Auf der Suche nach der Weltformel

In Miniatur-Ökosystemen wird das Verhalten von Pflanzen und Tieren, Boden und Mikroorganismen dokumentiert.

In Miniatur-Ökosystemen wird das Verhalten von Pflanzen und Tieren, Boden und Mikroorganismen dokumentiert.

Ökosysteme sind die verwirrendsten und vielschichtigsten Phänomene auf unserem Planeten. Doch Forscher müssen sie besser verstehen, wenn sie Effekte von Klimawandel und Landnutzung vorhersagen wollen – und suchen daher nach den Weltformeln von Flora und Fauna.

"Hier herrscht totale Überwachung", sagt Nico Eisenhauer und steckt seinen Kopf in eine Klimakammer. Auf zweieinhalb Quadratmetern breitet sich darin eine Wiesenlandschaft unter computergesteuerten LED-Leuchten und Brauseköpfen aus. Im dichten Grün saugen sich Blattläuse mit Pflanzensaft voll, während zwei- und siebengepunktete Marienkäfer ihre Artgenossen lautlos verspeisen. "Die ernten wir morgen und zählen sie", sagt der Ökologe. Die Wiese besteht aus fünf Pflanzenarten: Bohnen, Gänseblümchen, Honiggras, Wiesenschwingel und Wiesenflockenblumen, je 19 Stück, alle hübsch im selben Abstand gepflanzt.

An der Decke der Klimakammer hängt unter einer gläsernen Halbkugel eine 360-Grad-Kamera, die das Pflanzenwachstum und Verhalten der Tiere dokumentiert. Vier Sensoren messen Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Durch den mit zwei Tonnen Erde gefüllten Metallkübel führt eine Plexiglasröhre, in der ein Scanner wöchentlich das Wurzelwachstum misst. In drei Bodentiefen werden noch einmal Temperatur, Feuchtigkeit und die Wasserspannung erfasst. Außerdem sammeln Saugsonden das Sickerwasser für chemische Analysen. Regelmäßig entnimmt Eisenhauers Team Bodenproben, um dort lebende Organismen wie Fadenwürmer, Springschwänze, Milben und Pilze zu bestimmen. All das geschieht nicht nur in einer, sondern in zwölf beleuchteten Klimakammern, die im matten Dämmerlicht einer früheren Maschinenhalle stehen. "Unser Ziel ist, es zu verstehen, wie grüne und braune Teile von Ökosystemen miteinander interagieren", sagt Eisenhauer: "Dazu müssen wir so viele Daten wie möglich sammeln."

Letztlich wollen die Forscher die belebte Natur in mathematische Gleichungen packen. Vielleicht lässt sich das Verhalten von allem, was kreucht, fleucht und gedeiht, sogar in eine Art Weltformel kleiden, ähnlich wie E=mc2? Vorerst ist allerdings sicher: Ökosysteme sind notorisch schwer zu durchschauen. Spätestens seit den 1990er-Jahren jedoch zwingen Klimawandel, intensive Landwirtschaft und der fortschreitende Verlust natürlicher Lebensräume Ökologen wie Eisenhauer dazu, die Dynamik von Fauna und Flora besser und umfassender zu verstehen. Gleichzeitig erlauben ihnen Computer, immer größere Datensätze zu verarbeiten. Die Informationen stammen aus Sensorennetzwerken in freier Wildbahn, aus kompletten Genomsequenzen oder von Satellitenbildern, und leistungsfähige Rechner erlauben es, alle Ergebnisse in Modelle zu integrieren. Auf diese Weise wollen die Forscher drängende Fragen beantworten, wie etwa: Was bedeutet zurückgehende Biodiversität für die Reinigung des Wassers? Wie verändert sich ein Ökosystem durch invasive Arten?


Wir sind in Ökosystemen über alle Größenskalen hinweg mit dem Problem der Komplexität konfrontiert.

Bei der Suche nach Antworten helfen Laborexperimente in der Petrischale, Klimakammern und Feldstudien genauso wie Erdbeobachtungssatelliten. Doch eine Theorie für die Natur zu entwickeln, die alle Größen, Regeln und Kräfte des Lebens erfasst, die von einer Wasserpfütze bis hin zum Dschungel wirken, ist keine Kleinigkeit. "Wir sind in Ökosystemen über alle Größenskalen hinweg mit dem Problem der Komplexität konfrontiert", sagt der theoretische Ökologe Jonathan Chase, der wie Eisenhauer am in Leipzig ansässigen Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) tätig ist.

