Drei Jahre nach der schlimmsten Dürre seit Beginn der Aufzeichnungen haben Landwirte in Kalifornien Maßnahmen ergriffen, um mit dem Wassermangel fertig zu werden. Einige Landwirte haben neue Brunnen tief unter der Erde gebohrt. Andere lassen Felder brachliegen und warten auf die Dürre, bis wieder genug Wasser da ist, um ihre Ernte zu säen. Wieder andere Landwirte sind zu grüneren, feuchteren Standorten umgezogen.
Wenn die Natur nicht genug Wasser zur Verfügung stellt, nutzen Landwirte ihr Gehirn, ihre Muskeln und jede Menge Technologie, um Lösungen zu finden. So clever diese Lösungen auch erscheinen mögen, nur wenige sind wirklich so neu. Viele Wüstenpflanzen verlassen sich auf ähnliche Strategien, um die Dürre zu besiegen – und das seit Tausenden, wenn nicht Millionen von Jahren.
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In den Wüsten des Südwestens der USA und Nordmexikos haben einheimische Pflanzen erstaunliche Tricks entwickelt, um zu überleben und sogar zu gedeihen. Unglaublich, diese Pflanzen bewältigen routinemäßig bestrafend trockene Bedingungen. Hier können Pflanzen ein Jahr gehen, ohne einen Tropfen Regen zu sehen.
Wie sie es schaffen, hat das Interesse von Wissenschaftlern geweckt. Diese Forscher decken alle Arten von Strategien auf, mit denen Wüstenpflanzen überleben und sich vermehren. Zum Beispiel zählt der Mesquite-Baum darauf, anderswo bessere Bedingungen zu finden. Anstatt sich zu bewegen — was sie nicht alleine kann – verlässt sich diese Pflanze darauf, dass Tiere ihre Samen fressen und sie dann mit ihrem Kot zerstreuen. In der Zwischenzeit arbeitet der Kreosotbusch mit Mikroben im Boden zusammen. Diese Mikroben helfen ihm, den sehr realen Stress des Lebens in einem anhaltend heißen und trockenen Klima zu überleben. Und viele Wildblumen spielen mit ihren Samen auf eine Weise, die ihnen helfen kann, selbst die schlimmste Dürre zu überdauern — und zu übertreffen.
Tief nach Wasser graben
Die Sonora-Wüste befindet sich in Arizona, Kalifornien. und Nordmexiko. Tagsüber Sommertemperaturen oft oben 40 ° Celsius (104 ° Fahrenheit). Die Wüste kühlt im Winter ab. Die Temperaturen in der Nacht können jetzt unter den Gefrierpunkt fallen. Die Wüste ist fast das ganze Jahr über trocken, mit Regenzeiten im Sommer und Winter. Doch selbst wenn der Regen kommt, bekommt die Wüste nicht viel Wasser. Eine Möglichkeit, wie sich diese Pflanzen angepasst haben, besteht darin, sehr tiefe Wurzeln zu schlagen. Diese Wurzeln erschließen Grundwasserquellen weit unter der Erdoberfläche.
Velvet Mesquite (Prosopis velutina) ist ein häufiger Strauch in der Sonora-Wüste. Seine Wurzeln können mehr als 50 Meter (164 Fuß) hinunterfallen. Das ist größer als ein 11-stöckiges Gebäude. Dies kann helfen, den Durst eines ausgewachsenen Mesquite, eines mit Bohnen verwandten Strauchs, zu stillen. Sämlinge müssen jedoch eine andere Lösung finden, wenn sie zu sprießen beginnen.
Bevor ein Samen Wurzeln schlagen kann, muss er an einem guten Ort landen, um zu wachsen. Da Samen nicht laufen können, verlassen sie sich auf andere Methoden, um sich auszubreiten. Eine Möglichkeit ist, den Wind zu reiten. Mesquite verfolgt einen anderen Ansatz.
