergrünen Wald in Colorado durchgeführt: Ein Messgerät auf einem Turm erfasste dort das Leuchten im Verlauf eines gesamten Jahres. Parallel dazu führten die Wissenschaftler Untersuchungen der Pflanzen durch – bis auf die Ebene von einzelnen Nadeln.
Die solarinduzierte Fluoreszenz eignet sich zum Nachweis!
So konnten sie dokumentieren, dass die täglichen und saisonalen SIF-Muster eng mit dem Beginn oder Ende sowie dem Ausmaß der Bruttoprimärproduktion übereinstimmten. Im Frühling aktivierten die Koniferen in ihren Nadeln demnach das Chlorophyll, was sich sowohl in der Fluoreszenz als auch in der Photosyntheseaktivität widerspiegelte. Die Ergebnisse waren wiederum im Einklang mit dem detektierten Leuchten, das Satelliten in letzter Zeit erfassen konnten, berichten die Wissenschaftler.
Sie konnten außerdem zeigen, durch welchen Mechanismus die Nadelbäume im Verlauf des Jahres die Photosynthese hoch- und herunterfahren: Im Winter lagern sie demnach Lichtschutzpigmente in die Nadeln ein, die wie “Sonnenschutzmittel” fungieren. Die Studie zeigt, dass bei Anwesenheit dieser Pigmente sowohl die Photosynthese als auch die Fluoreszenz abnimmt.
Wie die Forscher erklären, bestätigen ihre Ergebnisse nun klar, dass sich die satellitengestützten Fluoreszenzmessungen als Indikator für die photosynthetische Aktivität in immergrünen Wäldern eignen. „Letztendlich können wir nun durch die Messung des SIF den Zeitpunkt und das Ausmaß der Kohlenstoffaufnahme aus der terrestrischen Biosphäre genauer bestimmen. Dies wird uns helfen zu verstehen, wie Wälder auf den derzeitigen Klimawandel reagieren und wie sie auf zukünftige Entwicklungen reagieren könnten“, resümiert Magney.
Quelle: University of Utah, PNAS, doi: 10.1073/pnas.1900278116
