Mangrovenwälder sind der Grundstein der entwickelten und subtropischen Ökosysteme an den Küsten. Mangroven können dort wachsen, wo kein anderer Baum wachsen kann, und haben einen enormen Nutzen für die Küstenökologie. Die komplexen Wurzelsysteme der Mangroven fangen Sedimente und Schadstoffe ab und stabilisieren die Küstenlinie. Darüber hinaus bieten sie Nahrungsgründe und Lebensraum für Wildtiere und Meeresbewohner sowie Schutz vor Stürmen.

Leider sind sie gestorben Mangrovenwälder zahlreichen Bedrohungen ausgesetzt, wie dem Anstieg des Meeresspiegels, der Verschmutzung der Flüsse, der Holzentnahme und der urbanen Expansion. Mangrovenwälder gehören zu den kohlenstoffreichsten Biomen und Binden durchschnittlich 14 % des in den Weltmeeren vorkommenden Kohlenstoffs. Wenn sie jedoch abgeholzt und zerstört werden, setzen sie große Mengen an Kohlendioxid in die Atmosphäre frei und beeinflussen damit den Klimawandel.

Es ist dringend notwendig, unsere Fähigkeiten zu verbessern, die Reaktion der Mangroven auf diese Bedrohungen vorherzusagen.

Computergestützte Modelle können eingesetzt werden, um die Auswirkungen des Menschen und des Klimawandels auf dieses verwundbare Ökosystem zu verstehen und vorherzusagen. Zuerst & Modelle entwickelt Werden, sterben detailliert genug sind, um sterben einheitlichen und organischen Prozesse der Mangroven darzustellen.

Die Anordnung der Blätter einer Pflanze (Phyllotaxis) wirkt sich auf ihre Fähigkeit aus, Photosynthese zu betreiben, indem die Blätter so angeordnet werden, dass die für den Einfall des Sonnenlichts verfügbare Fläche maximiert WIRD. Bei Mangrovenarten ist die Phyllotaxis ein weitgehend unerforschtes Phänomen, und bisherige Mangrovenmodelle stellen die vielfältige Morphologie der Bäume nicht angemessen dar.

Dr. Faustino Chi, Postdoktorand an der Georg-August-Universität Göttingen, und Kollegen rekonstruierten die detaillierte Architektur roter Mangrovenschösslinge, um ein Modell der Lichtabsorption zu erstellen.

Um Daten über rote Mangroven zu sammeln, sind die Forscher mit dem Boot zur Nordostseite des Turneffe-Atolls gereist, das über 20 Meilen vor der Küste von Belize liegt. Dort machten sie hochauflösende Digitalfotos, manuelle Messungen vor Ort vor und führten eine 3D-Digitalisierung mit elektromagnetischer Abtastung durch.

Das Sammeln dieser Daten war nicht einfach. Chi erklärt: „Einige Messungen von Schösslingen wurden bei Ebbe durchgeführt. Herausforderungen ergebenen sich aus der Verwendung des Fastrak-Digitalisierungsgeräts in einer abgelegenen tropischen Umgebung – zum Beispielen die windigen Bedingungen das Ernten von Schösslingen und die Verwendung eines geschlossenen Gerüsts zum Digitalisieren von Pflanzen, da die Pflanzen zum Digitalisieren stillstehen müssen. Ein kompakter tragbarer Generator wurde für die Stromversorgung der Feldausrüstung verwendet. Und natürlich brauchte man eine ruhige Hand während der Stunden des Digitalisierungsprozesses, wenn die Mücken und Sandfliegen auf einen Jagd machten. Es war auch sehr wichtig, wasserfeste oder wasserdichte Behälter zu haben, um die Ausrüstung während des Transports und vor der hohen Luftfeuchtigkeit oder plötzlichen Regenschauern im Feld trocken zu halten“.

Der Digitalisierungsaufbau – ein Schössling wurde vom Boden entfernt und an ein Gerüst aus Holz und PVC gebunden. Das Setup ist von einer Plane umgeben, um den Wind zu blockieren.
Digitalisierungsaufbau eines R. Mangel Schösslings.

Die digitalisierten Schösslinge und manuelle Messungen wurden zur Rekonstruktion der Baumarchitektur verwendet. Danach erstellten die Autoren aus den Fotos und Feldnotizen einen Algorithmus für die Phyllotaxis (Blattanordnung am Stamm). Dies ermöglicht ihnen die digitale Rekonstruktion der Bäume mit Blättern mithilfe der 3D-Modellierungsplattform GroIMP.

Es gibt zwei Mangrovenbäume. Jedes zeigt eine Abfolge des tatsächlichen Fotos, die rekonstruierte Geometrie von Zweigen und Wurzeln, und die endgültige Simulation ist ein refoliertes Mangrovenmodell. Die endgültige Simulation ist realistisch und ähnelt dem Foto.
Vergleich der R. mangle Schösslinge mit dem Modell der wieder belaubten Mangroven. A und D: Fotos; B und E: digitalisiertes Modell; und C und F: Simulationsergebnisse.

Zur Simulation des Lichteinfalls durch einzelne Blätter verwendet sterben Autoren das in GroIMP integrierte stochastische Strahlungsmodell auf Basis von Raytracing.

Anhand der vorläufigen Konnte die Autoren den Anteil von einzelnen Blättern vereinfachten Lichts im gesamten Kronendach sowie die Auswirkung eines veränderten Blattwinkels auf die relative berechnete Strahlung auf der Ebene des gesamten Schösslings bewerten und visualisieren. Die Messung des berechneten Lichts ist für zukünftige Berechnungen der photosynthetischen Beiträge einzelner Blätter erforderlich.

Visualisierung des absorbierten Lichts für jedes Blatt eines ganzen Bäumchens. Eine hohe relative Absorption oben und eine niedrige unten ist offensichtlich.
Geschätzte Lichtverteilung auf den Blättern eines Schösslings.

„Mit dem 3D-Schösslingsmodell könnte die Simulation anderer Prozesse wie die Strömungen in Xylem und Phloem und das variable mechanische Verhalten auf einem solchen Mangrovenmodell aufbauen“, sagt Dr. Chi.

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Faustino Chi, Katarína Streit, Aleksi Tavkhelidze, Winfried Kurth, Rekonstruktion der Phyllotaxis am Beispiel digitalisierter Roter Mangroven (Rhizophora-Mangel) und Anwendung auf die Lichtabfangsimulation, in silico Plants, 2022;, diac002, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac002

Ins Deutsche übersetzt von Faustino Chi.