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In Trockengebieten führt erhöhter Umweltstress häufig zu einer Veränderung der Vegetationsdecke: von einheitlichem Bewuchs hin zu Fleckenmustern. Einige theoretische Studien legen nahe, dass diese räumliche Selbstorganisation der Vegetation Ökosystemen hilft, die Wüstenbildung zu verzögern oder ihr sogar zu entgehen. Doch dies ist nicht generell so. Das zeigen Wissenschaftler des Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am HZDR mit einem neuen Theorieansatz, der bisher vernachlässigte, aber für die Erfassung der tatsächlichen Gegebenheiten relevante Parameter berücksichtigt (PNAS, DOI: 10.1073/pnas.2511994123).
Ökosysteme – von Korallenriffen über Tropenwälder bis hin zu Trockengebieten – können abrupte und mitunter irreversible Veränderungen durchlaufen, sobald kritische Schwellenwerte überschritten werden. Solche Regimewechsel haben meist tiefgreifende ökologische, soziale und wirtschaftliche Folgen. Die globale Erwärmung und andere vom Menschen verursachte Belastungen erhöhen die Wahrscheinlichkeit solcher Regimewechsel, weshalb es immer dringlicher wird, zu verstehen, wie und wann diese Übergänge stattfinden.
Für dieses Verständnis ist die räumliche Dynamik von entscheidender Bedeutung. Viele Ökosysteme organisieren sich in charakteristischen räumlichen Mustern, und dank der Fortschritte bei der Satelliten- und Luftbeobachtung können Forscher*innen diese Strukturen heute besser als je zuvor erfassen. Dennoch bleibt es schwierig, allein anhand von Beobachtungen zu interpretieren, was solche Muster über die Stabilität von Ökosystemen aussagen, sagt Dr. Martinez-Garcia: „Veränderungen in räumlichen Mustern vollziehen sich über mehrere Jahrzehnte hinweg und oft über Hunderte von Kilometern. Trotz der wachsenden Menge an Beobachtungsdaten sind theoretische Modelle der Schlüssel für das Verständnis, wie räumliche Dynamiken die ökologische Stabilität beeinflussen.“ Martinez-Garcia leitet die Gruppe „Dynamik komplexer lebender Systeme“ am CASUS, die mathematische, computergestützte und datenanalytische Werkzeuge kombiniert, um die Entstehung ökologischer Muster und Dynamiken über verschiedene Größenordnungen hinweg zu verstehen.
Auf dem Weg zur Wüste – oder vielleicht doch nicht?
Die Wüstenbildung ist eines der am intensivsten untersuchten Beispiele für ökologische Kipppunkte. In ariden Umgebungen, die durch geringe oder gar keine Niederschläge und allgemein fast keine Wasserverfügbarkeit gekennzeichnet sind, ordnet sich die Vegetation mit zunehmendem Umweltstress häufig in streifen- oder fleckenartigen Mustern neu an. Diese Beziehung zwischen Umweltstress und Musterbildung lässt vermuten, dass diese Muster entstehen, wenn Pflanzen ihre Wassernutzung optimieren. Lange Zeit galten diese Muster als eine Reaktion auf zunehmende Trockenheit. Verschwinden können die Muster auf zwei Wegen: Entweder kehrt die geschlossene Vegetationsdecke unter weniger trockenen Bedingungen zurück oder, nachdem der ökologische Kipppunkt überschritten wurde, die Vegetation verschwindet vollständig und eine Wüste entsteht. Neuere Studien deuteten dann darauf hin, dass diese Muster in bestimmten Szenarien einen Ausweg für Trockengebiete bieten könnten, funktionsfähig zu bleiben – selbst bei Trockenheitsgraden, die jenseits des Kipppunkts liegen. Das Ergebnis dieser theoretischen Modelle: Ökosysteme mit Vegetationsmustern könnten härteren Bedingungen standhalten und einen Zusammenbruch verzögern oder sogar verhindern.