Jede dieser Pflanzen produziert Hunderte – sogar Tausende – von Samenkapseln. Die Schoten sehen aus wie grüne Bohnen, schmecken aber zuckersüß. Sie sind auch sehr nahrhaft. Tiere (einschließlich Menschen) können getrocknete Mesquite-Schoten essen. Die Samen selbst, die in den süßen Schoten wachsen, sind jedoch steinhart. Wenn Tiere die Hülsen fressen, können viele von ihnen aufgrund der harten Beschichtung der Samen durch Kauen zerquetscht werden. Die harten Samen wandern den ganzen Weg durch den Darm. Schließlich kommen sie auf der anderen Seite heraus, in Kacke. Da Tiere oft unterwegs sind, können sie die Samen überall in der Wüste abwerfen.
Gefressen zu werden hilft dem Mesquite auch auf eine zweite Weise. Die harte Beschichtung der Samen erschwert es auch, dass Wasser in sie eindringt. Und das ist notwendig, damit ein Samen sprießen kann. Aber wenn ein Tier eine Schote frisst, brechen Verdauungssäfte in seinem Darm jetzt den Mantel der Samen ab. Wenn diese Samen schließlich in den Kot des Tieres ausgeschieden werden, sind sie endlich bereit zu wachsen.
Natürlich muss jeder Mesquite-Samen noch an einem guten Ort landen, um gut zu wachsen. Mesquite wächst normalerweise am besten in der Nähe von Bächen oder Arroyos. Arroyos sind trockene Bäche, die sich nach dem Regen für kurze Zeit mit Wasser füllen. Wenn ein Tier zum Bach geht, um etwas zu trinken, und dann in der Nähe sein Geschäft macht, hat der Mesquite-Samen Glück. Der Kot des Tieres versorgt jeden Samen auch mit einer kleinen Packung Dünger, wenn er zu wachsen beginnt.
Wurzeln schlagen
Nachdem ein Tier Mesquite-Samen über die Wüste gestreut hat, sprießen die Samen nicht sofort. Stattdessen warten sie auf Regen – manchmal jahrzehntelang. Sobald genug Regen fällt, sprießen die Samen. Jetzt stehen sie vor einem Rennen gegen die Uhr. Diese Samen müssen schnell tiefe Wurzeln schlagen, bevor das Wasser austrocknet.
Steven R. Archer untersucht, wie das funktioniert. Er ist Ökologe an der University of Arizona in Tucson. Es liegt im Herzen der Sonora-Wüste. „Ich studiere ökologische Systeme, also die Pflanzen und die Tiere und die Böden und das Klima und wie sie alle miteinander interagieren“, erklärt er.
Die Sonora-Wüste bekommt keine langen, anhaltenden Regenfälle, stellt er fest. Der meiste Regen fällt in kurzen kleinen Ausbrüchen. Jeder könnte gerade genug Wasser liefern, um den oberen Zoll (2,5 Zentimeter) Boden zu benetzen. „Aber zu bestimmten Zeiten des Jahres“, bemerkt Archer, „bekommen wir ziemlich viele dieser Wasserpulse.“ Ein Puls ist ein kurzer Regenstoß. Es könnte überall von ein paar Minuten bis zu einer Stunde dauern.
Archer und sein Team wollten sehen, wie zwei Pflanzenarten auf diese Impulse reagieren. Die Experten arbeiteten mit Samt Mesquite und einem verwandten Strauch, Katzenkralle Akazie (Acacia greggii). In Tests haben die Wissenschaftler Samen mit unterschiedlichen Mengen Wasser übergossen. Sie lieferten es in unterschiedlicher Anzahl von Impulsen. Später maßen sie, wie schnell die Samen sprossen und Wurzeln wuchsen.
