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„Satellit entziffert Pflanzengene“, tönt es aus dem Radio. Es geht um neue Beobachtungen des europäischen Forschungssatelliten BIODIV-1, der genau im Blick hat, wie sich die Artenvielfalt auf der Erde entwickelt. Im Kongobecken geht sie dramatisch zurück, heißt es in den Nachrichten, in Mitteleuropa gibt es wieder mehr bunte Wiesen mit Wildkräutern und an den Ufern des Nordpolarmeers wurde erstmals Klatschmohn gesichtet. „BIODIV-1 erkennt die neuen Spezies an ihrem Genprofil – und das aus einer Entfernung von 400 Kilometern“ – der Sprecher ist hörbar beeindruckt.
Noch ist der Arten-Späher im Erdorbit eine Zukunftsvision. Doch Forschende an der Universität Zürich sind dabei, die futuristisch anmutende Idee umzusetzen. „Der Klimawandel und zunehmende Eingriffe des Menschen in die Natur beschleunigen die Umgestaltung der Ökosysteme in bisher ungekanntem Ausmaß“, sagt Michael Schaepman, Professor für Fernerkundung am Institut für Geografie der Universität Zürich und Leiter des Forschungsschwerpunkts „Globaler Wandel und Biodiversität“. Um in dieser Situation angemessen reagieren zu können, benötige die Politik ein Bild vom weltweiten Ist-Zustand und den Entwicklungstrends. Schaepman: „Einen solchen Gesamteindruck bekommen wir nur mithilfe von Satelliten.“
Noch gleicht die Weltkarte der Biodiversität einem Flickenteppich. Das hat mit den klassischen Methoden zu tun, die Forschende oft anwenden: Sie gehen ins Feld, zählen, messen, kartieren und bestimmen die gefundenen Arten – anhand äußerer Merkmale und oft auch anhand ihrer Gene. Die Verfahren sind zeitaufwändig, teuer und viel zu langsam, um mit dem rasanten Wandel der Umwelt Schritt zu halten.
Vielerorts ist das große Spektrum der Lebensformen heute in Gefahr. Dabei sind artenreiche Biotope, das hat die Wissenschaft hinlänglich bewiesen, produktiver und robuster gegenüber Krankheiten und Umweltveränderungen als ausgedünnte Ökosysteme. Entscheidend ist dabei nicht so sehr der einzelne Baum oder das einzelne Insekt, sondern – und das ist wichtig für das Monitoring aus großen Höhen – die Anzahl unterschiedlicher Arten in einem bestimmten Gebiet und die Frage, ob diese Zahl mit der Zeit zu- oder abnimmt.
Erste Erfolge können die Forscher um Michael Schaepman bereits verzeichnen. 2017 gelang es ihnen in der Nähe von Zürich, unterschiedliche Baumarten anhand chemischer und physikalischer Eigenschaften wie Wasser- und Chlorophyllgehalt, Wuchshöhe und Blattverteilung zu identifizieren – per Flugzeug aus mehr als vier Kilometer Höhe. Um die Arten eindeutig zu bestimmen, müssten mehr als 40 Merkmale überprüft werden, sagt Schaepman und fügt hinzu: „Das nehmen wir uns Zukunftsaufgabe vor“.
Eine Schlüsselrolle für die Artenkartierung von oben spielt die bildgebende Spektroskopie. In kompakte Geräte integriert, kann die Messtechnik von Satelliten oder Flugzeugen aus erfassen, wie bestimmte Oberflächen das Sonnenlicht reflektieren. Auf diese Weise lassen sich anhand artspezifischer Reflexionsmuster zum Beispiel unterschiedliche Baumarten erkennen. APEX, so heißt das Spektrometer, mit dem die Zürcher Forschenden derzeit arbeiten, kann aber nicht nur identifizieren, es kann auch diagnostizieren: „Wenn Bäume unter Trockenheit leiden, zeigt sich das im Spektrogramm“, berichtet Schaepman.
