Bestimmte Muster können sowohl auf eine erhöhte als auch auf eine verringerte Resilienz von Ökosystemen hinweisen
In Trockengebietsökosystemen führt zunehmender Umweltstress häufig zu einem Wechsel von einer gleichmäßigen Vegetationsdecke hin zu fleckigen Vegetationsmustern. Einige theoretische Studien legen nahe, dass diese räumliche Selbstorganisation der Vegetation Ökosystemen hilft, die Desertifikation zu verzögern oder sogar ganz zu vermeiden. Mithilfe eines neuen theoretischen Rahmens, der bislang vernachlässigte, für die Abbildung der Realität jedoch hochrelevante Parameter berücksichtigt, zeigen Dr. David Pinto-Ramos und Dr. Ricardo Martinez-Garcia vom Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), dass dies im Allgemeinen nicht der Fall ist. Sie argumentieren, dass solche Vegetationsmuster im Gegenteil ein Zeichen verringerter Resilienz sein und den Kollaps von Ökosystemen begünstigen können. Ihre in PNAS veröffentlichte Arbeit (DOI: 10.1073/pnas.2511994123) konzentriert sich auf den Übergang von Trockengebieten zur Wüste, doch der allgemeine Rahmen ermöglicht auch ein besseres Verständnis von Kippprozessen in anderen Ökosystemen.
Ökosysteme – von Korallenriffen über tropische Wälder bis hin zu Trockengebieten – können abrupte und mitunter irreversible Veränderungen durchlaufen, sobald kritische Umweltgrenzwerte überschritten werden. Solche Regimewechsel haben in der Regel tiefgreifende ökologische, soziale und wirtschaftliche Folgen. Die globale Erwärmung und andere menschliche Einflüsse erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Regimewechseln, wodurch es immer dringlicher wird zu verstehen, wie und wann diese Übergänge stattfinden.
Räumliche Dynamiken sind für dieses Verständnis entscheidend. Viele Ökosysteme organisieren sich in charakteristischen räumlichen Mustern, und Fortschritte bei satelliten- und luftgestützten Beobachtungen ermöglichen es Forschenden heute, diese Strukturen besser denn je zu überwachen. Dennoch bleibt es schwierig, allein auf Basis von Beobachtungen zu interpretieren, was solche Muster über die Stabilität von Ökosystemen aussagen, sagt Dr. Martinez-Garcia: „Veränderungen räumlicher Muster erfolgen über mehrere Jahrzehnte und oft über Hunderte von Kilometern. Trotz zunehmender Beobachtungsdaten sind theoretische Modelle daher entscheidend, um zu verstehen, wie räumliche Dynamiken die ökologische Stabilität beeinflussen.“ Martinez-Garcia leitet die Gruppe „Dynamics of Complex Living Systems“ am CASUS, die mathematische, computergestützte und datenanalytische Werkzeuge kombiniert, um die Entstehung ökologischer Muster und Dynamiken über verschiedene Skalen hinweg zu verstehen.
Auf dem Weg zur Wüste – oder vielleicht doch nicht?
Desertifikation ist eines der am umfassendsten untersuchten Beispiele für ökologische Kipppunkte. In ariden Umgebungen, die durch geringe oder keine Niederschläge und generell nahezu keine Wasserverfügbarkeit gekennzeichnet sind, reorganisiert sich die Vegetation bei zunehmendem Umweltstress häufig in streifen- oder fleckenartige Muster. Dieser Zusammenhang zwischen Umweltstress und Musterstruktur deutet darauf hin, dass Muster entstehen, weil Pflanzen die Wassernutzung optimieren. Lange Zeit wurden diese Muster als Reaktion auf zunehmende Aridität betrachtet, die sich unter weniger ariden Bedingungen entweder zurückbilden oder – nach Überschreiten des ökologischen Kipppunkts – vollständig verschwinden, sodass als Ergebnis eine Wüste entsteht. Neuere Studien haben jedoch darauf hingewiesen, dass diese Muster in bestimmten Szenarien auch einen Weg bieten könnten, damit Trockengebiete selbst bei Ariditätsniveaus, die sogar jenseits des Kipppunkts liegen, funktionsfähig bleiben. Das Ergebnis dieser theoretischen Studien: Ökosysteme mit regelmäßigen Vegetationsmustern könnten härteren Bedingungen standhalten und den Kollaps verzögern oder sogar vermeiden.
