Bäume tauschen untereinander Kohlenstoff aus

Dass Pflanzen durch die Fotosynthese Kohlendioxid aus der Luft aufnehmen, ist bekannt. Der dabei entstehende Zucker wird zum Bau von Zellulose, Holzstoff (Lignin), Eiweiss und Fett verwendet, also der Grundbausteine der Pflanze. Während ein Baum wächst, wird Zucker von den Blättern zu den Wachtumsstellen transportiert: zu den Zweigen, Stämmen, Wurzeln und den mit diesen verbundenen Wurzelpilzen (Mykorrhizapilze).

Bäume mit Kohlenstoffdioxid begast

Dr. Tamir Klein und Prof. Christian Körner von der Universität Basel berichten nun, dass der Zuckertransport weiter geht als bisher angenommen. In einem Waldstück nahe Basel nutzten sie einen Baukran und ein Netzwerk feiner Schläuche, um die Kronen fast 120 Jahre alter, 40 Meter hoher Fichten mit Kohlendioxid zu begasen, das mit einer Markierung versehen war.

Dafür nutzten die Forscher aus, dass der Kohlenstoff im Kohlendioxid in zwei verschiedenen Versionen – oder Isotopen – vorkommt: als das häufige ¹²C oder als das sehr seltene und etwas schwerere ¹³C. In dem Kohlendioxid, dem die Forschenden die Bäume ausgesetzt haben, war der Anteil des ¹³C kleiner als natürlicherweise in der Luft. Die besonderen Verhältnisse der Kohlenstoff Isotope in der Luft und im zugegebenen Gas wurden von Dr. Rolf Siegwolf, Leiter der Forschungsgruppe „Stoffflüsse und stabile Isotope“ am Paul Scherrer Institut fortlaufend analysiert. Für die Bäume ist es bedeutungslos, welchen Kohlenstoff sie bekommen. Die Forscher jedoch können an verschiedenen Stellen in den Bäumen das Verhältnis der beiden Isotope messen und so den durch die Photosynthese aufgenommenen Kohlenstoff von den Baumwipfeln bis zu den Wurzelspitzen nachweisen.

Für den Nachweis nutzten die Forscher ein sogenanntes Atom-Massen-Spektrometer, das von Siegwolfs Forschungsgruppe betrieben wird. Für die Untersuchung entnahmen sie zu verschiedenen Zeiten Proben an verschiedenen Stellen der Bäume und anderer Pflanzen in deren Umgebung und bestimmten anschliessend im Labor das Verhältnis der Konzentrationen von ¹²C und ¹³C. So fanden die Forscher, dass der markierte Kohlenstoff nicht nur in neuen Wurzeln der behandelten Fichtenbäume auftaucht. Dasselbe Signal trugen auch die Wurzeln benachbarter Bäume, die nicht markiert worden waren – selbst, wenn es sich dabei um andere Baumarten handelte.

Wald ist mehr als Summe der Bäume

Der einzige Weg, auf dem der Kohlenstoff von der Fichte zur Buche, Föhre oder Lärche gelangen konnte, war über die dünnen Fäden der gemeinsamen Wurzelpilze. Pflanzen im Unterholz blieben völlig unmarkiert, weil sie andere Pilzpartner haben als die Bäume. Den entdeckten wechselseitigen Transport grösserer Kohlenstoffmengen zwischen ausgewachsenen, nicht verwandten Baumarten in einem natürlichen Mischwald bezeichnen die Forschenden als sehr überraschend.

Die Entdeckung stelle die Individualität des Baums in Bezug auf seinen Kohlenstoffhaushalt infrage, so die Botaniker weiter. Wichtig sei das Resultat der vom Schweizerischen Nationalfonds finanzierten Studie auch, weil der in Bäumen gespeicherte Kohlenstoff den bedeutendsten Bestandteil der Biosphäre darstellt. Zudem werden neue Dimensionen der Rolle der Mykorrhizapilze im Wald eröffnet: Der Wald ist offensichtlich mehr als nur die Summe von Bäumen, kommentiert Prof. Christian Körner das Ergebnis.

Text: Auf Grundlage einer Medienmitteilung der Universität Basel mit Ergänzungen durch das Paul Scherrer Institut

Hintergrund: Konzentrationsverhältnisse stabiler Isotope

Von zahlreichen chemischen Elementen, die in unserer Umwelt in grossen Mengen vorkommen, wie Sauerstoff (chemisches Symbol O) oder Kohlenstoff (C), gibt es zwei stabile Versionen – also stabile Isotope, deren Atome geringfügig verschiedene Massen haben. Indem Forschende das Mengenverhältnisses der Isotope eines Elements in Pflanzen bestimmen, können sie die Wechselwirkung zwischen Umwelt (Klima, Standort, anthropogene Einflüsse) und Vegetation untersuchen. Auf diese Art Studien hat sich die Forschungsgruppe Stoffflüsse und Stabile Isotope am Paul Scherrer Institut PSI spezialisiert.

Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen die Auswirkungen des sich ändernden Klimas (Erhöhung der Temperatur und Veränderung des Wasserhaushaltes), der zunehmenden CO₂-Konzentration und die Auswirkungen von Luftschadstoffen (Ozon, Stickoxide, SO₂) auf die Vegetation. Während der metabolischen Prozesse werden die leichteren ¹²C-Isotope eher durch die Pflanzen aufgenommen als die Schwereren im Gegensatz zum Sauerstoff, wo die schwereren ¹⁸O-Isotope bevorzugt werden. Die Veränderung der Isotopenverhältnisse wie ¹³C/¹²C sind sehr stoffwechselspezifisch und ermöglichen Rückschlüsse darauf, wie sich Umweltverhältnisse auf Pflanzen auswirken (z. B. Trockenheit, Schadstoffe, Temperaturänderungen oder verschiedene Lichtverhältnisse).

Wie die gemeinsamen Forschungsarbeiten mit der Universität Basel zeigen, eignet sich die Untersuchung von Konzentrationsverhältnissen stabiler Isotope auch sehr gut zur Verfolgung des Stofftransportes in Pflanzen beziehungsweise in ganzen Ökosystemen. So wären die oben vorgestellten Forschungsergebnisse ohne die Analyse stabiler Isotope nicht möglich gewesen.

Die Konzentrationsverhältnisse lassen sich mit Isotopen-Massenspektrometern sehr präzische bestimmen. Das PSI verfügt über fünf Massenspektrometer und die notwendigen Aufbereitungsanlagen, in denen die Proben (z. B. entnommene Pflanzenteile) für die Untersuchung vorbereitet werden.