Ein Sturm, der 2 Zentimeter fällt (0.8 zoll) Regen liefert mehr als genug Wasser, damit Samen eines Mesquite- oder Akazienstrauchs keimen können. So viel Regen kann die oberen 2,5 Zentimeter des Bodens 20 Tage lang nass halten.Dieser Zeitraum ist entscheidend. Jeder Sämling „muss in den ersten Wochen nach dem Keimen eine Wurzel tief genug bekommen, um die lange Trockenzeit zu überstehen, die unweigerlich kommen wird“, erklärt Archer. In der Sonora-Wüste stirbt tatsächlich ein Viertel aller Stauden — Pflanzen, die viele Jahre leben — in den ersten 20 Tagen nach dem Keimen.
In einem Gewächshaus pflanzten die Wissenschaftler Samen von Samtmesquite und Katzenkrallenakazie. Sie tränkten sie dann mit zwischen 5,5 und 10 Zentimeter (2,2 und 3,9 Zoll) Wasser über 16 oder 17 Tage. Am Ende des Experiments maßen die Wissenschaftler das Wachstum der Pflanzen.
Mesquite Samen keimten schnell. Sie sprossen im Durchschnitt nach 4,3 Tagen. Akaziensamen hingegen brauchten 7,3 Tage. Der Mesquite wuchs auch tiefere Wurzeln. Für die Pflanzen, die das meiste Wasser bekamen, wuchsen die Mesquite-Wurzeln auf eine durchschnittliche Tiefe von 34,8 Zentimetern (13,7 Zoll), verglichen mit nur 29.5 zentimeter für die Akazie. Bei beiden Arten wurden die Wurzeln mit jedem zusätzlichen 1 Zentimeter Wasser, das die Pflanzen erhielten, länger. Die Akazie wuchs mehr oberirdisch; Der Mesquite setzte den größten Teil seiner Energie darauf, so schnell wie möglich eine tiefe Wurzel zu züchten.
Eine tiefe Wurzel sehr schnell wachsen zu lassen, hilft, das Überleben eines Mesquiten zu sichern. Eine Studie untersuchte einen anderen Typ, Honig Mesquite (P. glandulosa). Die meisten jungen Pflanzen dieser Art, die ihre ersten zwei Wochen nach der Keimung überlebten, überlebten mindestens zwei Jahre. Diese Studie wurde am 27. Januar 2014 in PLOS ONE veröffentlicht.
Pflanzenfreundliche Bakterien
Eine andere verbreitete Wüstenpflanze — der Kreosotbusch — hat eine andere Überlebensstrategie verfolgt. Es ist überhaupt nicht auf tiefe Wurzeln angewiesen. Dennoch ist die Pflanze ein echter Wüstenüberlebender. Der älteste Kreosotbusch, eine Pflanze in Kalifornien namens King Clone, wird auf 11.700 Jahre geschätzt. Es ist so alt, dass die Menschen, als es zum ersten Mal keimte, gerade erst lernten, wie man farmt. Es ist viel älter als die Pyramiden des alten Ägypten.
Auch bekannt als Larrea tridentata, ist diese Pflanze in großen Gebieten der Sonora- und Mojave-Wüsten (moh-HAA-vee) äußerst verbreitet. (Der Mojave liegt nördlich des Sonora und umfasst Teile von Kalifornien, Arizona, Nevada und Utah.) Die kleinen, öligen Blätter des Kreosotbusches haben einen starken Geruch. Wenn Sie sie berühren, bleiben Ihre Hände klebrig. Wie Mesquite produziert Kreosot Samen, die zu neuen Pflanzen heranwachsen können. Aber diese Pflanze verlässt sich auch auf einen zweiten Weg, um ihre Spezies am Laufen zu halten: Sie klont sich selbst.
Klonen klingt vielleicht wie etwas aus einem Star Wars-Film, aber viele Pflanzen können sich auf diese Weise vermehren. Ein typisches Beispiel ist die Kartoffel. Eine Kartoffel kann in Stücke geschnitten und gepflanzt werden. Solange jedes Stück eine Delle enthält, die als „Auge“ bezeichnet wird, sollte eine neue Kartoffelpflanze wachsen. Es wird neue Kartoffeln produzieren, die genetisch mit der Mutterkartoffel identisch sind.
