Der Klimawandel führt dazu, dass Bäume Schwierigkeiten haben, zu „atmen“

Aktuelle Untersuchungen der Penn State University deuten darauf hin, dass Bäume in wärmeren, trockeneren Umgebungen Schwierigkeiten haben, Kohlendioxid aufzunehmen, was ihre Fähigkeit, dem Klimawandel entgegenzuwirken, beeinträchtigt. Die Studie verdeutlicht einen Anstieg der Photorespiration – ein Prozess, bei dem gestresste Bäume CO2 freisetzen – unter diesen Bedingungen, was die Wirksamkeit von Bäumen als natürliche Kohlenstoffsenken in einer sich erwärmenden Welt in Frage stellt. Bildnachweis: SciTechDaily.com

Laut einer neuen Studie der Penn State University haben Bäume in wärmeren, trockeneren Klimazonen Schwierigkeiten, das Kohlendioxid (CO2) zu binden, das Wärme speichert. Das bedeutet, dass sie möglicherweise nicht länger als Lösung zum Ausgleich des CO2-Fußabdrucks der Menschheit dienen, wenn sich der Planet weiter erwärmt Forscher.

„Wir haben herausgefunden, dass Bäume in wärmeren, trockeneren Klimazonen im Wesentlichen husten statt atmen“, sagte Max Lloyd, Assistenzprofessor für Geowissenschaften an der Penn State University und Hauptautor der kürzlich veröffentlichten Studie Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften. „Sie schicken viel mehr CO2 direkt zurück in die Atmosphäre als Bäume unter kühleren, feuchteren Bedingungen.“

Durch den Prozess von PhotosyntheseBäume entziehen der Atmosphäre CO2, um neues Wachstum zu erzeugen. Unter Stressbedingungen geben Bäume jedoch CO2 wieder an die Atmosphäre ab, ein Prozess, der Photorespiration genannt wird. Mit einer Analyse eines globalen Datensatzes von Baumgewebe zeigte das Forscherteam, dass die Photorespirationsrate in wärmeren Klimazonen, insbesondere wenn das Wasser begrenzt ist, bis zu doppelt so hoch ist. Sie fanden heraus, dass die Schwelle für diese Reaktion in subtropischen Klimazonen dann überschritten wird, wenn die durchschnittlichen Tagestemperaturen etwa 68 Grad überschreiten Fahrenheit und verschlimmern sich, wenn die Temperaturen weiter steigen.

Die komplizierte Rolle von Pflanzen bei der Klimaanpassung

Die Ergebnisse erschweren eine weit verbreitete Annahme über die Rolle von Pflanzen bei der Entnahme oder Nutzung von Kohlenstoff aus der Atmosphäre und liefern neue Erkenntnisse darüber, wie Pflanzen sich an den Klimawandel anpassen könnten. Wichtig ist, dass die Forscher feststellten, dass ihre Ergebnisse zeigen, dass Pflanzen mit zunehmender Klimaerwärmung weniger in der Lage sein könnten, CO2 aus der Atmosphäre zu ziehen und den Kohlenstoff aufzunehmen, der zur Abkühlung des Planeten erforderlich ist.

„Wir haben diesen wichtigen Kreislauf aus dem Gleichgewicht gebracht“, sagte Lloyd. „Pflanzen und Klima sind untrennbar miteinander verbunden. Der größte CO2-Abzug aus unserer Atmosphäre erfolgt durch photosynthetisierende Organismen. Es ist ein großer Einfluss auf die Zusammensetzung der Atmosphäre, das heißt, kleine Veränderungen haben große Auswirkungen.“

Nach Angaben des US-Energieministeriums absorbieren Pflanzen derzeit schätzungsweise 25 % des CO2, das jedes Jahr durch menschliche Aktivitäten ausgestoßen wird, aber dieser Prozentsatz dürfte in Zukunft mit der Klimaerwärmung zurückgehen, erklärte Lloyd, insbesondere wenn das Wasser knapper wird.

„Wenn wir über die Zukunft des Klimas nachdenken, sagen wir voraus, dass der CO2-Ausstoß steigen wird, was theoretisch gut für Pflanzen ist, denn das sind die Moleküle, die sie einatmen“, sagte Lloyd. „Aber wir haben gezeigt, dass es einen Kompromiss geben wird, den einige vorherrschende Modelle nicht berücksichtigen. Die Welt wird wärmer, was bedeutet, dass Pflanzen das CO2 weniger aufnehmen können.“

