Warum werden manche eingeführten Pflanzenarten invasiv?

Beginnen wir damit, darüber nachzudenken, warum manche Arten invasiv werden. Viele Pflanzen können sich in neue Gebiete ausbreiten und tun dies auch, doch nur 10–20 % werden invasiv. Es gibt eine ganze Reihe von Hypothesen, warum dies so sein könnte; eine davon ist die sogenannte „Novel-Weapons-Hypothese“. Diese Hypothese besagt, dass Arten, die invasiv werden, nicht heimische Arten sind, die in der Lage sind, spezialisierte Metaboliten zu produzieren, die in ihrem neuen Verbreitungsgebiet neu sind. Bei diesen Metaboliten (auch Sekundärstoff genannt) kann es sich beispielsweise um Allelochemikalien und flüchtige organische Verbindungen handeln, die die Bodenchemie verändern und es dem Eindringling erleichtern, zu überleben, indem sie einheimische Arten unter Stress setzen oder sogar abtöten. Einige biochemische Stoffe, zu denen die Metaboliten gehören, können die Fitness invasiver Pflanzen steigern, indem sie Schäden durch Pflanzenfresser oder Krankheitserreger verringern, während sich andere biochemische Stoffe im Boden anreichern und der einheimischen Artenvielfalt Schaden zufügen können. Dennoch erfordert die Produktion kostenintensiver, spezialisierter Metaboliten die Umverteilung der begrenzten Kohlenstoffressourcen der Pflanze weg von Wachstum und Fortpflanzung.

Info: “Was genau sind Metaboliten?”,
fragst du dich vielleicht, und um diese Frage zu beantworten, müssen wir ein wenig in die Biochemie einer Pflanze eintauchen. Pflanzenmetaboliten sind organische Verbindungen, die von Pflanzen produziert werden und eine bestimmte Funktion erfüllen, da sie beispielsweise für das Wachstum und die Entwicklung der Pflanze unerlässlich sind. In wissenschaftlichen Kreisen werden die Begriffe „Metaboliten“ und „Biochemikalien“ oft synonym verwendet. Technisch gesehen sind Metaboliten jedoch eine Untergruppe der Biochemikalien, wobei sich letzterer Begriff auf jede chemische Verbindung bezieht, die in einem lebenden Organismus vorkommt. Metaboliten sind, genauer gesagt, Zwischenprodukte oder Endprodukte des Stoffwechsels – also der chemischen Reaktionen, die im Inneren einer Pflanze ablaufen, um sie am Leben zu erhalten und ihr Wachstum zu gewährleisten.

Pflanzen haben Budgets, genau wie wir

Um sich den Prozess der Ressourcenverteilung in Pflanzen besser vorstellen zu können, stelle dir ein eine Pflanze wie eine Organisation mit begrenztem Budget vor. In unserem Fall ist die „Währung“ Kohlenstoff, und die Pflanze muss „entscheiden“, wie sie ihr begrenztes Budget auf verschiedene Bedürfnisse wie Wachstum, Fortpflanzung oder die Herstellung einfacher, kostengünstiger Verbindungen für ihre Funktionsfähigkeit verteilt. Manche Pflanzen produzieren spezialisierte Metaboliten, die ihnen Vorteile verschaffen, beispielsweise indem sie konkurrierende Pflanzen schädigen und dadurch dominanter werden. Die Fähigkeit, diese Chemikalien zu produzieren, erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass sich eine Pflanze in einem neuen Gebiet ausbreitet und invasiv wird, da die Metaboliten ihr in diesem neuen Verbreitungsgebiet einen Vorteil verschaffen. Die Herstellung dieser Metaboliten ist jedoch kostspielig. Wenn invasive Pflanzen ihr Kohlenstoffbudget dafür aufwenden, diese teuren, spezialisierten Verbindungen herzustellen, um einheimische Pflanzen zu schädigen, bleibt ihnen weniger Kohlenstoff für ihre anderen Bedürfnisse übrig, was zu einem Kompromiss führt. In der Vergangenheit hinderten diese Kompromisse sie daran, sich durchzusetzen.

Heute jedoch, angesichts des vom Menschen verursachten Anstiegs des CO₂-Gehalts in der Atmosphäre, leben Pflanzen in einer mit Kohlenstoff angereicherten Welt, und wissenschaftliche Erkenntnisse deuten darauf hin, dass sie ihre Kohlenstoffverteilungsbudgets erhöht haben. Daher argumentieren Turner und die anderen Autor*innen, dass es Gründe für die Annahme gibt, dass der Anstieg des CO₂-Gehalts ein wesentlicher Treiber für die Ausbreitung von Pflanzen sein könnte.