Ganz neue Perspektiven eröffnen sich den Zürcher Biodiversitätsforschern mit der geplanten Airborne Research Facility for the Earth System, kurz: ARES. Diese komplexe Plattform zur Erdbeobachtung soll in den kommenden Jahren als Teil des Space Hub in Dübendorf entstehen – mit Drohnen und Forschungsflugzeugen, Spektrometern der neusten Generation und moderner Labortechnik für biochemische Analysen.
Meredith Schuman freut sich schon auf die künftigen Möglichkeiten. Die junge Amerikanerin ist Expertin für Interaktionen von Pflanzen untereinander und mit anderen Organismen. Nach mehrjähriger Forschung am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena übernahm sie kürzlich eine Professur am Geografie-Institut der Universität Zürich. Ihre Arbeit trägt dazu bei, die Biodiversitätsforschung auf eine neue Stufe katapultieren. Zunächst vom Flugzeug aus, später auch mit Satelliten wollen Meredith Schuman und ihr Team Vielfalt und Veränderung der Vegetation anhand genetischer Merkmale bestimmen.
Zu diesem Zweck entwickeln die Forschenden zusammen mit der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA ein noch sensibleres Spektrometer. Es soll Pflanzen bis ins molekulare Detail analysieren, ihre Reaktionen auf Umweltveränderungen erfassen können und beobachten, wie sie sich mit anderen Organismen austauschen. Dahinter steht der Wunsch, Ökosysteme umfassend zu verstehen und sie bei Bedarf gezielt stabilisieren zu können. Klimamodelle, in denen die Biodiversität noch kaum eine Rolle spielt, könnten davon profitieren.
Ableiten lassen sich genetische Informationen über die Vegetation im Prinzip aus spektroskopischen Daten zur chemischen Zusammensetzung und per Laser gewonnen Informationen über das physische Erscheinungsbild der Pflanzen. Meredith Schuman: „Wir kennen das spektroskopische und architektonische Profil einzelner Pflanzen und wir kennen ihre Genetik aus konventionellen Laboruntersuchungen. Sobald wir einzelne genetische Merkmale verändern, hat das Auswirkungen auf die genannten optischen Eigenschaften“ – das wisse man aus Studien, sagt die Professorin. „Unser Ziel ist es, diese Zusammenhänge exakt zu bestimmen, denn nur so kommen wir zu einer sicheren Messmethode.“
Auf seinem Gebiet zählt das Team um Schuman weltweit zu einer kleinen Gruppe von Pionieren. An der Universität von Minnesota versuche man, belastbare Korrelationen bei Eichen zu ermitteln, in Tschechien gehe es um Kiefern. „Wir konzentrieren uns auf die häufigste Laubbaumart der Schweiz, die Buche, und hoffen, in spätestens sechs Jahren anhand von Oberflächendaten zuverlässig auf genetische Besonderheiten schließen zu können“, sagt die Wissenschaftlerin. Schon 2019 seien Treibhaus-Experimente geplant, um die Anpassung der Buchen-DNA an den Klimawandel zu studieren.
Vom Space Hub verspricht sich Meredith Schuman unkomplizierten Zugang zu Drohnen und Flugzeugen für ihre Forschung. „Cool wäre auch ein Versuchsgarten auf dem Gelände in Dübendorf.“ Schon jetzt träumt die Forscherin davon, das Schicksal ganzer Insektenpopulationen aus der Luft zu verfolge. Doch fürs Erste will sie sich auf die Pflanzenwelt beschränken. Die spielt eine Schlüsselrolle für das gesamte Ökosystem und was für Flora gilt, trifft oft auf die Fauna zu. Utopisch ist die Überwachung tierischer Biodiversität von oben jedoch keineswegs – ebenso wenig wie das genetische Monitoring per Satellit.
Kontakt:
Prof. Dr. Meredith Christine Schuman,
Department of Geography
meredith.schuman@geo.uzh.ch
Prof. Dr. Michael Schaepman,
Co-Director URPP Global Change and Biodiversity
and Member of the Steering Committee
Department of Geography
michael.schaepman@geo.uzh.ch
URPP Global Change and Biodiversity
www.gcb.uzh.ch/en.html
