Das Ökosystem aus dem Labor

    20. Oktober 2018, 07:00
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    Robert Junker erforscht die Entwicklung biologischer Vielfalt – um vom Menschen zerstörte Ökosysteme wieder zu reparieren

    Ein wenig träumt Robert R. Junker immer noch von Hawaii. Zweimal hat er dort längere Forschungsaufenthalte verbracht, um die wechselseitigen Beziehungen von Blüten und ihren Bestäubern sowie den Einfluss der Ameisen zu erforschen. Letztere wurden auf die Insel eingeschleppt und haben in den letzten 30 Jahren heimische Insekten stark verdrängt – und so auch das Ökosystem massiv beeinflusst.

    Auf Hawaii kam Junker auch auf die Idee, zu beobachten, wie sich im Lauf der Zeit neue Gemeinschaften aus Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen entwickeln – und zwar anhand jener Stellen, wo Lava die Erde überzogen und sämtliches Leben zerstört hat. "Dann fängt alles bei null an", sagt der Ökologe von der Universität Salzburg.

    Es gibt aber auch näherliegende Flächen, auf denen Lebensräume komplett bei null beginnen, nämlich dort, wo sich die Gletscher zurückziehen. So gesehen hat die Eisschmelze, so dramatisch sie ist, für Junker auch etwas Gutes: "Der Klimawandel ermöglicht meine Forschung. Hier werden Flächen frei, die tausende Jahre von Eis bedeckt waren."

    foto: junker
    Blick in Richtung der Gletscher des Kaunertals: Dort, wo sich das Eis zurückzieht, beginnen Lebensräume bei null – ein ideales Versuchsfeld.

    Im Tiroler Kaunertal machen er und sein Team sich auf die Suche nach den Grundprinzipien der Entstehung und Entwicklung komplexer Ökosysteme. Da der Gletscherrückgang gut dokumentiert ist, lässt sich auch relativ genau bestimmen, wann Gebiete wieder besiedelt wurden und wie sie sich seither entwickelt haben.

    Doch Junker will nicht nur den Aufbau eines funktionierenden Beziehungsgeflechts der Arten so detailliert wie möglich dokumentieren. Er hat ein viel weitreichenderes Ziel: Mithilfe von Laborexperimenten will er herausfinden, wie sich vom Menschen gestörte oder zerstörte Ökosysteme gezielt reparieren und neu aufbauen lassen – eine Art Bioengineering, analog zu Geoengineering.

    Für das Projekt bekam der 1981 in Deutschland geborene Forscher heuer einen Start-Preis in Höhe von 1,2 Millionen Euro zuerkannt. Der vom Wissenschaftsministerium finanzierte und vom Wissenschaftsfonds FWF vergebene Start-Preis wird an junge Spitzenforscher vergeben und ist quasi der kleine Bruder des Wittgenstein-Preises, der höchsten Auszeichnung für in Österreich tätige Wissenschafter.

    Leben nach dem Eis

    "Es geht mir darum, die Interaktionen und Abhängigkeiten zwischen Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen zu analysieren, um zu sehen, was es braucht, damit eine artenreiche Diversität entsteht", sagt Junker. "Besonders die Rolle von Pilzen und Bakterien, die gewöhnlich die ersten Siedler sind, ist bis jetzt unterbelichtet." Für dieses Unterfangen legen die Forscher zunächst um die 100 Flächen mit einer Größe von vier Quadratmetern fest. Die Bandbreite, die damit abgedeckt werden soll, reicht von Arealen, die erst seit kurzem eisfrei sind, bis zu uralten Flächen, die gänzlich unbeeinträchtigt sind vom Gletscher, der sich seit rund 150 Jahren zurückzieht.

    Jede dieser Flächen, je nach Höhe mit Geröll, Büschen oder Bäumen bedeckt, wird genauestens unter die Lupe genommen. Pflanzenteile wie Blätter, Blüten und Wurzeln werden zusammengetragen, Bodenbakterien und Pilze gensequenziert und isoliert und Kulturen angelegt. Tiere werden einerseits so weit wie möglich direkt beobachtet, andererseits mit speziellen Fallen gesammelt.

    foto: uni salzburg/kolarik
    "Wir wissen, wie man Ökosysteme kaputtmacht", sagt Robert Junker. "Welche Mechanismen es braucht, um ein vielfältiges System wiederaufzubauen, ist hingegen kaum erforscht."

