Das Rätsel der Samenflut: Warum Bäume so viele Samen verlieren

Wer im Herbst durch Laubwälder streift, kennt das Bild: Der Boden unter Eichen ist oft dick mit Eicheln bedeckt. Eichhörnchen sammeln fleißig, um sich für den Winter zu stärken und Vorräte anzulegen. Dieses Naturschauspiel ist besonders in der nördlichen Hemisphäre vertraut, wo Eichen und Eichhörnchen weit verbreitet sind. Es illustriert ein einfaches Räuber-Beute-Modell, das Ökologen seit langem studieren. Doch schon früh fiel Wissenschaftlern – und lange vor ihnen indigenen Völkern – etwas Ungewöhnliches auf: In manchen Jahren gibt es eine wahre Flut von Eicheln, ein Paradies für Eichhörnchen. In anderen Jahren hingegen fallen kaum welche vom Baum.

Das Phänomen der Mastjahre

Dieses Phänomen, bei dem Pflanzen in einem Jahr die meisten ihrer Samen auf einmal abwerfen und dann jahrelang fast oder gar keine Samen produzieren, wird als „Mast“ bezeichnet. Eichen sind nur ein Beispiel, aber Tausende von Baumarten und andere langlebige Pflanzen nutzen diese Strategie des Booms und Busts. Die gängigste Erklärung für dieses Verhalten ist seit langem mit den hungrigen Eichhörnchen, Vögeln und unzähligen anderen Arten verbunden, die Eicheln fressen. Die Theorie besagt: Werfen Bäume genügend Samen auf einmal ab, überleben einige trotz des Fressgelages der Räuber. Ökologen nennen dies die „Räubersättigungshypothese“, und sie ist seit Jahrzehnten eine weithin akzeptierte Erklärung für die Mast.

Jenseits der Räubersättigung: Weitere Theorien

Die Räubersättigung ist jedoch bei weitem nicht die einzige Theorie. Eine andere Idee besagt, dass die Mast Insekten wie Bienen hilft, eine Pflanze effizienter zu bestäuben. Wenn alle Bäume einer Art gleichzeitig blühen und Samen ansetzen, so die Theorie, haben Bienen oder andere Bestäuber bessere Chancen, Pollen direkt von einem Baum zum anderen zu transportieren. Aber was, wenn etwas weniger Offensichtliches und Sichtbares als diese Theorien zur Erklärung dieses Phänomens beiträgt? Was, wenn die treibende Kraft etwas viel Kleineres als ein Eichhörnchen oder sogar eine Biene wäre?

Die Rolle von Krankheiten: Eine neue Hypothese

Forscher in Kanada veröffentlichten im Februar dieses Jahres eine Studie in Current Biology, in der sie eine neue Hypothese für die Evolution der Mast vorschlagen: Krankheiten. Während Eicheln von oben von hungrigen Eichhörnchen verschlungen werden, werden sie auch von unten und von innen von Pilzen, Bakterien und anderen Pathogenen angegriffen. Wissenschaftler wissen seit langem, dass diese Erreger eine große Anzahl von Samen abtöten können, aber ihre Rolle bei der Bestimmung des Zeitpunkts der Samenfreisetzung wurde weitgehend ignoriert. Einige Wissenschaftler fragten sich jedoch, ob masttragende Bäume in manchen Jahren weniger Samen abwerfen könnten, um Krankheitszyklen zu unterbrechen, und nicht nur, um Räuber in Mastjahren zu überwältigen.

Das Prinzip der Fruchtfolge in der Natur

„Schauen Sie, was Landwirte tun“, sagt Jonathan Davies, Botaniker und Wissenschaftler für Walderhaltung an der University of British Columbia und einer der Autoren der aktuellen Studie. „Sie lassen die Felder oft brachliegen, und das beseitigt Schädlinge und Krankheitserreger. Man entfernt die Ernte für zwei, drei oder vier Jahre. Das beseitigt Krankheitserreger und Schädlinge von diesem Feld, und man kann wieder anpflanzen.“ Diese landwirtschaftliche Praxis der Fruchtfolge könnte ein Schlüssel zum Verständnis der Mast sein.

Ein zufälliges Gespräch und eine leere Datenbank

Die Idee, dass Krankheiten eine wichtige Rolle spielen könnten, entstand, wie viele Ideen, nicht in einem formellen Labor, sondern in einem zufälligen Gespräch. Davies sprach mit der Pflanzenökologin Janneke Hille Ris Lambers von der ETH Zürich darüber, wie variabel die Samenproduktion an den Bäumen war, die sie im Bundesstaat Washington untersuchte. Das Konzept der Krankheitserreger als treibende Kraft kam auf, und Davies ging davon aus, dass sich schon jemand zuvor mit dieser Möglichkeit befasst hatte. Aber als er in Zeitschriften-Datenbanken nach Hinweisen suchte, war er überrascht, einen leeren Bildschirm vorzufinden. „Es gab buchstäblich nichts in der Literatur darüber“, sagt Davies.

