Kalt macht klein

Ein Forschungsteam berechnete die entscheidenden Parameter, die weltweit über die Blattgröße von Pflanzen entscheiden – und wie sich damit Klimamodelle aufstellen lassen.

Pflanzen in tropischen Regionen haben größere Blätter als Pflanzen aus arktischen oder alpinen Regionen. Diese Beobachtung, die erstmals von Forschern im 19. Jahrhundert gemacht wurde, ist allgemein bekannt. Allerdings wurden bisher nie die treibenden Kräfte dahinter identifiziert. Im Zuge des Klimawandels kann die Blattgröße ein entscheidender Faktor sein, da sie unter anderem über die Abstrahlung von Sonnenlicht von der Pflanzendecke und die Abgabe von Wasser an die Atmosphäre mitbestimmt. Ein Forschungsteam hat sich jetzt mit den klimatischen Faktoren auseinander gesetzt, die über die Größe eines Blattes bestimmen.

Alte Theorie neu berechnet

Die Blattgröße von Pflanzenarten variiert weltweit bis zum 100.000-Fachen. Die Größe eines Blattes korreliert nach gängiger Theorie mit der Verfügbarkeit von Wasser und mit der Tagestemperatur: Um Photosynthese zu betreiben, braucht eine Pflanze Licht. Sobald Licht auf die Blätter fällt, läuft die Photosynthese an. Sie funktioniert umso besser, je wärmer es wird. Allerdings gilt das nur so lange, bis die optimale Temperatur überschritten wird: Das Blatt droht dann zu überhitzen, wichtige Enzyme können geschädigt werden. Um das zu verhindern, nutzt die Pflanze einen Trick: Sie öffnet ihre Stomata, kleine Spaltöffnungen, die meist auf der Unterseite des Blattes liegen. Jetzt kann Wasserdampf entweichen und das kühlt das Blatt. Gleichzeitig diffundiert das für die Photosynthese benötigte CO₂ ins Innere des Blattes.

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Das funktioniert gut, wenn die Umgebungsbedingungen stimmen: Wärme, Sonneneinstrahlung und genug Wasser im Boden, das die Pflanze über ihre Blätter verdunsten kann (Transpiration). Solche konstanten Bedingungen findet man in der Regel nur in den Tropen. Hier werden die Blätter daher besonders groß. Anders sieht es in trockenen Gebieten aus: Hier herrscht oftmals Wassermangel und eine Kühlung der Blätter ist schwieriger. Dazu kommt, dass große Blätter wegen ihrer großen Oberfläche schneller überhitzen. Daher findet man in Savannen und anderen trockenen Gebieten hauptsächlich Pflanzen mit kleinen Blättern und damit mit geringerer Blattfläche.

Viel Regen – große Blätter?

Aber was ist mit Pflanzen in gemäßigten Gebieten, wo genug Wasser zur Blattkühlung vorhanden ist? Hier sind die Blätter kleiner als in den Tropen. Um das zu erklären, betrachtete das Forscherteam nicht nur die üblichen Faktoren, die tagsüber einwirken, sondern auch die Bedingungen nachts. Daten von Blättern von 7.670 Arten aus 682 nicht landwirtschaftlich genutzten Orten wurden gesammelt. Die Sammlung umfasste alle Kontinente, Klimazonen, Biomen und Wuchsformen. Sie bestimmten die durchschnittliche Blattgröße pro Art sowie die jeweiligen Umweltbedingungen. Dazu berechneten sie die durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen Blatt und Umgebung (ΔT) am Tag und in der Nacht, mit Grenztemperaturen von +50 und -5 Grad, die  während der Vegetationsperiode auftreten könnten.

Wärmeaustausch als Knackpunkt

Tagsüber bestimmten wie erwartet die Einstrahlung, die Temperatur der Luft und die Verfügbarkeit von Wasser die Blattgröße. Nachts fällt die Sonneneinstrahlung weg und damit auch die Notwendigkeit, das Blatt zu kühlen. Jetzt kommen andere Faktoren ins Spiel: So haben große Blätter dickere, isolierende Grenzschichten zwischen Blatt und Umgebung. Diese Grenzschichten schützen vor zu großem Wasserverlust über die Blattfläche, sie verlangsamen aber auch den Wärmeaustausch zwischen Blatt und Umgebung. Heißt: Große Blätter nehmen weniger von der Tageswärme auf, die sie in gemäßigten Breiten nutzen könnten, um kalte Nächte unbeschadet zu überstehen. Sie  gehen daher „kühler“ in kalte Nächte und haben eine größere Gefahr, Frostschäden zu erleiden. Das Forschungsteam sieht hier den Hauptgrund dafür, dass die Blätter in gemäßigten Klimazonen nicht allzu groß werden können.

Das Forscherteam hofft nun, dass diese Berechnungen die nächste Generation von Vegetationsmodellen entscheidend voran bringen werden. Auch Paläoklimate – also die Klimate vergangener Erdepochen -  können auf Basis von konkreten Daten nun präziser berechnet und so die Modelle zum Klimawandel verbessert werden.