Der sture Baum, der nicht blubbern wollte

Anfang der 1800er Jahre war Alexander von Humboldt durch die Tropen gezogen – berühmter Forscher, begeisterter Naturkundler. Eines Tages stieß er auf etwas Merkwürdiges.

Er hielt ein Blatt ins Wasser und wartete auf die kleinen Sauerstoffbläschen, die normalerweise bei Fotosynthese entstehen. Aber das Blatt tat gar nichts. Kein einziges Bläschen. Dabei schien die Sonne hell vom Himmel. Fast schon eine Unverschämtheit.

Dabei war mit dem Blatt alles in Ordnung. Es nutzte bloß einen anderen Ansatz. Humboldt war zufällig auf einen der raffiniertesten Überlebenstricks der Natur gestoßen – und Forscher entdecken bis heute, wie erstaunlich er wirklich ist.

Nachtschicht für Pflanzen

Die meisten Pflanzen sind Tagarbeiter. Sie fangen Sonnenlicht ein, atmen CO₂ ein und produzieren Sauerstoff – das Standardprogramm der Fotosynthese. Aber es gibt einen Haken: Die kleinen Poren in den Blättern, die sogenannten Spaltöffnungen, lassen nicht nur Kohlendioxid rein. Sie lassen auch Wasser raus. Stellt euch vor, ihr lasst bei einem Sandsturm die Fenster sperrangelweit offen.

Manche Pflanzen haben das Problem aber clever gelöst. Sie warten einfach auf die Nacht.

Diese Gewächse halten ihre Spaltöffnungen tagsüber fest geschlossen, wenn die Hitze am schlimmsten ist. Erst wenn die Temperaturen sinken, öffnen sie sich. Die Pflanze sammelt dann CO₂ und wandelt es über Nacht in einen bestimmten Stoff um – die sogenannte Äpfelsäure. Am nächsten Tag, wenn die Sonne wieder scheint, zapft sie diese Säure an und gewinnt daraus Energie.

Wissenschaftler nennen das CAM-Fotosynthese. Die Abkürzung steht für Crassulacean-Säurestoffwechsel. Benannt nach der Crassula-Pflanzenfamilie. Warum Pflanzen immer die langweiligen Namen abbekommen, ist mir auch schleierhaft.

Eine Familie von Musterschülern

Und jetzt wird es richtig spannend. Ein Forscherteam von der Universität Wien hat sich die CAM-Fotosynthese bei einer bestimmten Gruppe tropischer Bäume angeschaut – den Clusia-Gewächsen. Was sie fanden, war bemerkenswert.

Die Gattung Clusia umfasst die einzigen bekannten Bäume weltweit, die CAM nutzen. Das allein wäre schon besonders genug. Aber es kommt noch besser: Die verschiedenen Clusia-Arten setzen CAM nicht alle gleich ein. Manche machen es voll und ganz. Andere schalten nur dann in den Nachtmodus, wenn es stressig wird. Und wieder andere machen eine Art Mischmasch daraus.

Stellt es euch so vor: Alle Familienmitglieder sprechen dieselbe Sprache, aber mit völlig unterschiedlichen Dialekten.

Die Forscher wollten verstehen, warum das so ist. Also machten sie etwas Cooles: Sie analysierten und verglichen die Erbsubstanz von drei Clusia-Arten mit unterschiedlichen CAM-Strategien.

Copy-Paste der Evolution

Was sie entdeckten, ist aus evolutionärer Sicht faszinierend.

Alle drei Arten erwiesen sich als uralte Polyploide – das heißt, irgendwann in der langen Vergangenheit wurde das gesamte Erbgut verdoppelt. Stellt euch vor, ihr kopiert euer ganzes Kochbuch und dann nochmal. Plötzlich habt ihr doppelt so viel genetisches Material zum Arbeiten.

Aber das ist noch nicht alles. Die zusätzlichen Genkopien sitzen nicht einfach untätig herum. Über Jahrmillionen wurden diese verdoppelten Genome umgebaut, ausgedünnt und neu verdrahtet. Manche Genkopien gingen komplett verloren. Andere wurden abgeschaltet. Und manche übernahmen völlig neue Aufgaben.

