Bei einer Wanderung durch das Death Valley, ein Wüstenbecken in Kalifornien und Teilen Nevadas, erwartet Sie garantiert eine Landschaft voller farbenprächtiger geologischer Formationen.
Der Ort ist aber auch dafür bekannt, der tiefstgelegene, trockenste und heißeste Ort Nordamerikas zu sein.
Mit «am heißesten» ist nicht nur gemeint, dass die durchschnittliche Tagestemperatur im Sommer 49 °C (120 °F) erreicht, sondern dass sie Berichten zufolge auch schon bis zu 56,7 °C (134,1 °F) angestiegen ist.
Es ist daher nicht verwunderlich, dass weite Teile des Parks völlig frei von Vegetation sind.
Eine Pflanzenart hat sich jedoch besonders gut an diese rauen Bedingungen angepasst: Tidestromia oblongifolia ( auch bekannt als Arizona-Honiggras ) , eine strauchartige, einheimische Blütenpflanze.
Wenn man sich Organismen vorstellt, die in extremer Hitze gedeihen, denkt man wahrscheinlich an Mikroben, die in heißen Quellen oder Tiefsee-Hydrothermalquellen leben. Komplexe Pflanzen und Tiere hingegen weisen deutlich mehr bewegliche Teile auf, die koordiniert werden müssen, was das Überleben in extremer Hitze wesentlich erschwert.
Eine neue Preprint-Studie hat ergeben, dass der Schlüssel zur Fähigkeit dieser Pflanze, bei sehr hohen Temperaturen zu überleben, darin besteht, dass die Honigpflanze ihre Blätter deutlich, weit unter die Umgebungslufttemperatur, abkühlen kann.
Es kühlt so effizient, dass es Temperaturen standhält, die sich der oberen Grenze der tolerierbaren Belastung für komplexe Lebensformen annähern, nämlich 60 °C (140 °F).
Um zu verstehen, wie diese Pflanze mit ihren Bedingungen zurechtkommt, sammelten die Forscher Samen von 223 Wildpflanzen aus dem gesamten Verbreitungsgebiet der Art, darunter auch Populationen aus dem Death Valley selbst.
Anschließend unterzogen sie mehr als 1.200 Sämlinge einem extremen Hitzeregime und gewöhnten sie allmählich daran, bevor sie sie über eine Woche lang täglich sechs bis acht Stunden lang Temperaturen von 60 °C aussetzten.
Nicht alle Pflanzen überlebten. Je nach genetischer Linie lagen die Überlebensraten zwischen knapp 2 Prozent und über 34 Prozent, was darauf hindeutet, dass manche Individuen besser an extreme Hitze angepasst sind als andere.
Anlage T. oblongifolia , wächst im Death Valley in Kalifornien und wurde im Rahmen einer früheren Studie über die Pflanze fotografiert. (Karin Prado)
Mithilfe von Infrarotkameras stellten die Forscher fest, dass an den heißesten Tagen die Temperatur einiger Blätter mehr als 10°C niedriger war als die Umgebungslufttemperatur, und in extremen Fällen erreichte der Unterschied sogar unglaubliche 13°C.
Selbst nach acht Tagen ununterbrochener Einwirkung von 60 °C hielten die überlebenden Pflanzen Blatttemperaturen zwischen etwa 54 °C und 59 °C aufrecht – immer noch unglaublich hoch, aber knapp unterhalb der vermuteten oberen Temperaturgrenze für komplexe eukaryotische Organismen. Wie gut sich die Pflanzen kühlten, könnte über Leben und Tod entscheiden.
Der Kern dieser Studie bestand darin zu zeigen, dass diese Pflanze nicht nur höhere Temperaturen als andere Pflanzen tolerieren kann, sondern diese auch durch aktive Kühlung vermeiden kann.
Andere Studien legen nahe, dass die Hitzeanpassung durch Wechselwirkungen zwischen Mitochondrien und Chloroplasten vermittelt wird, wodurch sich die Form der Chloroplasten verändert.