„Die Studien, die das Konzept der Kollapsvermeidung vorbringen, stützen sich auf stark vereinfachte Modelle. Sie berücksichtigen nicht die für reale Ökosysteme charakteristischen räumlichen Einschränkungen und ökologischen Heterogenitäten“, sagt Dr. Pinto-Ramos, Hauptautor der Studie und Postdoktorand in der Gruppe von Martinez-Garcia. „Diese Forschungslücke wollten wir schließen.“
Ausgangslage geändert: keine perfekte räumliche Symmetrie mehr
Der vom CASUS-Team in PNAS vorgestellte theoretische Rahmen berücksichtigt wesentliche räumliche Merkmale realer Ökosysteme. Bisher nahmen Modelle an, dass Ökosysteme unendlich groß und ökologisch homogen seien. Im Gegensatz dazu berücksichtigt das neue Modell die begrenzte räumliche Ausdehnung bewachsener Gebiete, einschließlich ihrer Schnittstellen zur angrenzenden Wüste, sowie ökologische Uneinheitlichkeiten, die zu gerichteten Wechselwirkungen zwischen Vegetationsinseln führen können. „Schnittstellen zwischen bewachsenen Regionen und Wüsten sind entscheidend, da sie durch die räumliche Ausbreitung von Wüstenbildungswellen einen Zusammenbruch des Ökosystems auslösen können“, erklärt Pinto-Ramos. „Gleichzeitig beeinflussen Landschaftsmerkmale wie Hügel und Senken die Wasserverteilung nach Regenfällen. Indem wir keine perfekte räumliche Symmetrie mehr annehmen, erfasst unser Modell wesentliche Prozesse der realen Dynamik in Trockengebieten.“
Das verbesserte Modell zeigt, dass Vegetationsmuster keine allgemeingültige ökologische Bedeutung haben. Vielmehr hängen ihre Auswirkungen auf die Ökosystemstabilität davon ab, wie räumliche Prozesse unter bestimmten Umweltbedingungen ablaufen. „Wir stellen fest, dass der räumliche Kontext die Interpretation dieser Muster grundlegend verändert“, sagt Martinez-Garcia. „Wenn beispielsweise Umweltgradienten wie Hangneigungen sanft verlaufen, kann ein Vegetationsmuster die Widerstandsfähigkeit des Ökosystems gegenüber Dürre erhöhen. Sind diese Gradienten jedoch stark ausgeprägt, kann dasselbe Muster stattdessen auf eine erhöhte Zusammenbruchgefahr hindeuten.“ Wenn, wie aus diesen theoretischen Berechnungen hervorgeht, in einem fleckig strukturierten Trockengebiet starke Umweltgradienten wie steile Hänge oder ein beständiger Wind aus einer Richtung zu beobachten sind, kann bereits eine geringe Zunahme der Trockenheit rasch zu einem Zusammenbruch des Ökosystems und zur Entstehung einer Wüste führen.
Wirklichkeit in ihrer ganzen Fülle einfangen
Eine offene Aufgabe für die Zukunft besteht darin, die Bedeutung dieses Mechanismus der Wüstenbildung in der Natur zu quantifizieren. „Hoffentlich bewegt unser Ergebnis Fachleute dazu, ihre Daten noch einmal unter die Lupe zu nehmen. Wir sind zuversichtlich, dass bisher schwer erklärbare, rasche Wüstenbildungsereignisse mit einem oder mehreren starken Umweltgradienten in Verbindung gebracht werden können“, sagt Martinez-Garcia. Dennoch sind Pinto-Ramos und er sich bewusst, dass ihr neues Modell die Realität noch nicht vollständig erfasst. Daher arbeiten sie derzeit daran, weitere relevante topografische, Wasser- und Winddaten in ihre Modelle zu integrieren. Martinez-Garcia: „Trockengebiete sind äußerst komplexe Systeme. Selbst wenn man sie auf kleinen regionalen Maßstäben untersucht, gibt es eine Vielzahl von Variablen, die berücksichtigt werden müssen. Angesichts der globalen Veränderungen, denen wir gegenüberstehen, gibt es keine Ausrede: Wir brauchen ausgefeiltere Modelle, die mit verschiedenen Arten von Daten interagieren können, um die Wüstenbildung wirksam zu bekämpfen.“
Dr. Ricardo Martinez-Garcia | CASUS-Nachwuchsgruppenleiter
Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am HZDR
E-Mail: r.martinez-garcia@hzdr.de
D. Pinto-Ramos, R. Martinez-Garcia: How spatial patterns can lead to less resilient ecosystems, in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 2026 (DOI: 10.1073/pnas.2511994123)
https://www.casus.science/?page_id=19420
Tigerbuschlandschaft in Niger
Copyright: Vincent van Zeijst/Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler
Biologie, Mathematik, Physik / Astronomie, Umwelt / Ökologie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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