An nur einem Tag verwandelten zwei Erdhörnchen einen Vulkan

Die Auswirkungen halten Jahrzehnte an.

Am 18. Mai 1980 kam es zu einem plötzlichen Ausbruch des Mount St. Helens im US-Bundesstaat Washington, bei dem 1,5 Millionen Tonnen Schwefeldioxid und 540 Millionen Tonnen Vulkanasche ausgestoßen wurden. Dies war einer der verheerendsten Vulkanausbrüche in der Geschichte der USA .

Mount St. Helens (Bildnachweis: Lyn Topinka, Gemeinfrei, über Wikimedia Commons)

Die hohe Temperatur zerstörte die Vegetation im Umkreis von 10 Kilometern um den Krater direkt; Und weiter entfernt fegten gewaltige Schockwellen über die Erde und machten große Waldflächen dem Erdboden gleich. Bimsstein und Asche breiteten sich Hunderte von Kilometern vom Krater aus und zerstörten mehr als 350 Quadratkilometer Nadelwald und Berglebensräume in den Kaskadenbergen.

Die zerstörerische Kraft dieses Vulkanausbruchs beschränkt sich nicht nur auf die Oberfläche, sondern hat auch tiefgreifende Auswirkungen auf das unterirdische Ökosystem. Die ursprünglich aktiven Bodenmikroorganismen wurden durch die heiße Vulkanasche fast vollständig ausgelöscht. Gleichzeitig versauerte die Vulkanasche den Boden, schädigte die ökologischen Funktionen im Untergrund erheblich und hemmte das Pflanzenwachstum zusätzlich. Auch zwei Jahre nach dem Ausbruch ist das Land noch immer unfruchtbar und es gibt kaum Anzeichen von Leben . Obwohl Vögel gelegentlich Pflanzensamen mitbringen, ist es für die Samen sehr schwierig, in diesem kargen Boden zu wachsen, und man sieht nur vereinzelt Pflanzen.

Die Wissenschaftler Michael F. Allen und James A. MacMahon von der Utah State University stellten die Hypothese auf, dass trotz der Zerstörung der obersten Bodenschicht möglicherweise noch lebende Bakterien und Pilze in den tieferen Schichten des Bodens erhalten geblieben seien, was Hoffnung auf eine Wiederherstellung der Vegetation bieten könnte. Wenn die Fortpflanzungskörper der Pilze jedoch zu lange unter dicker Vulkanasche begraben bleiben, können auch sie absterben. Wie können wir dieses Land retten, bevor es vollständig verschwindet?

Allen und McMahon hatten eine kühne Idee: Könnten sie dazu beitragen, den ökologischen Erholungsprozess des Landes wieder in Gang zu setzen, wenn sie die tief im Boden verbliebenen Bakterien und Pilze an die Oberfläche „ausgraben“ könnten? Also richteten sie ihre Aufmerksamkeit auf ein Tier, das für seine Grabfähigkeiten bekannt ist: die Riesenratte (Thomomys talpoides). Dieses kleine Taschenrattentier ist in Nordamerika heimisch und hat langes braunes Fell. Jeder Erdhörnchen soll bis zu 227 kg Erde pro Monat auflockern.

Nördlicher Taschenratte (Bildnachweis: Henggang Cui, CC0, über Wikimedia Commons)

Um diese Hypothese zu testen, setzten sie einige Erdhörnchen in ein bestimmtes, mit Vulkanasche bedecktes Gebiet und ließen sie einen Tag lang in Ruhe. In einem kürzlich in Frontiers in Microbiomes veröffentlichten Artikel bewerteten sie die langfristigen Auswirkungen des Experiments. Unerwarteterweise hatte dieses eintägige Experiment weitreichende Auswirkungen auf das Land, die Jahrzehnte anhielten .

Die Kraft des Nordischen Ziesels

Im September 1982 und August 1983 betraten Allen und McMahon die Pumice Plain nördlich des Mount St. Helens. Das oberhalb des Spirit Lake gelegene und mit mehr als 20 Metern Vulkanasche bedeckte Gebiet ist karg und ohne Leben; nur vereinzelt wachsen hier Pazifische Lupinen (Lupinus lepidus).