Zusätzliche Informationen:
Dr. Ricardo Martinez-Garcia
CASUS Young Investigator
Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am HZDR
Pressekontakt:
Dr. Martin Laqua
Referent Kommunikation, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am HZDR
Die Straße von Kouré nach Baboussay in Niger führt durch ein Gebiet mit Tigerbusch-Vegetation. Diese Vegetationsform verdankt ihren Namen dem tigerähnlichen Muster aus abwechselnden Bändern dichter Vegetation (Bäume, Sträucher) und kahlem bzw. unfruchtbarem Boden. Nahe dem Horizont gibt es eine scharfe Grenze zwischen dem Tigerbusch-Gebiet und der sahelischen Ebene mit ihrer spärlichen Vegetation. Quelle: Vincent van Zeijst/Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)
„Die Studien, die das Konzept der Kollapsvermeidung aufbringen, stützen sich auf stark vereinfachte Modelle, die die räumlichen Einschränkungen und Umwelt-Heterogenitäten realer Ökosysteme nicht berücksichtigen“, sagt Dr. Pinto-Ramos, Hauptautor der Studie und Postdoc in der Gruppe von Martinez-Garcia. „Deshalb haben wir uns vorgenommen, diese Lücke zu schließen.“
Keine perfekte räumliche Symmetrie annehmen
Der neue theoretische Rahmen, den das CASUS-Team in PNAS vorstellt, integriert zentrale räumliche Merkmale realer Ökosysteme. Frühere Modelle gingen typischerweise davon aus, dass Ökosysteme unendlich groß und umweltlich homogen sind. Im Gegensatz dazu berücksichtigt das neue Modell die endliche räumliche Ausdehnung bewachsener Gebiete, einschließlich ihrer Grenzflächen zur umgebenden Wüste, sowie Umwelt-Heterogenitäten, die gerichtete Wechselwirkungen zwischen Vegetationsflecken erzeugen können. „Grenzflächen zwischen bewachsenen Regionen und Wüsten sind entscheidend, weil sie den Kollaps eines Ökosystems durch die räumliche Ausbreitung von Desertifikationswellen auslösen können“, erklärt Pinto-Ramos. „Gleichzeitig beeinflussen Landschaftsmerkmale wie Hügel und Senken, wie Wasser nach Niederschlägen verteilt wird. Indem wir die Annahme perfekter räumlicher Symmetrie aufbrechen, erfasst unser Modell wesentliche Prozesse der realen Trockengebietsdynamik.“
Das verbesserte Modell zeigt, dass Vegetationsmuster keine universelle ökologische Bedeutung haben. Stattdessen hängen ihre Implikationen für die Stabilität von Ökosystemen davon ab, wie räumliche Prozesse unter spezifischen Umweltbedingungen wirken. „Wir stellen fest, dass der räumliche Kontext grundlegend verändert, wie Muster zu interpretieren sind“, sagt Martinez-Garcia. „Wenn beispielsweise Umweltgradienten wie Hänge sanft sind, kann gemusterte Vegetation die Widerstandsfähigkeit des Ökosystems gegenüber Dürre erhöhen. Sind diese Gradienten jedoch stark, kann dasselbe Muster stattdessen auf ein erhöhtes Kollapsrisiko hinweisen.“ Für alle, die sich für Desertifikationsprozesse interessieren, ist das hochrelevant: Wenn gemäß der theoretischen Arbeit in einem fleckig gemusterten Trockengebiet starke Umweltgradienten wie steile Hänge oder ein stetiger Wind aus einer Richtung beobachtet werden können, führt bereits eine geringe Zunahme der Aridität schnell zu einem Kollaps hin zur Wüste.
Die vollständige Realität abzubilden, ist das langfristige Ziel
Eine offene Aufgabe für die Zukunft ist es, die Relevanz dieses Desertifikationsmechanismus in der Natur zu quantifizieren. „Wir hoffen, dass unsere Ergebnisse Expertinnen und Experten motivieren, ihre Daten genauer zu betrachten. Wir sind zuversichtlich, dass bislang schwer erklärbare schnelle Desertifikationsereignisse mit einem oder mehreren starken Umweltgradienten in Verbindung gebracht werden können“, sagt Martinez-Garcia. Dennoch sind er und Pinto-Ramos sich bewusst, dass ihr neues Modell die vollständige Realität noch nicht erfasst. Daher arbeiten sie derzeit daran, weitere relevante topografische sowie Wasser- und Winddaten in ihre Modelle zu integrieren. Martinez-Garcia: „Trockengebiete sind äußerst komplexe Systeme. Selbst wenn man sie auf kleinen regionalen Skalen untersucht, gibt es eine Vielzahl von Variablen, die berücksichtigt werden müssen. Angesichts der globalen Veränderungen, vor denen wir stehen, gibt es keine Ausrede: Wir brauchen anspruchsvollere Modelle, die mit unterschiedlichen Datentypen interagieren können, um Desertifikation wirksam zu bekämpfen.“
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Publikation
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)
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Über das Center for Advanced Systems Understanding
CASUS wurde 2019 in Görlitz/Deutschland gegründet und betreibt datenintensive interdisziplinäre Systemforschung in so unterschiedlichen Disziplinen wie Erdsystemforschung, Systembiologie oder Materialforschung. Ziel von CASUS ist es, mit innovativen Methoden aus Mathematik, theoretischer Systemforschung, Simulationen sowie Daten- und Informatik digitale Abbilder komplexer Systeme mit bislang unerreichter Realitätsnähe zu erstellen, um Antworten auf drängende gesellschaftliche Fragen zu geben. Gründungspartner von CASUS sind das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Leipzig (UFZ), das Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden (MPI-CBG), die Technische Universität Dresden (TUD) und die Universität Wrocław (UWr). CASUS, als Institut des HZDR geführt, wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) sowie vom Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus (SMWK) gefördert.
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CASUS Young Investigator
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Dr. Martin Laqua
Referent Kommunikation, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am HZDR