Vor zwei Jahrzehnten entdeckte die Ökologin Suzanne Simard während ihrer Doktorarbeit, dass Bäume ihre Bedürfnisse mitteilen und sich gegenseitig Nährstoffe über ein Netzwerk von im Boden vergrabenen Pilzgittern schicken – mit anderen Worten, sie „reden“ miteinander. Seitdem hat Simard, die jetzt an der University of British Columbia lehrt, Pionierarbeit bei der Erforschung der Art und Weise geleistet, wie Bäume miteinander kommunizieren. Sie hat unter anderem herausgefunden, wie diese Pilzgeflechte den Bäumen dabei helfen, Warnsignale über Umweltveränderungen zu senden, nach Verwandten zu suchen und ihre Nährstoffe auf benachbarte Pflanzen zu übertragen, bevor diese absterben.
Indem sie Ausdrücke wie „Waldweisheit“ und „Mutterbäume“ verwendet, wenn sie über dieses ausgeklügelte System spricht, das sie mit den neuronalen Netzen im menschlichen Gehirn vergleicht, hat Simards Arbeit dazu beigetragen, die Art und Weise zu verändern, wie Wissenschaftler Interaktionen zwischen Pflanzen definieren. „Ein Wald ist ein kooperatives System“, sagte sie in einem Interview mit Yale Environment 360. „Für mich macht der Begriff ‚Kommunikation‘ mehr Sinn, weil wir nicht nur den Ressourcentransfer, sondern auch Signale zur Verteidigung und zur Erkennung von Verwandten betrachten. Wir Menschen können das besser nachvollziehen. Wenn wir uns damit identifizieren können, werden wir uns auch mehr dafür interessieren.
Simard konzentriert sich nun darauf zu verstehen, wie diese lebenswichtigen Kommunikationsnetze durch Umweltbedrohungen wie Klimawandel, Kiefernkäferbefall und Abholzung gestört werden könnten. „Diese Netzwerke werden fortbestehen“, sagte sie. „Ob sie einheimischen Pflanzenarten oder exotischen Arten oder invasiven Unkräutern und so weiter zugute kommen, bleibt abzuwarten.“
Yale Environment 360: Nicht alle Dissertationen werden in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Aber 1997 wurde ein Teil von Ihnen veröffentlicht. Sie haben radioaktive Kohlenstoffisotope verwendet, um festzustellen, dass Papierbirken und Douglasien ein unterirdisches Netzwerk nutzen, um miteinander zu kommunizieren. Erzählen Sie mir von diesen Interaktionen.
Suzanne Simard: Alle Bäume auf der Welt, auch die Papierbirke und die Douglasie, gehen eine symbiotische Verbindung mit unterirdischen Pilzen ein. Das sind Pilze, die für die Pflanzen nützlich sind, und durch diese Verbindung erforscht der Pilz, der natürlich keine Photosynthese betreiben kann, den Boden. Im Grunde schickt er Myzel oder Fäden durch den Boden, nimmt Nährstoffe und Wasser auf, insbesondere Phosphor und Stickstoff, bringt sie zurück zur Pflanze und tauscht diese Nährstoffe und das Wasser gegen Photosynthese von der Pflanze aus. Die Pflanze bindet Kohlenstoff und tauscht ihn dann gegen die Nährstoffe, die sie für ihren Stoffwechsel benötigt. Das funktioniert für beide Seiten.
Dieses Netzwerk ist eine Art unterirdische Pipeline, die das Wurzelsystem eines Baumes mit dem eines anderen Baumes verbindet, so dass Nährstoffe, Kohlenstoff und Wasser zwischen den Bäumen ausgetauscht werden können. In einem natürlichen Wald in Britisch-Kolumbien wachsen Papierbirke und Douglasie in Waldgemeinschaften mit früher Sukzession zusammen. Sie konkurrieren miteinander, aber unsere Arbeit zeigt, dass sie auch miteinander kooperieren, indem sie Nährstoffe und Kohlenstoff durch ihre Mykorrhizanetzwerke hin- und herschicken.
e360: Und sie können erkennen, wenn der eine etwas mehr Hilfe braucht als der andere, ist das richtig?