Durch eine eingehendere Studie versuchte das Team, den biologischen Mechanismus dieses leistungsstarken Kühlsystems aufzuklären.
Die Analyse des gesamten Genoms identifizierte drei DNA-Regionen, die mit dem Überleben bei hohen Temperaturen in Zusammenhang stehen, was auf eine genetische Grundlage dieser Fähigkeit hindeutet. Weitere Tests zeigten deutliche Unterschiede zwischen Blättern, die kühleren Temperaturen ausgesetzt waren, und solchen, die höheren Temperaturen ausgesetzt waren.
Pflanzen mit kühleren Blättern aktivierten Mechanismen, die die porösen Blattoberflächen, die sogenannten Stomata, offen halten. Durch diese winzigen Öffnungen kann Wasser von der Blattoberfläche verdunsten, wodurch der gleiche Kühleffekt entsteht wie beim Verdunsten von Schweiß auf der menschlichen Haut.
Um zu testen, ob dieser Kühlmechanismus tatsächlich für das Überleben verantwortlich war, schlossen die Forscher die Stomata künstlich.
«Wir haben festgestellt, dass das erzwungene Schließen der Stomata (Poren auf dem Pflanzenblatt) die Kälteeinwirkung verhindert», sagte Joanna Feehan, Erstautorin der Studie und Wissenschaftlerin am Plant Sustainability Institute in Michigan, gegenüber ScienceAlert.
«Die Transpiration erfolgt teilweise durch Verdunstung über die Stomata, daher wissen wir, dass dies ein wichtiger Teil ihres Kühlmechanismus ist.».
Während die Forscher allmählich den Mechanismus verstehen, bleibt es ein Rätsel, woher das für diese signifikante Verdunstungskühlung benötigte Wasser stammt.
Die meisten Wüstenpflanzen speichern Wasser, anstatt es zu verdunsten. Im Gegensatz zu vielen Wüstenarten ist das Honiggras nicht besonders trockenheitsresistent und kann kein Wasser speichern; es ist stattdessen auf das Grundwasser unter den Böden des Death Valley angewiesen.
Feehan hat eine Hypothese.
«Wir glauben, dass Gezeitenstromia, »Wahrscheinlich ein sehr gutes Wurzelsystem, das Wasser aufnehmen kann, eine spezielle Hydraulik, die eine effiziente Wasserbewegung in der gesamten Pflanze ermöglicht, und eine Salz-/Zucker-/Proteinzusammensetzung in den Zellen, die diese während der Transpiration zur Kühlung hydratisiert hält“, sagte sie.
Die Studie, die noch nicht von Fachkollegen begutachtet wurde, weist zudem wichtige Einschränkungen auf. Die Experimente wurden an jungen Sämlingen durchgeführt, die unter kontrollierten Bedingungen mit ausreichend Wasser aufgezogen wurden, nicht an ausgewachsenen Pflanzen, die an die vielfältigen Herausforderungen der Wüste angepasst sind.
Die Forscher identifizierten außerdem nur drei große genetische Regionen, die mit Hitzetoleranz in Verbindung stehen. Daher sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die spezifischen verantwortlichen Gene zu ermitteln.
Siehe auch: Nach rekordverdächtigen Regenfällen ist im Death Valley ein Gletschersee wieder aufgetaucht.
Doch damit Sie nicht denken, dies sei nur eine lustige Geschichte, sei darauf hingewiesen, dass diese Arbeit direkte Auswirkungen auf jeden haben kann, der Lebensmittel isst.
«Wir brechen globale Temperaturrekorde, und die Ernteerträge sind durch die steigenden Temperaturen sehr stark gefährdet», sagte Feehan.
« Gezeitenstrom »Sie hat gelernt, bei Temperaturen zu überleben, die für Pflanzen, Tiere und Pilze tödlich sind. Wenn wir diese Überlebensmechanismen erforschen können, werden wir über mehr und wahrscheinlich sehr einzigartige Werkzeuge verfügen, um die Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen gegenüber extremer Hitze zu erhöhen.“.
Der vollständige Text der Studie ist auf BioRxiv zu finden.
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