Der Vorsprung invasiver Arten

Theoretisch sollten alle Pflanzen, ob invasiv oder nicht, von erhöhten CO₂-Konzentrationen profitieren, da ihnen dann mehr Kohlenstoff zur Verfügung steht und sie somit mehr Ressourcen für die Produktion von Biochemikalien einsetzen können. In der Realität haben invasive Pflanzen jedoch den Vorteil, dass die von ihnen produzierten Biochemikalien die einheimische Flora und Fauna stärker beeinflussen können als die von einheimischen Arten produzierten. Daher gehen die Autor*innen davon aus, dass jene exotischen Arten, die wertvolle Biochemikalien produzieren, hypothetisch stärker von höheren CO₂-Konzentrationen profitieren dürften als einheimische Arten und andere exotische Arten, die diese Chemikalien nicht produzieren.

Aber nicht einfach irgendwelche biochemischen Stoffe

Die Eigenschaft, die in diesem Fall die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass exotische Pflanzen invasiv werden, ist die Produktion allelopathischer Substanzen, die die Leistungsfähigkeit einheimischer Pflanzen beeinträchtigen können. Allelopathische Pflanzen setzen Stoffwechselprodukte frei, die gezielt das Wachstum und die Fortpflanzung bestimmter Pflanzenarten hemmen. Vermutlich sind sie mit einem höheren Energieaufwand verbunden als Pflanzen, die diese Substanzen nicht produzieren.

Schauen wir uns diesen Trade-off bei steigendem CO₂ genauer an

Dazu vergleichen wir zwei Pflanzenarten – eine invasive Pflanze, die allelopathische Stoffe produziert, und eine heimische Pflanze, die dies nicht tut.

Historische CO₂-Konzentrationen (niedriger): Bei dem niedrigen CO₂-Gehalt in der Atmosphäre, der in den letzten paar Millionen Jahren herrschte, wäre die Produktion allelopathischer Substanzen für eine Pflanze sehr aufwendig gewesen. Das bedeutete, dass invasive Pflanzen sich nicht wirklich durchsetzen konnten, da die Kosten zu hoch waren; daher blieben sie relativ selten.

Heutige und zukünftige CO₂-Konzentrationen (steigend): Da aufgrund menschlicher Emissionen mehr CO₂ in der Atmosphäre vorhanden ist, kommt es zu einer verstärkten Photosynthese, was dazu führt, dass Pflanzen wachsen und somit ihr Kohlenstoffbudget erhöhen. Die Autor*innen gehen davon aus, dass das höhere Kohlenstoffbudget es invasiven Pflanzen ermöglicht, entweder höher zu wachsen und einheimische Pflanzen zu verdrängen oder mehr Ressourcen für die Produktion sekundärer Stoffwechselprodukte, wie beispielsweise allelopathischer Substanzen, bereitzustellen, die einheimischen Pflanzen schaden. All dies führt dazu, dass invasive Arten einheimischen Arten größeren Schaden zufügen können und letztendlich unter höheren CO₂-Konzentrationen eine potenzielle Dominanz invasiver Arten entsteht.

Willkommen in der Wissenschaft

Eine kurze Zusammenfassung: Erhöhte CO₂-Konzentrationen könnten die Ausbreitung invasiver Pflanzenarten direkt durch die Umleitung von Kohlenstoff in das Wachstum und indirekt durch die Produktion von Biochemikalien begünstigen, wodurch invasive Arten gegenüber einheimischen Arten im Wettbewerb die Oberhand gewinnen könnten. Dies würde zu einer noch stärkeren Ausbreitung invasiver Pflanzenarten führen, verbunden mit größeren Schäden an der einheimischen Artenvielfalt. Das sieht nicht sehr vielversprechend aus … Und wie geht es nun weiter? Vergiss’ nicht, dass es sich hierbei noch um eine Hypothese zur zukünftigen Entwicklung der Ausbreitung invasiver Pflanzenarten handelt. Um ihre Gültigkeit zu überprüfen, müssen Forscher*innen die Hypothese nun experimentell überprüfen.

Wir brauchen eine neue Perspektive auf Invasionen in der Zukunft

In der Forschung zu biologischen Invasionen werden langfristige Umweltveränderungen oft außer Acht gelassen, obwohl steigende CO₂-Konzentrationen das Pflanzenwachstum und die Fitness von Pflanzen in einer Weise beeinflussen können, die zu einer Veränderung der Artenzusammensetzung führt. Zukünftige Forschungsarbeiten müssen diese Mechanismen voneinander trennen und ihre Wechselwirkungen aufklären. Nur dann lassen sich künftige Pflanzeninvasionen genau prognostizieren und entsprechende Maßnahmen zum Schutz der einheimischen Artenvielfalt ergreifen.

Du möchtest mehr darüber erfahren, wie die Autor*innen zu ihrer Hypothese gelangt sind und welche theoretischen Überlegungen dahinterstehen? Dann findest du hier den vollständigen Artikel: Global Change Biology | Environmental Change Journal | Wiley Online Library

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