Simard: Ja, das ist richtig. Wir haben eine Reihe von Experimenten durchgeführt, um herauszufinden, was den Austausch antreibt. Man darf nicht vergessen, dass es ein Hin- und Her-Tausch ist, also manchmal bekommt die Birke mehr und manchmal die Tanne mehr. Das hängt von den ökologischen Faktoren ab, die zu diesem Zeitpunkt vorherrschen.
Einer der wichtigsten Punkte, die wir in diesem speziellen Experiment getestet haben, war die Beschattung. Je mehr die Douglasie im Sommer beschattet wurde, desto mehr überschüssiger Kohlenstoff der Birke ging an die Tanne. Später im Herbst, als die Birke ihre Blätter verlor und die Tanne überschüssigen Kohlenstoff hatte, weil sie immer noch Photosynthese betrieb, ging der Nettotransfer dieses Austausches zurück zur Birke.
Es gibt wahrscheinlich auch Pilzfaktoren. Ein Pilz, der das Netzwerk knüpft, wird zum Beispiel versuchen, seine Kohlenstoffquellen zu sichern. Auch wenn wir nicht viel darüber wissen, macht es aus evolutionärer Sicht Sinn. Der Pilz ist für seinen eigenen Lebensunterhalt verantwortlich, um sicherzustellen, dass er in Zukunft eine sichere Nahrungsgrundlage hat, also wird er dabei helfen, den Kohlenstofftransfer zu den verschiedenen Pflanzen zu lenken.
Ich glaube nicht, dass es jemals einen Mangel an der Fähigkeit geben wird, ein Netzwerk zu bilden, aber das Netzwerk könnte anders sein.
e360: Glauben Sie, dass dieses Austauschsystem auch auf andere Ökosysteme zutrifft, wie z.B. Grasland? Gibt es dazu bereits Untersuchungen?
Simard: Ja, nicht nur in meinem Labor, sondern auch in anderen Labors lange vor mir“¦ Grasland und sogar einige der uns bekannten Baumarten wie Ahorn und Zeder bilden eine andere Art von Mykorrhiza. In Britisch-Kolumbien haben wir große Grasflächen, die sich durch das Innere der Provinz ziehen und an den Wald grenzen. Wir untersuchen, wie diese Grasflächen, die hauptsächlich arbuskuläre Mykorrhiza bilden, mit unseren Ektomykorrhiza-Wäldern interagieren, denn mit dem Klimawandel werden die Grasflächen voraussichtlich in die Wälder vordringen.
e360: Wird dieser Austausch unter dem Klimawandel weitergehen, oder wird die Kommunikation blockiert?
Simard: Ich glaube nicht, dass sie blockiert werden wird. Ich glaube nicht, dass es jemals einen Mangel an der Fähigkeit geben wird, ein Netzwerk zu bilden, aber das Netzwerk könnte anders aussehen. Zum Beispiel werden wahrscheinlich andere Pilze daran beteiligt sein, aber ich denke, dass diese Netzwerke fortbestehen werden. Ob sie einheimischen Pflanzenarten oder exotischen Arten oder invasiven Unkräutern und so weiter zugute kommen, bleibt abzuwarten.
e360: Mit Hilfe von molekularen Werkzeugen haben Sie und einer Ihrer Doktoranden so genannte Hub- oder Mutterbäume entdeckt. Was sind das für Bäume, und welche Rolle spielen sie im Wald?
Simard: Kevin Beiler, ein Doktorand, hat mit Hilfe von DNA-Analysen kurze DNA-Sequenzen in Bäumen und Pilzindividuen in Douglasienwäldern untersucht und dabei eine sehr elegante Arbeit geleistet. Er war in der Lage, das Netzwerk von zwei verwandten Mykorrhizapilz-Schwestern zu kartieren und zu zeigen, wie sie die Douglasien in diesem Wald miteinander verbinden.