„Die Genome haben sich nicht einfach vervielfacht; über Jahrmillionen wurden sie umorganisiert, reduziert und funktionell neu verdrahtet", erklärte Studienleiter Wolfram Weckwerth.

Diese genetische Bastelei ist der Grund, warum verschiedene Clusia-Arten ihre ganz eigenen CAM-Varianten entwickeln konnten. Die Natur hat CAM nicht einmal erfunden und dann verteilt – sie hat es innerhalb dieser einen Gattung immer wieder neu erfunden.

Drei Bäume, drei Strategien

Um zu verstehen, was diese genetischen Unterschiede in der Praxis bedeuten, zogen die Forscher die Bäume unter Gewächshausbedingungen auf, die ihre natürliche Umgebung nachahmten, und beobachteten sie über Tag und Nacht hinweg.

Das fanden sie heraus:

Clusia rosea ist der Streber unter ihnen. Sie macht voll bei CAM mit, speichert jede Nacht gewaltige Mengen CO₂ als Äpfelsäure. Dieser Baum hat sich offensichtlich entschieden: Wassersparen hat Priorität, egal was kommt.

Clusia minor ist eher der abwartende Typ. Meistens nutzt sie normale Fotosynthese. Aber wenn es stressig wird – Trockenheit, grelles Sonnenlicht – schaltet sie auf CAM um. Intelligente Budgetplanung.

Clusia major fährt den Mittelweg. Sie nutzt beide Strategien und wechselt je nach Bedingung. Im Grunde das Schweiz unter den dreien – neutral und ausgewogen.

Diese unterschiedlichen Verhaltensweisen waren nicht nur beobachtbar, sondern auch in der Genaktivität und im Stoffwechsel der Bäume sichtbar. Die Forscher konnten buchstäblich sehen, wie die genetischen Veränderungen mit dem Alltagsverhalten der Pflanzen zusammenhingen.

Warum sollte uns das interessieren?

Klar, wir haben hier ein paar tropische Bäume mit netten Wasserspar-Tricks. Aber warum sollte uns das kümmern?

Hier kommt das große Bild ins Spiel: CAM-Pflanzen brauchen dramatisch weniger Wasser als normale Pflanzen. Und zwar richtig viel weniger. Während eine typische Nutzpflanze ständig trinken muss, kommt eine CAM-Pflanze mit einem Bruchteil davon aus.

In einer Welt, in der der Klimawandel mehr Dürren, mehr Hitzewellen und mehr Wassermangel bringt, ist das ein ziemlich wertvolles Merkmal.

Die neuen genomischen Daten aus dieser Studie könnten Forschern helfen herauszufinden, welche genauen Stoffwechselprozesse CAM-Pflanzen so wassereffizient machen. Vielleicht können Wissenschaftler eines Tages neue Nutzpflanzensorten entwickeln, die mit trockenen Bedingungen klarkommen – Bedingungen, die in vielen Anbauregionen immer häufiger werden.

Ein langfristiges Ziel, sicher. Aber manchmal kann uns das Verständnis dafür, wie die Natur ein Problem vor Millionen Jahren gelöst hat, die Blaupause liefern, um unser eigenes Problem anzugehen.

Das Fazit

Pflanzen sind anpassungsfähiger, als wir ihnen oft zutrauen. Wenn die Bedingungen hart werden, wird die Evolution kreativ. Die Clusia-Bäume haben es geschafft, ihren gesamten Tagesablauf umzukrempeln – im Grunde eine Nachtschicht einzulegen –, um Wasser zu sparen und zu überleben.

Und jetzt, da wir verstehen, wie sie diese Fähigkeit entwickelt haben, könnten wir vielleicht auch unseren Nutzpflanzen unter die Arme greifen.

Also, wenn ihr das nächste Mal eine Pflanze seht, die friedlich im Sonnenlicht daliegt: Manche von ihnen erledigen ihre echte Arbeit erst, wenn es dunkel wird. Und ehrlich gesagt? Das ist ziemlich nachvollziehbar.