    Je nach Fortschritt der Komplexität des jeweiligen Ökosystems können tausende Arten auf einem Flecken Erde zusammenkommen, rechnet Junker vor. Mit dieser Datenmasse aus der Feldforschung wird dann ein statistisches Modell gefüttert, das allein aus den vorhandenen Arten auf wechselseitige und einseitige Abhängigkeiten schließen kann. "Gemeinsam mit Wolfgang Trutschnig, Mathematiker an der Uni Salzburg, habe ich eine ganz neue Methode entwickelt, die auch die Richtung der Abhängigkeit und die Stärke des Einflusses einer jeden Art abbildet", sagt Junker.

    Das Ergebnis sind Netzwerkgrafiken, die die unzähligen Beziehungen anschaulich machen. Junker will letztlich fundamentale ökologische Fragen beantworten: "Wie kehrt ein Ökosystem langsam zurück, und in welcher Reihenfolge baut es sich auf? Welcher Organismen ist von welchen anderen abhängig?" So bereiten Bakterien den Boden für Pflanzen vor, diese schaffen andererseits Lebensraum für Mikroorganismen, gibt Junker ein Beispiel.

    Die Natur ins Labor holen

    Um zu überprüfen, ob die statistisch messbaren Abhängigkeiten Zufall sind oder tatsächlich auf kausalen Beziehungen basieren, holt Junker schließlich einzelne Teile eines Ökosystems in den Mikrokosmos des Labors. In sterilen Boxen – abgeschlossene, selbsterhaltende Systeme – werden einzelne Pflanzen, Tiere und Pilze aufgezogen, und zwar in möglichst naturnaher Erde, die ein Gärtner nach alpinem Vorbild eigens herstellt. Dann kommt ein weiterer Faktor wie etwa ein bestimmtes Bakterium in die Box, damit gesehen werden kann, ob sich die Auswirkungen mit der Theorie decken.

    Am Ende will Junker bestimmte Schlüsselarten identifizieren, die den Aufbau der biologischen Vielfalt ankurbeln, indem sie wichtige Funktionen für die Bodenaufbereitung, die Bildung von Biomasse und für die Bestäubung erfüllen. "Wir wissen, wie man Ökosysteme kaputtmacht, siehe Abholzung, Umweltverschmutzung und exzessive Landnutzung", sagt Junker. "Welche Mechanismen es braucht, um auf Brachen oder nicht mehr genutzten Flächen ein vielfältiges System wiederaufzubauen, ist hingegen kaum erforscht."

    Komplizierte Beziehungskiste

    Kandidaten für solche Schlüsselarten wären Leguminosen, also Hülsenfrüchtler, die den Boden mit Stickstoff anreichern und somit nährstoffarme Systeme aufpäppeln könnten. Eine essenzielle Rolle dürften aber auch Bakterien spielen, die etwa Pflanzen widerstandsfähiger gegen Trockenheit machen. Oder Blütendüfte entwickeln, die Bestäuber anziehen und Pflanzenfresser abschrecken – übrigens schon lange ein Spezialgebiet von Robert Junker.

    Die komplizierte Beziehungskiste zwischen Bakterien und Blüten erforscht der Gemeinschaftsökologe auch auf einem Stück Hawaii, das er sich nach Österreich geholt hat. In den Glashäusern der Uni Salzburg wachsen hawaiianische Ohia-Lehua-Bäume in allerlei Größen und von verschiedenen Standorten. Es gilt herauszufinden, inwiefern sich die Bäume an die Ameiseninvasion anpassen und welche Funktion den Bakterien dabei zukommt. Junker ist zuversichtlich: "Es ist ein Mordsaufwand, aber ich bin mächtig stolz darauf." (Karin Krichmayr, 20.10.2018)

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