Durch die Erstellung dieser Karte konnte er zeigen, dass im Wesentlichen alle Bäume, bis auf einige wenige, miteinander verbunden waren. Er fand heraus, dass die größten und ältesten Bäume im Netzwerk am stärksten miteinander verbunden waren, während kleinere Bäume nicht mit so vielen anderen Bäumen verbunden waren. Große alte Bäume haben ein größeres Wurzelsystem und sind mit größeren Mykorrhizanetzwerken verbunden. Sie haben mehr Kohlenstoff, der in das Netzwerk fließt, und sie haben mehr Wurzelspitzen. Es macht also Sinn, dass sie mehr Verbindungen zu anderen Bäumen in ihrer Umgebung haben.
In späteren Experimenten sind wir der Frage nachgegangen, ob diese älteren Bäume ihre Verwandtschaft erkennen können, ob die Sämlinge, die sich um sie herum regenerieren, von der gleichen Sippe sind, ob sie Nachkommen sind oder nicht, und ob sie diese Sämlinge bevorzugen können – und wir fanden heraus, dass sie das können. So sind wir auf den Begriff „Mutterbaum“ gekommen, denn sie sind die größten und ältesten Bäume, und wir wissen, dass sie ihre eigene Sippe aufziehen können.
e360: Sie haben auch entdeckt, dass diese Bäume, wenn sie absterben, einen überraschenden ökologischen Wert haben, der nicht erkannt wird, wenn sie zu früh geerntet werden.
Simard: Wir haben dieses Experiment tatsächlich im Gewächshaus durchgeführt. Wir haben Setzlinge von Nachbarn gezüchtet und den älteren Tannensetzling, der als Mutterbaum fungiert hätte, verletzt. Wir haben die Ponderosa-Kiefer verwendet, weil es sich dabei um eine Baumart in niedrigeren Lagen handelt, die im Zuge des Klimawandels die Douglasie ersetzen soll. Ich wollte wissen, ob es irgendeine Art von Übertragung des Erbes des alten Waldes auf den neuen Wald gibt, der im Zuge des Klimawandels nach oben und nach Norden wandern wird.
Als wir diese Douglasien verletzten, stellten wir fest, dass zwei Dinge passierten. Zum einen hat die Douglasie ihren Kohlenstoff in das Netzwerk abgegeben, der dann von der Ponderosa-Kiefer aufgenommen wurde. Zweitens wurden die Verteidigungsenzyme der Douglasie und der Ponderosa-Kiefer als Reaktion auf diese Verletzung „hochreguliert“. Wir interpretierten dies als Verteidigungssignale, die durch die Netzwerke der Bäume laufen. Diese beiden Reaktionen – der Kohlenstofftransfer und das Abwehrsignal – traten nur dort auf, wo ein intaktes Mykorrhizanetzwerk vorhanden war. Die Interpretation war, dass die einheimische Art, die im Zuge des Klimawandels durch eine neue Art ersetzt wird, Kohlenstoff- und Warnsignale an die benachbarten Setzlinge sendet, um ihnen einen Vorsprung zu verschaffen, wenn sie die dominantere Rolle im Ökosystem übernehmen.
e360: Sie haben darüber gesprochen, dass Sie, als Sie 1997 zum ersten Mal Ihre Arbeit über die Interaktion zwischen Bäumen veröffentlichten, das Wort „Kommunikation“ nicht verwenden durften, wenn es um Pflanzen ging. Jetzt verwenden Sie ungeniert Ausdrücke wie Waldweisheit und Mutterbäume. Hat man Ihnen das übel genommen?
