Diamonds are plants best friends

Der Schraubenbaum Pandanus candelabrum wächst nur auf Böden, die das vulkanische Gestein Kimberlit enthalten und sich in unmittelbarer Nähe von Kimberlit-Schloten befinden: Diamantenquellen par excellence. Die Entdeckung dieses Zusammenhangs könnte sich als nützlich erweisen. Und das nicht nur für Diamantensucher, sondern auch für die Wissenschaft, die Wirtschaft und den Regenwald von Liberia.

 „Überraschender Diamantenfund in Liberia!“. So lautete die Schlagzeile im Jahr 2013, als der Geologe Stephen Haggerty nach jahrzehntelanger Suche einen Kimberlit-Schlot im tiefen, sumpfigen Dschungel im Westen Liberias entdeckte. Ein 438 Meter tiefer und 45 Meter breiter Vulkanschlot, aus dessen Tiefen Diamanten, eingeschlossen in Kimberlit-Gestein, in Richtung Erdoberfläche empor wandern. Dem Geologen fiel auf, dass direkt über dem Schlot eine bis dato unbekannte Pflanze wächst: Pandanus candelabrum. Ein Schraubenbaum, wie sich herausstellte. Nun veröffentlichte Haggerty eine Studie, in der er nachweist, dass diese Baumart nur auf kimberlithaltigen Böden wächst. Diamantensucher reiben sich bereits die Hände, aber auch für Geologen und Pflanzenforscher ist diese Entdeckung höchst interessant. Nicht zuletzt könnten auch die Wirtschaft und die Umwelt in Liberia einen Nutzen davontragen.

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Mineraliencocktail für Pflanzen

Kimberlit ist ein blaugrün bis schwarzes Gestein magmatischen Ursprungs. Die in Liberia gefundenen Kimberlite entstanden vor 80 bis 120 Millionen Jahren, im Mesozoikum, durch Kristallisation beim Erkalten von geschmolzenem Gestein. Vulkane befördern die Gesteinsbrocken aus dem äußeren Erdmantel über senkrechte, rübenförmige Schlote innerhalb weniger Stunden an die Erdoberfläche – bis heute. Mit im Gepäck: Rohdiamanten. Proben vom Fundort ergaben nun, dass die dunklen Kimberlitfragmente zudem äußerst reich an Mineralien sind. „Bei diesem Mineraliencocktail handelt es sich um einen ausgezeichneten Dünger“, erklärt Haggerty. Es ist die Kombination aus Kalium (K), Phosphor (P) und Magnesium (Mg), die das nährstoffreiche Angebot ausmacht, das von den Schraubenbäumen dankend angenommen wird. Doch warum wachsen dann keine anderen Pflanzen dort?

Viel hilft nicht immer viel

Der in Südafrika geborene Geologe vermutet, dass es an dem hohen Eisengehalt liegt, mit dem andere Pflanzen nicht zurechtkommen. Zwar ist Eisen (Fe) ein wichtiges Spurenelement für den pflanzlichen Organismus, weil es die Photosynthese bzw. den photosynthetischen Elektronentransport beeinflusst, ebenso wie die Bildung des grünen Pflanzenfarbstoffs Chlorophyll. Jedoch kann zu viel Eisen schädlich sein, weil es die Bildung stark reaktiver Sauerstoffverbindungen auslöst (Eisentoxizität). Ein Überhandnehmen dieser reaktiven Sauerstoffverbindungen führt zu oxidativem Stress, zu Schäden an der DNA und in den Zellwänden.

Eisen bleibt außen vor

Auffällig war nämlich, dass in vielen Schraubenbaumwurzeln kleine Gesteinsfragmente eingewachsen waren. Neben Kimberlit handelte es sich um Ilmenit, auch Titaneisen genannt. Ein leicht magnetisches, schwarzgraues, metallisches Mineral, das zur Hälfte aus Eisenoxid (FeO) besteht. Wie die Kimberlite, sind auch sie über den Schlot nach oben transportiert worden. Ebenfalls mit bloßem Auge erkennbar, war zudem die rotbraune, metallisch anmutende, bis zu drei Millimeter dicke Schicht aus Eisenoxid, die die Wurzeln ummantelte.

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Genau darin könnte das Geheimnis und Erfolgsrezept des Schraubenbaums liegen: Von allen Mineralien, die durch die Witterung aus den Kimberliten ausgewaschen werden, werden nicht alle über die Wurzeln aufgenommen. Während Kalium, Phosphor und Magnesium in größerem Umfang aufgenommen werden, bleibt Eisen hingegen buchstäblich außen vor. Die Eisenoxidschicht, welche die Wurzeln äußerlich umgibt, ist der sichtbare Beweis.

Grund ist vermutlich, dass die Umwandlung des im Boden befindlichen Eisens von der oxidierten in eine ionische und damit für Pflanzen aufnehmbare Form (Fe²⁺) nur begrenzt stattfindet. Welche Faktoren und Mechanismen in den Schraubenbaumwurzeln zum Tragen kommen, ist jedoch noch unklar und müsste im Rahmen weiterer Studien näher untersucht werden, so Haggerty.

Eisen und Aluminiumoxid färben Regenwaldböden rot

Dass Tropen- und Regenwaldböden reich an Eisenoxiden sind, ist jedoch keine Ausnahme, sondern die Regel. Unter dem Einfluss hoher Temperaturen und Niederschläge werden Gesteine im Erdboden witterungsbeding zersetzt, wobei die darin enthaltenen Minerale herausgelöst werden. Während die leicht löslichen Elemente wie Natrium (Na), Kalium, Calcium (Ca), Magnesium und Silicium (Si) fortgeschwemmt werden, reichern sich die Rückstände der schwer löslichen Elemente Eisen und Aluminium in Form von Eisen- und Aluminiumoxid (Al₂O₃) (Laterit) im Erdboden an. Dieser Prozess wird Ferratilisierung genannt. Er ist verantwortlich für die charakteristische, rötliche bis rotbraune Färbung des tropischen Regenwaldbodens.