Nachdem eine neue Kreosotpflanze etwa 90 Jahre lebt, beginnt sie sich selbst zu klonen. Im Gegensatz zu einer Kartoffel wachsen Kreosotbüsche neue Zweige aus ihren Kronen — dem Teil der Pflanze, in dem ihre Wurzeln auf den Stamm treffen. Diese neuen Zweige entwickeln dann ihre eigenen Wurzeln. Diese Wurzeln verankern die neuen Zweige 0,9 bis 4,6 Meter (3 bis 15 Fuß) in den Boden. Schließlich sterben ältere Teile der Pflanze ab. Das neue Wachstum, jetzt verankert in den eigenen Wurzeln, lebt weiter.
Wenn die Pflanze reift, bildet sie einen großen, unregelmäßigen Kreis. In der Mitte verrotten alte und tote Teile der Kreosotpflanze. Neue Klone wachsen und wurzeln im Umkreis.
David Crowley ist Umweltmikrobiologe an der University of California, Riverside. Er untersucht Lebewesen in der Umwelt, die zu klein sind, um sie ohne Mikroskop zu sehen. 2012 wollte er erfahren, wie der King-Klon so lange mit so flachen Wurzeln hätte leben können.
Diese Pflanze „befindet sich in einem Gebiet, in dem es oft ein ganzes Jahr lang nicht regnet“, betont Crowley. „Und doch sitzt diese Pflanze da draußen und überlebt 11.700 Jahre unter extremsten Bedingungen – sandiger Boden, kein Wasser, wenig Nährstoffe verfügbar. Es ist sehr heiß.“ Sein Team wollte nach Bodenbakterien suchen, die das Pflanzenwachstum fördern könnten.
Crowley und sein Team untersuchen, wie Bakterien Pflanzen nützen. Sie entwickelten die Hypothese, dass viele verschiedene Bakterien in der Nähe der Wurzeln von King Clone leben und dass sie dazu beitragen, den alten Kreosotbusch am Leben zu erhalten.
Um das herauszufinden, gruben die Wissenschaftler um King Clones Wurzeln herum. Die Experten identifizierten dann Bakterien, die in diesem Boden leben. Sie taten dies, indem sie die DNA der Keime untersuchten. Die meisten Bakterien waren Arten, die Pflanzen helfen, auf unterschiedliche Weise zu wachsen. Crowley kommt nun zu dem Schluss, dass ein Teil der Gesundheit der Pflanze auf diese „besonders guten Mikroorganismen an ihren Wurzeln“ zurückzuführen ist.“
Einige der Bakterien produzierten Pflanzenwachstumshormone. Ein Hormon ist eine Chemikalie, die Zellen signalisiert und ihnen sagt, wann und wie sie sich entwickeln, wachsen und sterben sollen. Andere Bakterien im Boden können die Keime bekämpfen, die Pflanzen krank machen. Die Wissenschaftler fanden auch Bakterien, die die Reaktion einer Pflanze auf Stress stören.
Salziger Boden, extreme Hitze oder Wassermangel — all dies kann eine Pflanze belasten. Wenn eine Pflanze gestresst ist, kann sie reagieren, indem sie sich selbst die Nachricht sendet, dass „sie aufhören sollte zu wachsen. Es sollte einfach durchhalten und versuchen zu überleben „, bemerkt Crowley.
Pflanzen aktivieren ihr Gewebe, indem sie Ethylen (ETH-uh-leen) -Gas produzieren. Pflanzen machen dieses Hormon auf seltsame Weise. Erstens bilden die Wurzeln einer Pflanze eine Chemikalie namens ACC (kurz für 1-Aminocyclopropan-l-Carbonsäure). Von den Wurzeln gelangt ACC in eine Pflanze, wo es in Ethylengas umgewandelt wird. Aber Bakterien können diesen Prozess unterbrechen, indem sie das ACC konsumieren. Wenn das passiert, bekommt die Pflanze nie ihre eigene Botschaft, um aufzuhören zu wachsen.