Simard: Es gibt wahrscheinlich viel mehr Kritik, als ich überhaupt mitbekomme. Ich habe mit Anfang 20 mit der Waldforschung begonnen und bin jetzt Mitte 50, also seit 35 Jahren. Ich war mir immer sehr bewusst, dass ich mich an die wissenschaftliche Methode halte und sehr darauf achte, nicht über das hinauszugehen, was die Daten aussagen. Aber irgendwann kommt der Punkt, an dem man merkt, dass diese traditionelle wissenschaftliche Methode nur so weit reicht und dass in den Wäldern so viel mehr vor sich geht, als wir mit den traditionellen wissenschaftlichen Methoden tatsächlich verstehen können.
So öffnete ich meinen Geist und sagte, dass wir die menschlichen Aspekte mit einbeziehen müssen, damit wir besser verstehen, was in diesen Lebewesen vor sich geht, in Arten, die nicht nur leblose Objekte sind. Wir begannen auch zu verstehen, dass es nicht nur um den Austausch von Ressourcen zwischen Pflanzen geht. Es ist viel mehr als das. Ein Wald ist ein kooperatives System, und wenn es nur um Wettbewerb ginge, dann wäre er viel einfacher. Warum sollte ein Wald so vielfältig sein? Warum sollte er so dynamisch sein?
Für mich macht die Sprache der Kommunikation mehr Sinn, weil wir nicht nur den Ressourcentransfer betrachten, sondern auch Dinge wie Verteidigungssignale und Signale zur Erkennung von Verwandten. Das Verhalten der Pflanzen, der Absender und der Empfänger, wird durch diese Kommunikation oder den Austausch von Material zwischen ihnen verändert.
Außerdem können wir Menschen uns besser damit identifizieren. Wenn wir uns damit identifizieren können, dann werden wir uns auch mehr darum kümmern.
Wenn wir Bäume stehen lassen, die nicht nur Mykorrhizanetzwerke, sondern auch andere Netzwerke von Lebewesen unterstützen, wird sich der Wald regenerieren.
e360: Der Bergkiefernkäfer verwüstet die westlichen Landschaften und tötet Kiefern und Fichten. Sie sind Mitverfasser einer Studie über die Auswirkungen des Käferbefalls auf Mykorrhizanetzwerke. Was haben Sie herausgefunden, und was bedeutet das für die Regeneration dieser Wälder?
Simard: Diese Arbeit wurde von Greg Pec, einem Doktoranden an der Universität von Alberta, geleitet. Die erste Phase (des Angriffs) wird als grüner Angriff bezeichnet. Sie gehen von grünem Angriff zu rotem Angriff zu grauem Angriff über. Im dritten oder vierten Jahr sind die Bestände im Grunde genommen tot.
Wir haben Erde aus den verschiedenen Beständen entnommen und darin Kiefernsämlinge gezogen. Wir fanden heraus, dass das Mykorrhizanetzwerk mit fortschreitender Sterblichkeit weniger vielfältig wurde und sich auch die Abwehrenzyme in den Sämlingen, die in diesen Böden wuchsen, veränderten. Die Vielfalt dieser Moleküle nahm ab. Je länger die Bäume abgestorben waren, desto geringer war die Mykorrhizavielfalt und desto geringer war die Vielfalt der Abwehrmoleküle in den Sämlingen.
Greg stellte bei der Untersuchung der Pilzvielfalt in diesen Beständen fest, dass das Mykorrhizanetz trotz der veränderten Pilzvielfalt immer noch wichtig für die Regeneration der neuen Sämlinge war, die im Unterholz aufkamen.
Auch wenn sich die Zusammensetzung des Mykorrhizanetzwerks verändert, ist es immer noch ein funktionelles Netzwerk, das die Regeneration des neuen Bestands erleichtern kann.
e360: Was sagt Ihnen Ihre Arbeit darüber, wie man die Widerstandsfähigkeit des Waldes gegenüber Abholzung und Klimawandel erhalten kann?
