19/03/2026
Seit Beginn der industriellen Revolution beobachten wir einen kontinuierlichen Anstieg der globalen Durchschnittstemperaturen. Dieser Anstieg ist grösstenteils auf die steigende Konzentration von Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre zurückzuführen. Die CO2-Konzentration ist von etwa 280 ppm vorindustriell auf aktuell 410 ppm gestiegen, was zu einer globalen Erwärmung von etwa 1°C seit 1880 geführt hat. Es ist zu erwarten, dass die Erde sich bei weiter steigenden CO2-Konzentrationen weiter erwärmen wird. Das Ausmass dieser Erwärmung hängt jedoch auch von politischen Entscheidungen und der Fähigkeit der Menschheit ab, die Kohlenstoffemissionen in naher Zukunft zu reduzieren. Diese steigenden Temperaturen verändern die klimatischen Bedingungen weltweit und haben Auswirkungen auf die Lebensweise und die geografische Verbreitung vieler Arten.
Die Rolle der Pflanzen bei der Klimaregulierung
Pflanzen spielen eine entscheidende Rolle bei der Milderung des Klimawandels. Durch die Photosynthese nehmen sie einen erheblichen Teil des von uns Menschen freigesetzten CO2 aus der Atmosphäre auf. Aktuell absorbieren Pflanzen jährlich etwa 30% der CO2-Emissionen. Dieser natürliche Prozess verlangsamt die Geschwindigkeit der globalen Erwärmung erheblich. Pflanzen sind jedoch dynamische Organismen und können sich an veränderte Umweltbedingungen, wie beispielsweise steigende Temperaturen, anpassen. Angesichts der zentralen Bedeutung von Wäldern für die globale Produktivität ist es besonders wichtig, die Reaktion von Waldbäumen auf die Erwärmung zu quantifizieren, um zukünftige Klimabedingungen genauer vorhersagen zu können. Die Untersuchung der Reaktion von Waldbäumen umfasst die Messung physiologischer Anpassungen, die Bäume bei steigenden Temperaturen vornehmen können. Leider gehören die physiologischen Reaktionen von Waldbäumen auf die Temperatur zu den grössten Unsicherheiten in Erdsystemmodellen. Dies beeinträchtigt unser Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs und die Prognosen über das Ausmass zukünftiger Anstiege der atmosphärischen CO2-Konzentration.
Pflanzliche Reaktionen auf die Klimaerwärmung
Die Temperatur ist ein zentraler Faktor, der das Wachstum von Bäumen und viele physiologische Prozesse reguliert. Die Geschwindigkeit der Erwärmung, der viele Arten derzeit ausgesetzt sind, ist in der Evolutionsgeschichte beispiellos. Prognosen gehen von einer Erwärmung um 2–5 °C in diesem Jahrhundert aus. Da Pflanzen, insbesondere Bäume, sesshaft sind und eine längere Lebensdauer haben, müssen sie möglicherweise physiologische Anpassungen an wärmere Temperaturen vornehmen. Die meisten Pflanzen verfügen über eine beachtliche Fähigkeit, sich an wärmere Bedingungen anzupassen, und tun dies in der Regel so, dass sie die Kohlenstoffaufnahme aufrechterhalten oder sogar verbessern. Als Reaktion auf die Erwärmung können diese Anpassungen eine Verringerung der Atmungsrate, eine Vergrösserung der gesamten Blattfläche und manchmal eine Erhöhung der Assimilationsrate bei einer wärmeren Wachstumstemperatur umfassen, was die Kohlenstoffaufnahme und das Wachstum erhöht. Die meisten Arten können auch ihr thermisches Optimum der Photosynthese als Reaktion auf die Erwärmung nach oben verschieben. Diese physiologischen Anpassungen an Veränderungen der Wachstumstemperatur werden als „thermische Akklimatisierung“ bezeichnet. Das thermische Optimum der Photosynthese kann sich verschieben, typischerweise um ein Drittel bis die Hälfte der Gradzahl der Verschiebung der Wachstumstemperatur.
Thermische Akklimatisierung im Detail
Die Erhöhung des Temperaturoptimums der Photosynthese könnte die negativen Auswirkungen der Erwärmung erheblich reduzieren und es den Pflanzen ermöglichen, bei höheren Temperaturen ohne verminderte Photosyntheseraten zu arbeiten. Ebenso begrenzen reduzierte Atmungsraten bei wärmeren Temperaturen den Kohlenstoffverlust im Vergleich zu Atmungsraten, die sich nicht an die Erwärmung angepasst haben. Da Pflanzen das globale und regionale Klima beeinflussen, werden sich grossflächige Veränderungen der pflanzlichen Photosynthese- und Atmungsflüsse auf das Ausmass der zukünftigen Klimaerwärmung auswirken.