"Ecotron" heißt die rund 3,7 Millionen Euro teure, von Eisenhauers Team erst im Mai eingeweihte Anlage in der Versuchsstation Bad Lauchstädt in Sachsen-Anhalt, die vom Helmholtz Zentrum für Umweltforschung betrieben wird. Der Vorteil der Minigewächshäuser ist, dass in ihnen nur Experimente mit streng kontrollierten Zutaten stattfinden: Unerwartete Wolkenbrüche gibt es hier nicht, ungebetene Mäuse lassen sich nicht blicken. Gleichzeitig können Experimente in den Klimakammern leicht variiert werden, sodass die Forscher statistisch belastbarere Aussagen treffen können, welche Kräfte wo am Werk sind und was geschieht, wenn man dezent an diversen Schräubchen dreht.

Solche Klimakammern gibt es auch im französischen Montpellier, wo sie vom Nationalen Zentrum für Forschung betrieben werden. In einer Zahl wie in Deutschland sind diese verglasten Ökosysteme jedoch bisher einmalig. "In unserer Pilotstudie untersuchen wir, wie sich der Insektenbefall der Pflanzen auf die Mikrobengemeinschaft im Boden auswirkt", erklärt Eisenhauer. "Wie zum Beispiel die Pflanze ihre Abwehrkräfte mobilisiert und dazu die Pilzgemeinschaften in ihrem Feinwurzelwerk nutzt. Unabhängig vom Ergebnis kann ich bereits jetzt sagen: Das Ergebnis wird nur ein Puzzleteil eines großen Panoramas sein, das wir vollständig noch lange nicht kennen."

Anderswo gibt es bereits Gleichungen, die Ökosysteme weltformelhaft erfassen wollen. Der US-Ökologe John Harte hat ein Modell entwickelt, dessen Grundidee besagt, dass sich der wahrscheinlichste Zustand eines Ökosystems aufgrund weniger Eckdaten berechnen lässt. Als Variablen schlug Harte die Größe eines Ökosystems, den Artenreichtum, die Zahl der Individuen pro Art und ihren Energieumsatz vor. Er sammelt nun die Daten einer Fläche von einem Viertelhektar und berechnet, wie sich die Arten und Individuen in der umliegenden Region verteilen, wie sich der Energieumsatz entwickelt oder wie viele Arten auf einer bestimmten Fläche vorkommen.


Diese mathematischen Formeln funktionieren ganz gut. Aber sie sind eher Bestandsaufnahmen.

Sein Kollege Stephen Hubbell von der University of California, Los Angeles, propagiert ein anderes Modell. Er will allein aufgrund der Annahme, wie viele Tiere sich in einer Population ausbreiten, geboren werden und sterben und wie schnell sich neue Arten bilden, vorhersagen, wie groß die Biodiversität in Ökosystemen ist. James Brown von der University of New Mexico wiederum verfolgt eine "metabolische Theorie der Ökologie", die aus der Stoffwechselrate der Organismen viele Muster eines Ökosystems erschließen will. "Diese mathematischen Formeln funktionieren ganz gut. Aber sie sind eher Bestandsaufnahmen", erklärt Chase. "Sie sagen uns nicht, was genau in einem Ökosystem passiert. Sie geben uns jedoch eine gute Grundlage, um die Zusammenhänge in einem Ökosystem zu erforschen."

Will man im Detail wissen, was in Regenwäldern, auf einer Wiese in den Alpen oder in einem Korallenriff passiert, gibt es keine Alternative dazu, Tier- und Pflanzenarten zu katalogisieren - wie im Nationalpark Great Smoky Mountains im Südosten der USA. Dort arbeiten Biologen seit 1998 an nur einer Aufgabe: alle Arten in dem über 2000 Quadratkilometer großen Naturschutzreservat zu bestimmen, vom wilden Truthahn über den Weihnachtsfarn bis hin zu winzigen Algen, die nur unter dem Mikroskop erkennbar sind. Bislang wurden mehr als 19.000 Arten entdeckt - von geschätzt 100.000. Doch selbst eine solche Liste reicht nicht aus, das Ökosystem dieses Parks zu verstehen: Es braucht detaillierte Daten zum Verhalten und zu Wechselwirkungen der Organismen, zu Topografie, Witterungsdaten und Stoffflüssen.

Wie komplex Abläufe in Ökosystemen sein können, zeigt eine von Ökologen gerne zitierte Studie des an der Yale University lehrenden Oswald Schmitz. Die Arbeit beschreibt, wie Heuschrecken jagende Spinnen das Verhalten ihrer Opfer verändern. Nehmen die Heuschrecken die lauernden Spinnen wahr, sind sie gestresst. Sie suchen Schutz in den auf Wiesen dominanten Goldruten. Weil die Heuschrecken gestresst sind, haben sie erhöhten Energiebedarf. Sie decken ihn mit Goldruten, da diese reichlich Kohlenhydrate enthalten. Die Folge: Goldruten werden zurückgedrängt, andere Pflanzen florieren, die Artenvielfalt steigt. Gleichzeitig bindet eine Wiese auf diese Weise 1,4 Mal mehr Kohlenstoff als Grasland ohne die Jagdspinnen: in den Pflanzen, in den Ausscheidungen und toten Körpern der Heuschrecken sowie im Boden, in dem Mikroben aufgrund eines erhöhten Kohlenstoff-und niedrigeren Stickstoffeintrags organisches Material langsamer kompostieren.