Simard: Bei der Resilienz geht es um die Fähigkeit von Ökosystemen, ihre Strukturen und Funktionen innerhalb einer Bandbreite von Möglichkeiten wiederherzustellen. Für Wälder im Besonderen sind die Bäume die Grundlage. Sie bieten Lebensraum für die anderen Lebewesen, aber sie sorgen auch dafür, dass der Wald funktioniert. Resilienz in einem Wald bedeutet die Fähigkeit, Bäume zu regenerieren. Mit Hilfe dieser Mykorrhizanetzwerke, von denen wir wissen, dass sie für die Regeneration von Bäumen wichtig sind, kann man viel tun, um dies zu erleichtern. Es ist so wichtig, was wir zurücklassen. Wenn wir Bäume hinterlassen, die nicht nur Mykorrhizanetzwerke, sondern auch andere Netzwerke von Lebewesen unterstützen, dann wird sich der Wald regenerieren. Ich denke, dass der entscheidende Schritt darin besteht, die Fähigkeit zur Regeneration der Bäume zu erhalten.
e360: Sie haben von Ihrer Hoffnung gesprochen, dass Ihre Erkenntnisse die Abholzungspraktiken in British Columbia und darüber hinaus beeinflussen werden. Ist das geschehen?
Simard: Nicht speziell meine Arbeit. In den 1980er und 90er Jahren setzte sich die Idee durch, ältere Bäume und Altbestände in den Wäldern zu erhalten. In den 1990er Jahren haben wir in Westkanada viele dieser Methoden übernommen, die nicht auf Mykorrhizanetzwerken basieren. Es ging mehr um Wildtiere und die Erhaltung von Altholz als Lebensraum für andere Lebewesen.
Aber im Großen und Ganzen, besonders in den letzten anderthalb Jahrzehnten, wurde viel Kahlschlag betrieben, ohne viel zu erhalten. Dies ist zum Teil auf den Ausbruch des Bergkiefernkäfers zurückzuführen, der immer noch anhält. Die guten forstwirtschaftlichen Praktiken, die sich entwickelt hatten, wurden durch die Abholzung der absterbenden Bäume zunichte gemacht.
Auch von YALE e360Ist der Klimawandel eine Gefahr für die Mikrobiome der Welt?
Forscher beginnen gerade erst, die Komplexität der Mikroben im Erdboden und die Rolle, die sie bei der Förderung gesunder Ökosysteme spielen, zu verstehen. Jetzt droht der Klimawandel diese Mikroben und ihre Schlüsselfunktionen zu stören.MEHR LESEN
Heute versucht man immer noch, den Wald zu erhalten, aber das reicht einfach nicht aus. Zu oft bleiben nur Alibibäume zurück. Wir starten ein neues Forschungsprojekt, um verschiedene Arten der Rückhaltung zu testen, die Mutterbäume und Netzwerke schützen.
e360: Das ist der Zuschuss, den Sie gerade von der kanadischen Regierung erhalten haben, um die derzeitigen Praktiken der Walderneuerung neu zu bewerten?
Simard: Ja, wir sind wirklich begeistert davon. Wir testen die Idee, Mutterbäume in verschiedenen Konfigurationen zu erhalten – also sie einzeln, in Gruppen oder als Schutzwald zu belassen – und dann den Wald mit einer Mischung aus natürlicher Verjüngung und traditionellen Verjüngungsverfahren zu regenerieren. Wir testen dies in verschiedenen Klimazonen in Douglasienwäldern, von sehr trocken und heiß bis hin zu kühl und feucht. Insgesamt wird es etwa 75 Standorte geben, die diesen Klimagradienten abdecken. Wir werden Dinge wie den Kohlenstoffkreislauf, die Produktivität und die Vielfalt der Vögel und Insekten messen. Und wir haben großes Interesse von Gruppen der Ureinwohner von British Columbia, da die Idee der Mutterbäume und der Aufzucht neuer Generationen sehr gut in die Weltanschauung der Ureinwohner passt.