Was „Pflanzenmünder“ erzählen

Pflanzenstomata geben Aufschluss über Klimageschichte

21.10.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Stomata, die Spaltöffnungen von Pflanzen, können einen präziseren Aufschluss über Kohlendioxid-Konzentrationen in der unteren Atmosphäre geben. (Bildquelle: © LouisaHoward/wikimedia.org; CC0)
Stomata, die Spaltöffnungen von Pflanzen, können einen präziseren Aufschluss über Kohlendioxid-Konzentrationen in der unteren Atmosphäre geben. (Bildquelle: © LouisaHoward/wikimedia.org; CC0)

Als Ursache für ein starkes Schwinden des antarktischen Eisschildes in der Übergangszeit vom Oligozän zum Miozän, vor circa 23 Millionen Jahren, wurde eine erhöhte Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre vermutet. Nun konnten Wissenschaftler den Beweis erbringen. Sie nutzten eine besondere Methode und analysierten fossile Spaltöffnungen von Pflanzen, die Stomata.

Für Aussagen über das Klima längst vergangener Tage sind valide Daten Mangelware. Je nachdem, wie weit das Datum von Interesse zurückliegt können jedoch unterschiedliche Methoden angewandt werden.

Eisbohrkerne beispielsweise sind regelrechte Klimaarchive. Sie können Aufzeichnung von Gasen wie Kohlendioxid bis zu einer Zeit vor 800.000 liefern. Außerdem können Informationen über Niederschläge und Ähnlichem abgeleitet werden.

Computergestützte Modelle wie GEOCARB können die Entwicklung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre während der letzten 541 Millionen Jahre berechnen. Dieses Modell wird aus geologischen, geochemischen, biologischen und klimatischen Daten gespeist. Aber es bleiben Modelle und sind somit mit großen Unsicherheiten behaftet. Gäbe es Zeitzeugen, die man direkt befragen könnte, ließen sich diese Unsicherheiten reduzieren.

Pflanzenstomata als Wissensquelle

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Die fossilen Blätter von Lauracea calicaroides wurden mit ihren heutigen Verwandten den Litsea calicaris (abgebildet) verglichen.

Die fossilen Blätter von Lauracea calicaroides wurden mit ihren heutigen Verwandten den Litsea calicaris (abgebildet) verglichen.

Quelle: © Kahuroa/wikimedia.org; CC0)

Die Pflanzenwelt kann, mithilfe der Paleoklimatologie, ein solches Zeitzeugenfenster in die Vergangenheit öffnen. Diasporenbanken aus tiefer gelegenen Bodenschichten, die z. B. aus den Dauerfrostböden Sibiriens stammen, geben Auskunft über den Aufbau und die Zusammensetzung der Vegetation vor langer Zeit. Durch diese Analyse prähistorischer Pflanzensamen sind Rückschlüsse auf das Klima und die damals vorherrschenden Wachstumsbedingungen möglich. Eine etwas andere Geschichte erzählen fossile Stomata, die Spaltöffnungen von Pflanzen. Sie geben einen präziseren Aufschluss über Kohlendioxid-Konzentrationen in der unteren Atmosphäre und damit über die klimatischen Bedingungen der Vergangenheit.

Stomata sind für den Gasaustausch der Pflanzen zuständig. In diesem Sinne werden sie auch als der Mund einer Pflanze bezeichnet. Sie befinden sich an Stängeln, vor allem aber an Blättern und dort meist auf der Blattunterseite. Je nach Zusammensetzung der Atmosphäre verändern sich Anzahl, Porentiefe, Öffnungsgröße und Öffnungszeit der Stomata. Befindet sich beispielsweise besonders viel CO2 in der Umgebungsluft, werden weniger und kleinere Stomata für die Rohstoffakquisition der Photosynthese benötigt. Eine internationale Forschergruppe machte sich dies zunutze und konnte durch die Analyse fossiler Stomata nachweisen, dass für das Schrumpfen des antarktischen Eisschildes, eine erhöhte Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre verantwortlich war. Eine bisherige Vermutung konnte so bestätigt werden.

Versuche mit fossilen Blättern

Die Wissenschaftler fanden ihr Haupt-Untersuchungsobjekt am Grund eines Sees, der ehemals ein Regenwald war und sich im südlichen Neuseeland befindet. Dort bargen sie einen Bohrkern aus 180 Metern Tiefe. Dieser bestand primär aus fossilen Algen, war aber auch mit Gesteinsschichten durchzogen, die pflanzliches Material enthielten. Die Wissenschaftler konnten 62 Blätter der zur Familie der Lorbeergewächse gehörende Lauracea calicaroides sichern. Durch ihre markanten Stomata eignen sich die Blätter von L. calicaroides für eine Vergleichsanalyse.  

Da auch heute noch Verwandte der fossilen Pflanze existieren, konnten die fossilen Pflanzen mit Litsea calicaris (Mangeao), einem auf der der Nordinsel Neuseelands verbreiteten Lorbeergewächs, verglichen werden. Mithilfe eines Lichtmikroskops unter 100-facher Vergrößerung wurden heutige und fossile Blätter fotografiert und mit Hilfe einer Software automatisiert ausgewertet. Charakteristisch für die Blätter der fossilen Lorbeergewächse waren signifikant weniger und kleinere Stomata. Setzt man die Muster der Stomata heutiger Lorbeergewächse ins Verhältnis zu den aktuellen CO2-Gehalten der Luft, sind valide Rückschlüsse auf die prähistorischen Konzentrationen an Kohlendioxid möglich.

Kohlenstoff-Isotopenanalysen untermauen Ergebnisse

Untermauert wurden die Ergebnisse des bildgebenden Verfahrens durch Kohlenstoff-Isotopenanalysen der fossilen Blätter. So kamen die Forscher zu dem Ergebnis, dass kurz bevor der enorme Eischwund einsetzte, die atmosphärische Kohlenstoffdioxid-Konzentration von etwa 500 ppm auf einen Wert zwischen 750 und 1550 ppm über einen Zeitraum von lediglich 20.000 Jahre anstieg. Dieser Anstieg war Auslöser für einen Temperaturanstieg und schließlich das Abschmelzen des antarktischen Eisschildes, bis auf einen kleinen Rest. Die heutige CO2-Konzentration liegt bei etwa 400 ppm.

Ursache des Anstiegs nicht bekannt

Ein großes Fragezeichen aber bleibt. Was hat den Anstieg der Kohlendioxid-Konzentration verursacht? Die Forscher mutmaßen, dass größere Mengen organischen Materials im Meer mit Sauerstoff reagiert haben könnten und so große Mengen Kohlendioxid freigesetzt wurden. Dadurch, so mutmaßen die Wissenschaftler, könnte das Abschmelzen des antarktischen Eisschildes in Gang gesetzt worden sein. Aber auch starke vulkanische Tätigkeiten können eine weitere Ursache gewesen sein. Der Faktor Mensch war, im Gegensatz zu heute, noch kein treibender Faktor für die damalige CO2-Konzentrationen.

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