Solche Prozesse lassen sich, einmal erfasst, auch simulieren. Eine klassische Methode, derlei Wirkungsmechanismen abzubilden, sind Netzwerkmodelle. In ihnen werden Spezies in komplexe und möglichst lebensnahe Beziehungen zueinander gesetzt: Sie jagen und werden gefressen, leben in Symbiose oder konkurrieren mit ihren Artgenossen. Forscher um die Ökologinnen Ursula Gaedke und Alice Boit von der Universität Potsdam studierten 2012 an Mikroorganismen, Kleinkrebsen und Jungfischen, wie sich Fressverhalten, Bio- und Körpermasse entwickeln sowie die Populationen sich saisonal verändern. Zudem zeigten sie, warum Algen dem Kreislauf zugrunde liegen. In einem seit 2014 laufenden Projekt der Deutschen Forschungsgemeinschaft namens "DynaTrait" wird der Ansatz erweitert. Deutschlandweit versuchen Forscher die Dynamik von aquatischen Lebensgemeinschaften genauer abzubilden, indem sie ihre sich mit der Zeit verändernden Eigenschaften einbeziehen - Größe, variierende Nährstoffaufnahme, Fressbarkeit für Räuber oder Anpassungsfähigkeit an die Umwelt.


In den nächsten Jahren erwarten wir substanzielle Fortschritte.

Dazu analysieren Wissenschafter allerlei kleine und größere Geschöpfe in Glaskolben oder Wassertanks, führen Freilandstudien in verschiedenen Wassertiefen und Computersimulationen durch. "Da berücksichtigen wir sogar evolutionäre Prozesse", erklärt Alice Boit, Koordinatorin des Projekts. "Wir lernen beispielsweise, wie Planktonarten mit steigenden Wassertemperaturen oder größerer Räuberdichte zurechtkommen und sich unter diesem Druck verändern." So identifizieren die Ökologen Mechanismen, die Organismen helfen, in einer sich wandelnden Umwelt zu bestehen. "Derzeit verfügen wir aber über keine einheitlichen Ansätze, die genetische Informationen, Artmerkmale und ihre wechselseitigen Beziehungen umfassend in ein Ökosystemmodell integrieren", sagt Boit. "In den nächsten Jahren erwarten wir jedoch substanzielle Fortschritte."

Zumindest das Fundament, auf dem eine umfassende Theorie eines Tages ruhen wird, steht außer Frage: die Gesetze der Thermodynamik, also der Energieflüsse in der Natur, und der die Biodiversität antreibende Motor der Evolution. Darauf aufbauend heißt es, mühsam Stein um Stein das Theoriegebäude der Ökosysteme aufzubauen. Einer der Ziegel ist das "Ecotron" in Bad Lauchstädt. Dort ist das Experiment mit der Wiesenlandschaft inzwischen beendet. Noch werden die Proben analysiert, aber Ökologe Nico Eisenhauer vermutet, dass die Gegenwart von Blattläusen den Nährstoffkreislauf beschleunigt und die Mikrobengemeinschaft im Boden tatsächlich verändert hat. Eine andere Erkenntnis dagegen war unübersehbar: Blattläuse im bodennahen Grasdickicht hatten deutlich bessere Chancen, von Marienkäfern nicht verspeist zu werden.

Kommendes Jahr sollen 96 tonnenschwere Erdblöcke aus einem Graslandexperiment bei Jena in die Klimakammern gehievt werden, um über Jahre gewachsene Ökosysteme zu studieren. Eine Frage wäre, wie artenreiche Wiesen, die wichtige Aufgaben erfüllen, wie den Boden zu stabilisieren oder Kohlenstoff zu binden, überhaupt funktionieren. Eine Vermutung lautet, dass die vielfältigen Eigenschaften der Organismen helfen, vorhandene Ressourcen optimal auszunutzen. "Ecotron wird uns helfen, das besser zu verstehen", glaubt Eisenhauer. "Am Ende steht keine Weltformel, aber wir gewinnen Einblicke in zentrale Mechanismen von terrestrischen Ökosystemen, die extrem wichtig für die Ernährung der Menschheit sind."