Mathematische Modelle als Basis

Das Sammeln von Daten zur Untermauerung einer solchen Theorie würde Jahrzehnte dauern, da die Zeitskalen, die die Baumvermehrung bestimmen, lang sind. Bevor die Pathogen-Escape-Hypothese jedoch im Feld getestet werden konnte, musste ein solides Fundament geschaffen werden, um sicherzustellen, dass sie überhaupt theoretisch funktioniert. Um diesen Prozess zu beginnen, kam die andere Autorin der Studie, die Mathematikprofessorin Ailene MacPherson von der Simon Fraser University, hinzu und tat, was mathematische Biologen tun: Sie baute ein Modell.

Vereinfachte Darstellungen natürlicher Beziehungen

Die Grundeinheiten der ökologischen Theorie sind Modelle, vereinfachte Darstellungen natürlicher Beziehungen, die mit Hilfe von Mathematik ausgedrückt werden. Ökologische Modelle können extrem komplex sein und mehrere Arten, Umweltbedingungen und andere Variablen berücksichtigen. Da sie in Bezug auf die bisherige Forschung zu diesem Thema bei Null anfingen, entschied sich MacPherson für mathematische Modelle, die so einfach wie möglich waren. „Die Idee war nicht, die robustesten Modelle aller Zeiten zu bauen“, sagt MacPherson über die Mathematik der Studie, die sie als Ausgangspunkt und hoffentlich als Sprungbrett für andere Forscher sieht. „Unsere Modelle sind sehr darauf ausgerichtet zu veranschaulichen, dass es einen Grund geben könnte, dies zu untersuchen.“

Direkte und indirekte Übertragung von Krankheiten

Das, was einem Krankheitserreger-Modell für die Mast in der Literatur am nächsten kam, war eine Studie aus dem Jahr 1992, die sich mit Parasiten befasste. Die Studie verwendete eine Version eines Standard-Räuber-Beute-Modells, wie das Eichhörnchen und die Eichel, mit im Grunde zwei beweglichen Teilen: Samen und Parasit. Um es an die neue Hypothese anzupassen, berücksichtigte MacPherson zwei verschiedene Arten der Ausbreitung von Krankheitserregern: direkte und indirekte (Umwelt-) Übertragung. Direkte Übertragung breitet sich von einem Wirt zum anderen aus. Umweltübertragung kann einen weiteren Schritt beinhalten, entweder einen Zwischenwirt oder eine andere Art von Reservoir, in dem ein Krankheitserreger zwischen den Infektionen leben kann. Ein klassisches Beispiel ist das Bakterium, das die Pest verursacht, das von Nagetieren übertragen und dann durch Flöhe auf den Menschen übertragen werden kann.

Mastjahre und anfällige Samen

Unabhängig davon, welche Methode der Krankheitserreger verwendet, ob direkt oder indirekt, gibt es in einem Modell zwei Arten von Wirten zu berücksichtigen: die bereits infizierten und die anfälligen oder noch nicht infizierten. Laut MacPhersons Modellen erzeugt die Mast viele anfällige Samen auf einmal. In Jahren mit langsamer Aussaat kann die Zahl der anfälligen Samen so gering sein, dass sie die nächste Epidemie von Wirten aushungern und sie unterbrechen kann, bevor sie beginnt.

Die Zukunft der Forschung

Nachdem die ersten Schritte der Theorie getan sind, hoffen Davies und MacPherson, dass andere Forscher die nächsten Schritte gehen können, indem sie komplexere Modelle verwenden und die Theorie anhand von Daten im Feld testen. Eine Wissenschaftlerin, die möglicherweise einige Aspekte der Theorie in ihre Arbeit einbeziehen wird, ist die Ökologin, deren Gespräch mit Davies die Idee überhaupt erst ausgelöst hat.

Langzeitdaten aus dem Nationalpark Mount Rainier

Hille Ris Lambers untersucht seit 2007 Bäume und ihre Populationsdynamik im Nationalpark Mount Rainier. Dieser Datensatz ist erst vor kurzem lang genug geworden, 16 Jahre und mehr, um Mastmuster und möglicherweise deren Beziehung zu Krankheiten zu untersuchen. Sie findet die aktuelle Studie einen vielversprechenden Anfang. „Ich fand sie wirklich gut geschrieben und überzeugend, dass dies etwas ist, das wir als potenziellen langfristigen Treiber für einige dieser Dynamiken ignoriert haben“, sagt sie.

Ein Mosaik der Erklärungen

Anstatt die Räubersättigung oder die Bestäubereffizienz als führende Theorie zu verdrängen, könnte die Pathogen-Escape-Hypothese einfach zu einem Gemisch von Treibern hinzukommen, die alle zusammenwirken, um Pflanzenarten in Richtung Mast zu drängen. „Die Realität ist, dass es wahrscheinlich keine einzige Erklärung gibt“, sagt Davies. „Dies wird wahrscheinlich ein Teil der Erklärung sein, wenn wir dieses Puzzle zusammensetzen.“