In Pumice Plain und einem anderen durch den Ausbruch dem Erdboden gleichgemachten Gebiet errichteten Allen und McMahon einen Quadratmeter breite Drahtzäune, die jeweils eine Pazifische Lupinenpflanze umschlossen und in denen sie eine vor Ort gefangene Nördliche Gophermaus freiließen. Die beiden Nordamerikanischen Taschenratten waren nur 24 Stunden im Gehege, konnten sich während dieser Zeit frei bewegen und wurden dann entfernt. Überraschenderweise entwickelten die Pazifischen Lupinenpflanzen im Zaun nach einiger Zeit arbuskuläre Mykorrhiza (AM), während die Pflanzen außerhalb des Zauns keine ähnlichen Veränderungen zeigten.

Mykorrhizen sind symbiotische Strukturen, die zwischen Pflanzenwurzeln und Pilzen gebildet werden und für die Wiederherstellung der Vegetation von wesentlicher Bedeutung sind. Da die meisten Pflanzen nicht alle benötigten Nährstoffe und das Wasser selbst aufnehmen können, sind sie auf diese winzigen, aber leistungsstarken Pilzpartner angewiesen. Myzel, das nur wenige Mikrometer groß ist, bildet im Boden ein ausgedehntes Netzwerk und nutzt seine riesige Oberfläche, um Wasser und Nährstoffe aus der Umgebung aufzunehmen und sie den Pflanzen zuzuführen. Gleichzeitig unterstützen diese Symbionten die Pflanzen auch bei der Abwehr von Krankheitserregern im Boden. Im Gegenzug liefern die Pflanzen den Pilzen kohlenstoffhaltige organische Stoffe, die sie zum Wachsen benötigen.

Nördlicher Ziesel im Gehege (Bildquelle: Originalartikel)

Sechs Jahre nach dem Ende des Experiments stellten Allen und McMahon fest, dass die Parzellen, auf denen Erdhörnchen ausgesetzt worden waren, ein völlig anderes Aussehen hatten als die Parzellen, auf denen sie nicht ausgesetzt worden waren. Die Grundstücke, die kurzzeitig von Nordtaschenratten besucht wurden, sind jetzt üppig mit etwa 40.000 Pflanzen bedeckt , was sogar einheimische Nordtaschenrattenpopulationen anlockt und wiederherstellt; Während die Gebiete, in denen keine Erdhörnchen angesiedelt wurden, weiterhin verödet bleiben.

Der Hauptgrund, warum die nördlichen Taschenratten einen so großen Einfluss auf die ökologische Wiederherstellung haben können, ist ihr Grab- und Bodenumbruchverhalten. Durch diese Aktivitäten vermischen sie den tiefen Boden gründlich mit oberflächlicher Vulkanasche und bringen so Pilze, Samen und Insekten an die Oberfläche, die für die Bodenökologie von wesentlicher Bedeutung sind . Darüber hinaus enthält der Kot der Nördlichen Taschenratten auch Pilze, Pilzsporen und Pflanzensamen und ihr Ausscheidungsverhalten bringt Vitalität in das Land.

Darüber hinaus sind die Vulkanaschepartikel groß und die Bodenmischung, die beim Mischen mit tiefer Erde entsteht, weist eine gute Luftdurchlässigkeit auf, was für das Pflanzenwachstum sehr günstig ist. Aus diesem Grund sind Pflanzen, die in dieser Art von Boden wachsen, tendenziell gesünder und üppiger. Dies wurde auch durch Beobachtungen von Allen und anderen bestätigt: Im Gegensatz dazu verdorrten Pflanzen, die in Böden wuchsen, die nicht von Erdhörnchen besucht wurden, häufig und wurden gelb.

Am meisten überraschte Allens Team jedoch die Tatsache, dass die Auswirkungen einer nur 24-stündigen Aktivität der Nördlichen Taschenratten nicht nur auf die ersten paar Jahre beschränkt blieben. Diese Veränderungen hatten nachhaltige Auswirkungen auf die ökologische Umwelt dieses Landes und dauern bis heute an.

Nachhaltige Wirkung

Im Juli 2014 betraten Allen und McMahon erneut dieses vertraute Land und entnahmen Bodenproben in den experimentellen und nicht-experimentellen Bereichen der Pumice Plain. Zum Vergleich gingen sie auch in ein Gebiet namens Bear Meadow unweit der Pumice Plains. Auch dieses Gebiet wurde 1980 von einer dicken Schicht Vulkanasche bedeckt, weist jedoch aus historischen Gründen zwei völlig unterschiedliche Landschaften auf: Ein Teil ist durch Abholzung seit langem in Wiesen verwandelt worden, während im anderen Teil noch uralte Wälder vorhanden sind. Die Forscher sammelten Bodenproben aus beiden Landschaften und schickten sie zusammen mit Proben aus der Bimssteinebene an das Labor zurück, um ihre chemische und mikrobielle Zusammensetzung zu analysieren.