Bäume auf dem Appalachian Ridge

Mit einer Analyse eines globalen Datensatzes von Baumgewebe zeigte ein Team unter der Leitung von Forschern der Penn State University, dass die Photorespirationsrate von Bäumen in wärmeren Klimazonen, insbesondere wenn das Wasser knapp ist, bis zu doppelt so hoch ist. Sie fanden heraus, dass die Schwelle für diese Reaktion in subtropischen Klimazonen, wie diesem Teil der Appalachian Ridge and Valley Region, überschritten wird, wenn die durchschnittlichen Tagestemperaturen etwa 68 Grad Fahrenheit überschreiten, und sich mit weiterem Temperaturanstieg verschlimmert. Bildnachweis: Warren Reed/Penn State

In der Studie entdeckten die Forscher, dass Variationen in der Häufigkeit bestimmter Isotope eines Teils des Holzes, sogenannte Methoxylgruppen, als Indikator für die Photorespiration in Bäumen dienen. Man könne sich Isotope als Atomarten vorstellen, erklärte Lloyd. So wie Sie vielleicht Vanille- und Schokoladen-Eiscreme haben, können Atome aufgrund von Variationen in ihrer Masse unterschiedliche Isotope mit ihren eigenen einzigartigen „Geschmacksrichtungen“ haben. Das Team untersuchte den Gehalt des Methoxyl-„Geschmacks“ des Isotops in Holzproben von etwa dreißig Baumexemplaren aus verschiedenen Klimazonen und Bedingungen auf der ganzen Welt, um Trends bei der Photorespiration zu beobachten. Die Exemplare stammten aus einem Archiv des Universität von Kalifornien, Berkeleydas Hunderte von Holzproben enthält, die in den 1930er und 40er Jahren gesammelt wurden.

„Die Datenbank wurde ursprünglich dazu verwendet, Förstern darin zu schulen, Bäume aus verschiedenen Orten auf der Welt zu identifizieren. Deshalb haben wir sie umfunktioniert, um diese Wälder im Wesentlichen zu rekonstruieren und zu sehen, wie gut sie CO2 aufnehmen“, sagte Lloyd.

Bisher konnten Photorespirationsraten nur an lebenden Pflanzen oder gut erhaltenen toten Exemplaren, die strukturelle Kohlenhydrate enthielten, in Echtzeit gemessen werden, was bedeutete, dass es nahezu unmöglich war, die Geschwindigkeit zu untersuchen, mit der Pflanzen Kohlenstoff in großem Maßstab oder in der Vergangenheit abbauen , erklärte Lloyd.

In die Vergangenheit blicken, um die Zukunft zu verstehen

Nachdem das Team nun eine Methode zur Beobachtung der Photorespirationsrate mithilfe von Holz validiert hat, sagte er, dass die Methode den Forschern ein Werkzeug zur Vorhersage bieten könnte, wie gut Bäume in Zukunft „atmen“ könnten und wie es ihnen in früheren Klimazonen ergangen sei.

Die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre steigt rapide an; Nach Angaben der National Oceanic and Atmospheric Administration ist sie bereits jetzt größer als jemals zuvor in den letzten 3,6 Millionen Jahren. Aber dieser Zeitraum sei in geologischer Zeit relativ neu, erklärte Lloyd.

Das Team wird nun daran arbeiten, mithilfe von versteinertem Holz Photorespirationsraten in der Antike, bis zu mehreren zehn Millionen Jahren, aufzudecken. Die Methoden werden es den Forschern ermöglichen, bestehende Hypothesen zum sich ändernden Einfluss der Photorespiration von Pflanzen auf das Klima im Laufe der geologischen Zeit explizit zu testen.

„Ich bin Geologe und arbeite in der Vergangenheit“, sagte Lloyd. „Wenn wir uns also für diese großen Fragen interessieren, wie dieser Zyklus funktionierte, als das Klima ganz anders war als heute, können wir keine lebenden Pflanzen verwenden. Möglicherweise müssen wir Millionen von Jahren zurückgehen, um besser zu verstehen, wie unsere Zukunft aussehen könnte.“

Referenz: „Isotopic clumping in wood as a Proxy for Photorespiration in Trees“ von Max K. Lloyd, Rebekah A. Stein, Daniel E. Ibarra, Richard S. Barclay, Scott L. Wing, David W. Stahle, Todd E. Dawson und Daniel A. Stolper, 6. November 2023, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
DOI: 10.1073/pnas.2306736120

Weitere Autoren des Artikels sind Rebekah A. Stein, Daniel A. Stolper, Daniel E. Ibarra und Todd E. Dawson von der University of California, Berkeley; Richard S. Barclay und Scott L. Wing vom Smithsonian National Museum of Natural History und David W. Stahle von der University of Arkansas.

Die Arbeit wurde teilweise vom Agouron Institute, der Heising-Simons Foundation und der US National Science Foundation finanziert.


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