Eine Brillante Beobachtung

Bezogen auf den Schraubenbaum bedeutet das, dass sich dieser im Laufe der Evolution speziell an das besondere Bodenmilieu in unmittelbarer Nähe von bzw. über Kimberlit-Schloten angepasst hat, wo der Eisengehalt besonders hoch ist. Und zwar so sehr, dass es ihm nicht mehr möglich ist, woanders zu wachsen. Bisher sind nämlich nur drei weitere Standorte bekannt, die allesamt direkt über Kimberlit-Schloten liegen. „Es handelt sich hierbei um eine brillante Beobachtung, vor allem, wenn man bedenkt, dass die Gegend stark bewaldet und somit schwer zu erforschen ist“, lobt die amerikanische Geologin Karin Olson Hoa und sieht darin zugleich auch den Grund, warum dieser Zusammenhang erst jetzt entdeckt worden ist.

Zeigerpflanze, die auf Diamanten zeigt

Haggerty sieht den Schraubenbaum daher in einer Linie mit einer Reihe von Pflanzen, die seit dem Mittelalter als Zeiger- bzw. Indikatorpflanzen genutzt werden, wie z.B. die kupfertolerante Alpen-Lichtnelke (Lychnis alpina) in Schweden. Indikatorpflanzen sind Pflanzenarten, die sich im Laufe der Evolution an ganz bestimmte Standortbedingungen angepasst haben. Abweichungen tolerieren sie nur in geringem Maße. So wachsen die Große Brennnessel (Urtica dioica) oder die Melden (Atriplex) bevorzugt auf stickstoffreichen Böden, der Scharfe Mauerpfeffer (Sedium acre) dagegen nur auf stickstoffarmen Grund. Heidekraut (Calluna vulgaris) und Heidelbeere (Vaccinium myrtillus) auf saurem, die Gewöhnliche Pechnelke (Silene viscaria) und der Echte Wundklee (Anthyllis vulneraria) hingegen auf basischem Boden. Auf schwermetallhaltigen Böden fühlen sich wiederum Galmeiflora und Schwermetallrasen wohl.

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Eukalyptusbäume auf Goldsuche

Die Fähigkeit, dem Boden auf diese Weise Schwermetalle zu entziehen wird heute übrigens sogar gezielt eingesetzt. Zum einen, um schadstoffbelasteten Böden giftige Schwermetalle zu entziehen (Phytoremediation oder Phytosanierug). Zum anderen, um Metalle zu gewinnen (Phytomining). Eukalyptusbäume zum Beispiel nehmen über ihre langen Wurzeln im Zuge der Wasser- und Nährstoffaufnahme winzige Goldparktikel aus über 35 Meter Tiefe auf, die sich anschließend in ihren Blättern anreichern.

Diamantensuche aus der Luft

„Pandanus candelabrum ist die erste Pflanze, die exklusiv auf kimberlithaltigen Böden wächst“, erklärt Haggerty, der genau darin ein großes Potenzial sieht. Sein Plan lautet nun, mit Hilfe von Luft- und Satellitenbildern weitere Standorte von Schraubenbaumkolonien zu finden, um dort nach Kimberlit-Schloten zu suchen – und weitere Diamantenquellen zu erschließen.

Wendepunkte im Diamantenabbau

Die Fokussierung auf die relativ schmalen Kimberlit-Schlote würde einen Wendepunkt in der Gewinnung der kostbaren, Milliarden Jahre alten Kristalle markieren. Anders als in der Vergangenheit würde dies nämlich bedeuten, dass sich der Abbau künftig auf die primären Lagerstätten und Diamantenquellen konzentrieren würde und nicht mehr auf Bäche, Flüsse oder Küstenregionen, an denen die Diamanten angeschwemmt werden. So würde die Erschließung der deutlich kleineren Areale  weitaus weniger Regenwaldfläche in Anspruch nehmen als bisher. Der Abbau von Diamanten könnte sich somit zu einer lukrativen Alternative zum großflächigen Kupferabbau entwickeln, der mit immensen Eingriffen in die Natur und die dortigen Ökosysteme verbunden ist.

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Fenster in die Vergangenheit

Neben den wirtschaftlichen und ökologischen Aspekten würde aber auch die Wissenschaft profitieren. Denn die abgebaute Erde aus den Kimberlit-Schloten könnte helfen, herauszufinden, welche Druck- und Temperaturverhältnisse im Mesozoikum vor Hunderten Millionen Jahren herrschten, als sich Afrika und Südamerika „trennten“, infolgedessen der Atlantische Ozean entstand. Und auch die Diamanten sind nicht nur von wertmäßigem Interesse. Die bis zu drei Milliarden Jahre alten Diamanten enthalten Mineralien, die Hinweise auf die Bedingungen zu damaliger Zeit geben könnten.

Mittel gegen Eisentoxizität?

Für die Pflanzenforschung von Interesse sind hingegen die Wurzeln des Schraubenbaumes. Ihre Architektur, ihr Stoffwechsel, aber auch die genetischen Aspekte.

Gelingt es, diese zu entschlüsseln, kann das Wissen genutzt werden, um Sorten zu entwickeln, die auch auf eisenhaltigen Böden wachsen oder gegen eine ungebremste Eisenaufnahme gewappnet sind. Insbesondere die Weltnahrungspflanze Reis (Oryza sativa) hat nach wie vor mit den Folgen der Eisenüberbelastung beim Nassreisanbau zu kämpfen.