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StartseiteForschung aktuellPflanzen setzen Notruf ab20.11.2018

TrockenheitPflanzen setzen Notruf ab

Leiden Pflanzen unter Trockenheit, senden sie ein rotes Notsignal aus, lange bevor sie braun und welk werden: sie intensivieren ein schwaches Fluoreszenzleuchten, fürs menschliche Auge unsichtbar. Forschende aus Jülich wollen diesen Effekt in Zukunft mit Hilfe eines Satelliten aus dem All beobachten, um drohende Ernteausfälle frühzeitig zu erkennen.

Von Andrea Hoferichter

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Eine Computergraphik verdeutlicht die Funktionsweise des FLEX-Satelliten der ESA: Fluoreszenzmessungen lassen Rückschlüsse auf die Photosyntheseleistung der Pflanzen zu (ESA/ATG medialab)
Der ESA-Satellit FLEX soll vom All aus die Vegetation auf der Erde erfassen (ESA/ATG medialab)
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"Normalerweise ist es ja so: Pflanzen erscheinen unserem Auge grün, weil viel von dem grünen Licht reflektiert wird, aber hinter dem grünen Licht geben Pflanzen auch immer ein rotes Leuchten ab. Das ist so ein Eigenleuchten, das ist relativ schwach, kann vom menschlichen Auge nicht erfasst werden. Aber mit den richtigen Messgeräten können wir das eben doch messen."

Uwe Rascher vom Forschungszentrum Jülich beschäftigt sich schon seit rund 20 Jahren mit dem roten Leuchten von Blättern. Schließlich ist das Phänomen, das auch Chlorophyllfluoreszenz genannt wird, ein Maß für das Wohlbefinden einer Pflanze. Im Grunde handelt es sich um Sonnenenergie, die bei der Photosynthese übrig bleibt, also wenn Pflanzen Kohlendioxid aus der Luft in Zucker und Zellulose umwandeln, um zu wachsen. Läuft die Photosynthese nicht optimal, weil zum Beispiel Wasser oder Nährstoffe fehlen, bleibt mehr Energie übrig und die Pflanzen leuchten heller. Das gilt zumindest in erster Annäherung.

Der Farbton verrät, worunter die Pflanze leidet

"Jetzt ist es aber so: Die Pflanze ist nicht ganz dumm, das heißt, sie hat natürlich eine ganze Menge an Schutzmechanismen auch, die diese Stresssituation wieder versuchen abzufangen und damit verändert sich auch das Signal: Einmal geht’s hoch, einmal geht’s runter, je nachdem, welcher Stress das ist. Und das ist im Prinzip auch die Forschung, die wir machen. Das heißt, wir messen das rote Licht mit unseren Messgeräten recht genau. Da gibt es den roten Anteil, den dunkelroten Anteil, und das Verhältnis von diesen Farben oder diesem roten Leuchten verändert sich dann relativ spezifisch, je nachdem welchem Stress die Pflanze ausgesetzt ist."

So können die Wissenschaftler unterscheiden, ob eine Pflanze unter Hitze, Kälte oder Schädlingsbefall leidet, ob sie zu wenig Nährstoffe hat und wie es um die Wasserversorgung bestellt ist. Die Messmethode ist schon zig Jahre alt und funktioniert direkt am Blatt besonders gut. Doch auch von Flugzeugen aus konnten die Jülicher Forscher das rote Leuchten schon aufnehmen. Und geht der Plan der europäischen Raumfahrtorganisation ESA auf, werden schon bald regelmäßig Fluoreszenzdaten aus dem All gesendet. Ab 2022 soll der Satellit Fluorescence Explorer, kurz: FLEX, die Fluoreszenz von Feldern und Wäldern weltweit messen.

Verbesserung der Auflösung

"Damit gehen wir davon aus, dass wir wirklich um einige Wochen oder Monate frühzeitiger verstehen, wann und wo global Vegetation nicht in ihrem optimalen Zustand ist, wann sich Stressereignisse auswirken können. Zum einen ist das relevant, um unsere landwirtschaftliche Produktion nicht nur zu verstehen, sondern auch steuern zu können und potenziell frühzeitig Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Und das Zweite ist, dass wir nach wie vor sehr große Unsicherheiten dahinter haben, wie im Zeitalter unserer globalen Klimaveränderungen, wo wir wirklich  Verschiebungen unserer Klimabedingungen haben, wie unsere Vegetation in den verschiedenen Regionen der Welt darauf reagiert."

Uwe Rascher berichtet auch, dass der Blick aus dem All eine räumliche Auflösung von 300 mal 300 Metern liefern werde. Bisherige globale Fluoreszenzkarten seien nur auf 50 Kilometer genau. Allerdings müssen die Forscher bis zum Start von FLEX noch ein paar Vorbereitungen treffen und vor allem für ein Netzwerk von Referenzstandorten sorgen. Deshalb haben sie in diesem Sommer in mehreren europäischen Ländern das rote Leuchten von Eichen- und Mischwäldern und von Feldern gemessen, auf denen Zuckerrüben und Maispflanzen wuchsen. Bei diesen Experimenten kam es vor allem auf das Timing an.

Die Methode könnte auch am Boden gute Dienste leisten

"Was wir jetzt dieses Jahr hatten, war eine einmalige Gelegenheit, dass ein bestehender Satellit, der Sentinel 3b, der im März dieses Jahres gestartet wurde, in einer sogenannten Erprobungs- oder Commissioning-Phase teilweise umprogrammiert wurde. Und wir hatten Zugang auf einige Daten, die relevant sind für die Vorbereitung des eigentlichen Satelliten, also des wirklichen Flex-Satelliten. Und da gab’s eben ein paar Wochen Zeitfenster, wo wir dann synchron zu unserem Satellitenflug wirklich alle unsere Doktoranden, alle unsere Messgeräte und die Flugzeuge versucht haben, so zusammen zu führen, dass wir wirklich zeitgleich mit dem Satelliten messen konnten."

Diese Daten werten die Forscher gerade aus. Und sie planen mit ihren internationalen Partnern weitere Messungen, zum Beispiel in tropischen Wäldern und in Savannen. Außerdem wollen sie die Methode für den Einsatz in Bodennähe weiter entwickeln. Denn dann könnten Landwirte vom Trecker oder Drohnen aus schon frühzeitig erkennen, woran und wo genau Pflanzen auf ihrem Acker leiden. Dafür allerdings müssen die zurzeit mindestens zehn Kilogramm schweren Fluoreszenzmessgeräte noch ein bisschen abspecken.

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