Unterschiedliche Anpassungsfähigkeiten
Verschiedene Arten haben unterschiedliche Akklimatisierungsfähigkeiten gezeigt, die zum Teil von dem Klima abhängen, an das sie angepasst sind. In kühleren Klimazonen zeigen Arten häufig eine positive Wachstumsreaktion auf die Erwärmung, zusammen mit erhöhten Raten der Photosynthesekapazität. Im Gegensatz dazu deuten Studien in wärmeren Klimazonen auf ein reduziertes Baumwachstum und eine geringere Kohlenstoffaufnahme bei Arten hin, die in wärmeren, niedrig-latitudigen Klimazonen wachsen, zusammen mit einer reduzierten Photosynthesekapazität. Diese Erkenntnisse deuten auf eine begrenzte Fähigkeit zur physiologischen Anpassung an wärmere Temperaturen bei Arten hin, die in wärmeren Regionen wachsen. Arten in Äquatornähe haben möglicherweise eine geringere Fähigkeit, sich an wärmere Temperaturen anzupassen, da sie sich im Vergleich zu Arten aus kühleren Klimazonen (höhere Breitengrade), in denen die Temperatur im Jahresverlauf stark schwankt, an stabile thermische Bedingungen über das ganze Jahr hinweg angepasst haben. Darüber hinaus arbeiten Arten in niedrigeren Breitengraden tendenziell näher an ihrem thermischen Optimum. Daher könnte eine weitere Erwärmung in niedrigeren Breitengraden grosse Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum haben, indem sie die Kohlenstoffaufnahme in tropischen Regionen verringert und dadurch die Kohlenstoffsenke des produktivsten Ökosystems der Erde, der tropischen Regenwälder, reduziert.
Weitere Einflussfaktoren
Andere Faktoren wie erhöhte CO2-Konzentrationen, Nährstoffverfügbarkeit und veränderte Niederschlagsmuster können mit den Reaktionen der Pflanzen auf die Erwärmung interagieren. Variablere Niederschlagsmuster in Kombination mit der erhöhten Häufigkeit und Intensität von Hitzewellen dürften den Trockenstress verstärken und die negativen Auswirkungen wärmerer Temperaturen noch verstärken. Reduziertes Wachstum aufgrund wärmerer Temperaturen kann sich auch auf die Samenproduktion und -verbreitung auswirken, was zu einer geringeren Etablierung von Sämlingen und zum Absterben von Wäldern in grösserem Massstab führen kann. Die verschiedenen Auswirkungen von Temperatur- und Niederschlagsmustern können letztendlich zu einer Verringerung oder Verschiebung der Verbreitungsgebiete vieler Pflanzenarten sowie zu Veränderungen in der Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften führen.
Zukunftsperspektiven
Tropische Regenwaldarten sind möglicherweise besonders gefährdet, wenn diese Arten eine geringere Fähigkeit zeigen, mit der Erwärmung umzugehen. Daten zu den Temperaturreaktionen der Photosynthese bei tropischen Regenwaldarten sind jedoch relativ spärlich, obwohl Regenwälder derzeit 30 % der globalen Nettoprimärproduktion beitragen. Das Verständnis der physiologischen Grenzen in tropischen Regenwäldern und des Umfangs ihrer Fähigkeit, sich an wärmere Temperaturen anzupassen, ist eine Wissenslücke, die aufgrund ihres grossen Beitrags zum CO2-Austausch mit der Atmosphäre geschlossen werden sollte. Die Nettophotosynthese wird von drei grundlegenden Prozessen beeinflusst: der biochemischen Kapazität für Rubisco-Carboxylierung und Elektronentransport, der Höhe der Blattatmung sowie der Stomata- und Mesophyllleitfähigkeit für den CO2-Transfer von der Luft zum Blatt. Jeder dieser Prozesse hat seine eigene Temperaturabhängigkeit und trägt zu einem mechanistischen Verständnis der Temperaturreaktion der Photosynthese bei. Diese der Photosynthese zugrunde liegenden Prozesse werden heute in den meisten grossmassstäblichen Modellen über das Photosynthesemodell verwendet; daher sind diese Parameter wichtig zu quantifizieren, auch in Regenwäldern. Wenn wir ein klares Verständnis der Temperaturreaktionen für jeden dieser Prozesse haben, sowohl kurz- als auch langfristig, dann können wir unsere Fähigkeit verbessern, Photosynthesereaktionen auf zukünftige Klimabedingungen vorherzusagen. Letztendlich kann dieses mechanistische Verständnis in Erdsystemmodelle integriert werden, einschliesslich Akklimatisierungsprozessen, wodurch die Genauigkeit der Kohlenstoffbilanz und zukünftiger Klimaprognosen verbessert wird.
Fazit
Die Reaktionen von Pflanzen auf die Erwärmung sind fundamental in jeder Umgebung. Wie sind Pflanzenfunktion und Stoffwechsel mit saisonalen Schwankungen und dem Klima verbunden? Kürzlich wurde festgestellt, dass zwei weit verbreitete Eukalyptusarten eine reduzierte Photosynthesekapazität bei Bäumen aus tropischen Herkünften im Vergleich zu solchen aus gemässigten Herkünften aufwiesen, was mit einer reduzierten Stickstoffinvestition in die Photosynthesekapazität bei tropischen Bäumen zusammenhing. Die Verknüpfung physiologischer Merkmale mit ökologischen Pflanzenmerkmalen würde unser Verständnis der Reaktion verschiedener Pflanzengruppen oder Biome auf veränderte Klimabedingungen weiter verbessern. Es ist noch viel mehr Forschung erforderlich, wenn wir verstehen wollen, wie die Erwärmungsreaktionen von Pflanzen über grosse geografische Gebiete hinweg variieren und wie Klimafaktoren die physiologische Flexibilität beeinflussen können. Das Verständnis, wie die Temperaturabhängigkeit physiologischer Prozesse mit Klimavariationen zusammenhängt, ist entscheidend, um vorherzusagen, wie sich Arten an wärmere Temperaturen anpassen werden, wie ihre thermische Toleranz aussieht und letztendlich zu verstehen, wie sich zukünftige Artenverbreitungen verändern können.