Bei der Analyse der chemischen Zusammensetzung konzentrierten sie sich auf den Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt im Boden. Diese Indikatoren hängen mit dem mikrobiellen Gehalt im Boden zusammen, da Mikroorganismen Ammoniak in organischen Stickstoff umwandeln und im Boden fixieren können. Die Ergebnisse zeigten, dass der Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt des Bodens im Gebiet der Pumice Plain im Allgemeinen niedriger war als im Waldgebiet der Bear Meadow. Allerdings waren die Kohlenstoff- und Stickstoffwerte im Boden des Versuchsgebiets, in dem die Nordamerikanischen Taschenratten eingesetzt worden waren, innerhalb der Bimssteinebene deutlich höher als in dem normalen Gebiet, in dem keine Taschenratten eingesetzt worden waren . Dies bedeutet, dass der Nördliche Ziesel, der vor 40 Jahren nur 24 Stunden dort blieb, diesem Land nachhaltigere Vitalität verlieh.

Eine Karte des Mount St. Helens und der Umgebung, auf der die Standorte von Pumice Plain, Spirit Lake und Bear Meadow zu sehen sind (Bildquelle: Originaldokument)

Die Ergebnisse der DNA-Analyse von Mikroorganismen im Boden zeigten, dass es einen signifikanten Unterschied in der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften im Boden zwischen dem Versuchsgebiet, in dem einst Nordische Taschenratten freigelassen wurden, und dem normalen Gebiet, in dem keine Nordischen Taschenratten freigelassen wurden, gab. Die Bakterien- und Pilzvielfalt im Versuchsgebiet übertraf sogar die des Waldgebietes der Bärenwiese . Insbesondere im Versuchsgebiet nahm die Diversität der arbuskulären Mykorrhiza deutlich zu. Dieses Ergebnis lässt darauf schließen, dass Erdhörnchen nicht nur die chemische Zusammensetzung des Bodens verändern, sondern auch eine Schlüsselrolle bei der langfristigen Abfolge mikrobieller Gemeinschaften spielen.

Diese Studie bestätigt auch erneut die Bedeutung von Mikroorganismen für die ökologische Wiederherstellung. Vor dem Ausbruch im Jahr 1980 war das Waldgebiet von Bear Meadows hauptsächlich von Nadelwäldern aus Kiefern, Fichten und Tannen bedeckt. Durch die Vulkanaschedecke fielen hier zahlreiche Nadeln ab und Wissenschaftler befürchteten einst, der Wald würde ganz verschwinden. Doch überraschenderweise erholten sich die Waldgebiete sehr schnell. In einigen Gebieten begannen die Bäume fast unmittelbar nach der Katastrophe wieder zu wachsen, während abgeholzte Gebiete unfruchtbar blieben. Die Forscher gehen davon aus, dass der Unterschied eng mit den abgeworfenen Nadeln zusammenhängt, die Pilzen im Boden als Nahrung dienen und den Bäumen zu einer schnellen Regeneration verhelfen.

Diese Forschung erinnert uns daran, dass in der Natur alles eng miteinander verbunden ist. Ob es sich nun um mit bloßem Auge sichtbare Pflanzen und Tiere oder um Mikroorganismen handelt, die zu klein sind, um direkt wahrgenommen zu werden, sie könnten zu Schlüsselkräften für die ökologische Wiederherstellung werden.

Verweise

[1]https://www.frontiersin.org/journals/microbiomes/articles/10.3389/frmbi.2024.1399416/full

[2]https://www.tandfonline.com/doi/epdf/10.1080/00275514.1988.12025615

[3]https://www.universityofcalifornia.edu/news/how-gophers-brought-mount-st-helens-back-life-one-day

[4]https://link.springer.com/chapter/10.1007/0-387-28150-9_15

Planung und Produktion

Quelle: Global Science (ID: huanqiukexue)

Autor: Huang Yujia

Herausgeber: Yinuo

Korrekturgelesen von Xu Lai und Lin Lin