Wie verändert Wasser die Dynamik des Pflanzenlebens? Dies ist ein Rätsel, das von Kaj Sand-Jensen und Kollegen in einer Rezension angegangen wurde.Flache, von Pflanzen dominierte Seen – extreme Umweltvariabilität, Kohlenstoffkreislauf und ökologische Herausforderungen für ArtenSie stellen fest, dass zwar die Verbreitung von Pflanzen vielfach untersucht wurde, die physikalisch-chemische Dynamik und die damit verbundenen biologischen Herausforderungen jedoch deutlich weniger Beachtung fanden.
Ein Beispiel wäre der Tageszyklus der Photosynthese. Tagsüber produziert das Pflanzenleben reichlich Sauerstoff, aber wenn die Nacht hereinbricht, dreht sich der Kreislauf. Wenn Pflanzen atmen, wird der Sauerstoff im See verbraucht, wodurch die Verfügbarkeit für andere Arten verringert wird. Wie kommen Algen und Pflanzen mit diesen Veränderungen zurecht?
Es gibt nicht nur Schwankungen über den Tag. Sie haben auch räumliche Variabilität mit unterschiedlichen Bedingungen in verschiedenen Tiefen, wie Professor Sand-Jensen erklärte: „Wir haben die Studie einen Schritt weitergebracht, indem wir die wiederkehrende Schichtung und Vermischung sowie die Ausfällung und Auflösung von Kalziumkarbonat und diese verfolgt/überprüft haben Aspekte sind auch für Wasserphysiker und -chemiker wichtig.“
„Die mit Zeit und Tiefe sehr variablen Temperaturen, Sauerstoff und pH-Wert sind extrem wichtig für kleine Tiere und Fische und daher für eine sehr breite Gruppe von Tierökologen sowie Amateur-Entomologen und Angler.“
Der tägliche Zyklus der Photosynthese verursacht erhebliche chemische Veränderungen. In der Nähe der Spitze, im Sonnenlicht, verursacht die Abgabe von Sauerstoff die Bildung von Karbonaten, Kalk, aus Kohlendioxid im Wasser. Diese Reaktion schließt Kohlendioxid ein, das die Pflanzen sonst verwenden würden. Der Kalk sinkt und zieht den darin enthaltenen Kohlenstoff nach unten. Wenn dies das Ende der Geschichte wäre, sagt Sand-Jensen die Photosynthese würde innerhalb weniger Tage aufhören. Tiefer im See findet jedoch ein anderer Prozess statt.
Im Schatten gibt es keine Photosynthese, nur Atmung. Bei diesem Prozess wird Kohlendioxid freigesetzt, wenn sich organisches Material zersetzt. Kohlendioxid bewirkt, dass das Wasser saurer wird. Dadurch kann es den herabfallenden Kalk angreifen und das Kohlendioxid wieder an das Wasser abgeben. Der nächtliche Fall des Kühlwassers treibt den Kreislauf des Sees um, das aufgefrischte kohlendioxidreiche Wasser zurück an die Spitze des Sees zu drücken.