Wenn der Stress zu stark wurde — zu wenig Wasser oder sehr, sehr hohe Temperaturen — würde dieses ununterbrochene Wachstum dazu führen, dass die Pflanze stirbt. Wenn der Stress jedoch klein genug ist, überlebt die Pflanze gut, erfuhr Crowleys Team. Es veröffentlichte seine Ergebnisse in der Zeitschrift Microbial Ecology.
Spiel Blumen
Mesquite und Kreosot sind beide Stauden. Das bedeutet, dass diese Sträucher viele Jahre leben. Andere Wüstenpflanzen, darunter viele Wildblumen, sind einjährig. Diese Pflanzen leben ein Jahr. Das lässt ihnen nur eine Chance, Samen zu produzieren, bevor sie sterben.
Stellen Sie sich nun vor, jeder einzelne dieser Samen würde nach einem Regensturm keimen. Wenn eine Trockenperiode folgte und alle kleinen Sämlinge starben, hätte sich die Pflanze nicht vermehrt. In der Tat, wenn das jeder Pflanze ihrer Art passieren würde, würde ihre Art aussterben.
Zum Glück für einige Wildblumen passiert das nicht, beobachtet Jennifer Gremer. Sie ist Ökologe beim U.S. Geological Survey. Vorhin, während Gremer an der University of Arizona in Tucson arbeitete, Sie studierte, wie Wildblumensamen vermeiden, schlechte „Entscheidungen“ zu treffen.“ Manchmal verwenden Leute, die Wetten platzieren, die gleiche Strategie. Bei Pflanzen geht es bei der Strategie jedoch nicht darum, Geld zu gewinnen. Es geht um das Überleben seiner Spezies.
Wetter sichern manchmal eine Wette ab. Das ist ein Weg, um zu versuchen, ihr Risiko zu begrenzen. Zum Beispiel, wenn Sie einen Freund $ 5 gewettet hätten, dass die Kansas City Royals die 2014 World Series gewinnen würden, hätten Sie Ihr ganzes Geld verloren. Um Ihre Wette abzusichern, hätten Sie einen anderen Freund $ 2 wetten können, dass die Royals die World Series verlieren würden. Auf diese Weise, wenn die Royals verloren haben, haben Sie $ 5 verloren, aber $ 2 gewonnen. Das kann immer noch weh getan haben, aber wahrscheinlich nicht so schlimm, als ob Sie alle $ 5 verloren hätten.
Auch die Wildblumen der Sonora-Wüste setzen ihre Wetten ab. Die Wette, die sie absichern, lautet: „Wenn ich dieses Jahr wachse, kann ich mehr Samen produzieren, bevor ich sterbe.“
Stellen Sie sich vor, eine Wüstenwildblume produziert 1.000 Samen, die alle zu Boden fallen. Im ersten Jahr keimen nur 200 Samen. Das ist die Wette. Die anderen 800 Samen sind seine Hecke. Sie lügen nur und warten.
Wenn das erste Jahr sehr regnerisch ist, könnten die 200 Samen eine gute Chance haben, zu Blumen zu wachsen. Jeder wiederum kann mehr Samen produzieren. Wenn das Jahr jedoch sehr trocken ist, sterben viele, wenn nicht die meisten der gekeimten Samen ab. Keiner dieser Samen konnte sich also vermehren. Aber dank der Hecke bekommt die Pflanze eine zweite Chance. Es hat noch 800 weitere Samen im Boden, die jeweils im nächsten Jahr, im Jahr danach oder vielleicht ein Jahrzehnt später wachsen können. Wann immer der Regen kommt.
Hedging hat seine Risiken. Vögel und andere Wüstentiere fressen gerne Samen. Wenn also ein Samen viele Jahre auf dem Wüstenboden sitzt, bevor er wächst, kann er gefressen werden.