Ein See ist ein komplexes Ökosystem, aber vieles davon ist auch ein verborgenes Ökosystem. Was veranlasste Prof. Sand-Jensen, unter die Oberfläche zu schauen? „Als Schüler sah ich den Rückgang des Seegrases im Fjord in der Nähe meines Wohnortes und ging schwimmen und angeln. Mein Plan als Student war zu untersuchen, warum manche Landpflanzen hier und dort nicht wachsen, wobei ich mich besonders für Seggen interessierte. Allerdings konnte ich keinen Betreuer mit ausreichendem experimentellem und ökologischem Hintergrund zu Seggen finden. Daher entschied ich mich für meine Masterarbeit zum Thema: Die Wachstumsdynamik von Seegras und kritische Schritte in seinem Lebenszyklus. Als ich jedoch sofort als Assistenzprofessor am Süßwasserinstitut der Universität Kopenhagen eingestellt wurde, wechselte ich von Meerespflanzen zu Studien über Süßwasserpflanzen in Seen und Flüssen. Gleichzeitig habe ich von Zeit zu Zeit marine Makroalgen und Seegräser und in letzter Zeit sogar Landpflanzen untersucht. Derzeit bin ich Co-Autor eines Buches über ‚Biologie und Bestimmung von Süßwasserpflanzen Nordeuropas‘.“
Eine der Zeilen, die mir aus der Zusammenfassung auffiel, war Kleine pflanzendominierte Seen fungieren als Naturfeldlabore…. Es hebt eine der Attraktionen kleiner Seen für das Studium hervor, aber auch eine Frage. Was macht einen see aus klein? Prof. Sand-Jensen sagte: „Kleine Seen sind normalerweise flach und Unterwasserpflanzen können den größten Teil des Seebodens bedecken und dadurch die Prozesse in den gesamten Seeökosystemen bestimmen. Als Pflanzenphysiologe ist es faszinierend, die Ergebnisse kontrollierter Laborexperimente einem „echten Test in der wirklich relevanten Umgebung – dem See – zu unterziehen, in der die Umweltbedingungen auf natürliche Weise variieren, gesteuert durch Tag und Nacht, sonniger oder bedeckter Himmel, Wind und die Existenz und Prozesse der Pflanzen. Hat jemand im Voraus daran gedacht, dass die kritischen Sauerstoffbedingungen tagsüber auftreten können, wenn die Sauerstoffproduktion durch Photosynthese schnell läuft? Nun, nein.“
Prof. Sand-Jensen sagte, dass diese dynamischen Veränderungen wichtig seien. Sie treten auf, weil selbst kleine Seen sind nicht homogen. „Dies ist der Fall, weil sich Sauerstoffmangel durch Atmung im dunklen Grundwasser unter dem Oberflächendach entwickelt, da die vertikale Vermischung durch Oberflächenerwärmung gestoppt wird, wodurch leichtes Oberflächenwasser entsteht, das auf schwerem Grundwasser schwimmt. Nachts induziert die Oberflächenkühlung eine vertikale Durchmischung, die neuen Sauerstoff in das Grundwasser und die basalen Teile der Pflanzen zur Atmung bringt.“
„Die physikalische, chemische Dynamik hat mich in kleinen Seen sehr überrascht (und wir können die gleichen Bedingungen in flachen Pflanzenbeeten in größeren Seen finden). Nun, wir wussten es nicht, weil wir nicht früher danach gesucht hatten. Und die Entwicklung kontinuierlich arbeitender Sensoren hat diese Welt geöffnet. Vorher mussten wir – Tag und Nacht – punktuelle Probenentnahmen durchführen.“
Die Herausforderungen bestehen nun darin herauszufinden, wie sich Wasser horizontal und vertikal durch Seen bewegt. Es gibt auch die Interaktion mit tierischem Leben zu kartieren. Prof. Sands-Jensen sagte: „Wir würden gerne die vertikale und horizontale Bewegung von Fischen und kleinen Tieren zusammen mit den dramatischen Veränderungen der Umweltbedingungen online verfolgen. Bewegen sie sich in Übereinstimmung mit Änderungen der Umweltbedingungen? Oder bleiben sie an Ort und Stelle und tolerieren beispielsweise hohe Oberflächentemperaturen oder Sauerstoffmangel im Grundwasser für viele Stunden?“ Als notwendige Entwicklung sieht er auch automatische Sensoren für Phosphor und Kalzium. Diese würden zu den Informationen beitragen, die Ökologen bereits für Sauerstoff und pH-Wert haben.
Mit Sensoren wie diesen könnte Sand-Jensen eines der Umwelträtsel untersuchen, das ihn interessiert. „Ich möchte testen, ob Pflanzen die Umwelt für sich selbst reinigen, indem sie Kalziumkarbonat ausfällen und an Kalziumkarbonat gebundenes Phosphat mit ausfällen.“
Der Eintrag von Wasser in die Umwelt macht das Leben nicht nur feuchter. Es macht es chemisch viel vielfältiger und dynamischer. Die Rezension von Sand-Jensen und Kollegen bietet eine Plattform für viele mögliche Projekte.