Die Wildblumenhecke
Gremer und ihr Team wollten wissen, wie 12 gewöhnliche Wüsten-Einjährige ihre Wetten abgesichert haben. Die Experten zählten aus, welcher Anteil der Samen jedes Jahr keimte. Sie zählten auch, welcher Anteil ungekeimter Samen im Boden überlebte. (Zum Beispiel werden einige Samen von Tieren gefressen.)
Wie es der Zufall wollte, hatte ein anderer Ökologe an der Universität von Arizona, Lawrence Venable, seit 30 Jahren Daten über Wildblumensamen gesammelt. Er und Gremer verwendeten diese Daten für eine neue Studie.
Jedes Jahr probierte Venable Wüstenboden und zählte dann die Samen jeder Blumenart darin. Diese stellten Samen dar, die noch nicht gekeimt waren. Nach jedem Regen zählte sein Team, wie viele zu Sämlingen gekeimt waren. Venable würde dann die Sämlinge für den Rest der Saison beobachten, um zu sehen, ob sie ihre eigenen Samen setzen. Gremer verwendete diese Daten, um zu berechnen, wie viele Samen jedes Jahr keimten und schließlich, wie viele davon letztendlich mehr Samen produzierten.
Sie vermutete, dass, wenn eine Wüstenblumenart sehr gut überleben kann, die meisten ihrer Samen jedes Jahr keimen würden. Und ihr Verdacht erwies sich als richtig.
Sie benutzte Mathematik, um vorherzusagen, wie viele Samen jeder Pflanze jedes Jahr keimen würden, wenn die Pflanze die bestmögliche Überlebensstrategie anwenden würde. Dann verglich sie ihre Vermutungen mit dem, was die Pflanzen wirklich taten. Mit dieser Methode bestätigte sie, dass die Pflanzen ihre Wetten doch abgesichert hatten. Einige Arten haben es besser gemacht als andere. Sie und Venable beschrieben ihre Ergebnisse in der März-Ausgabe 2014 von Ecology Letters.
Filaree (Erodium texanum) hat seine Wetten nur wenig abgesichert. Diese Pflanze produziert „große, leckere Samen“, die Tiere gerne essen, erklärt Gremer. Es ist auch besser als viele andere Wüstenjahrbücher, ohne viel Wasser zu überleben. Jedes Jahr keimen etwa 70 Prozent aller Filaree-Samen. Denn wenn die leckeren Samen im Boden blieben, könnten die Tiere die meisten davon fressen. Wenn die Samen sprießen, haben sie stattdessen gute Überlebenschancen und vermehren sich. Das ist die Hecke dieser Pflanze.
Ein sehr kleiner Verwandter der Sonnenblume geht bei der Absicherung seiner Wetten den umgekehrten Weg. Genannt Kaninchentabak (Evax multicaulis), essen Tiere selten seine sehr kleinen Samen, die wie Pfefferkörner aussehen. Diese Pflanze kann also darauf wetten, dass ihre Samen auf dem Wüstenboden liegen bleiben. Tatsächlich keimen jedes Jahr nur 10 bis 15 Prozent der Samen. Und wenn eine Pflanze es tut — und lange genug in der Wüste überlebt, um Samen zu produzieren -, macht sie viele, viele Samen. In der Tat macht es viel mehr als ein Filaree.
Ein Mangel an Wasser macht es schwierig für Pflanzen zu wachsen. Das ist etwas, was die Landwirte in Kalifornien in den letzten drei Jahren der Dürre nur zu gut gesehen haben. In den Wüsten des Südwestens der Vereinigten Staaten ist Dürre ein fester Bestandteil des Lebens – und doch gedeihen dort immer noch viele Pflanzen. Diese Pflanzen sind erfolgreich, weil sie verschiedene Arten zum Keimen, Wachsen und Vermehren entwickelt haben.
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