Brände und die Regeneration eines Ökosystems

Hohe Temperaturen und lange Dürreperioden begünstigen Waldbrände, die Ökosysteme negativ verändern, aber auch zu deren Regeneration führen können. Die Auswirkung von Bränden auf den Pflanzenbestand eines Ökosystems hängt in erster Linie von der Intensität und Dauer des Feuers selbst ab, aber auch von der Temperatur, die erreicht wird, und den chemischen Umwandlungen, die das Feuer am Boden verursachen kann. Einige Pflanzen, die in Gebieten mit hoher Feuerhäufigkeit vorkommen, zum Beispiel in mediterranen Gebieten, haben adaptive Eigenschaften entwickelt, die direkt vom Feuer beeinflusst werden. Eines dieser Merkmale ist das Brechen der Samenruhe, was zur Regeneration des betroffenen Gebiets führen kann.

In feuergefährdeten Ökosystemen weisen Pflanzenarten verschiedene Eigenschaften auf, um mit diesen wiederkehrenden Ereignissen zurechtzukommen, z. B. solche, die mit Wachstum und der Stimulierung der Samenkeimung zusammenhängen. Diese anpassungsfähigen Eigenschaften haben sich entwickelt, weil sie die so genannte Fitness, d. h. das Überleben und den Fortpflanzungserfolg eines Individuums, erhöhen. Insbesondere das Feuer kann durch seine Hitze oder durch die freigesetzten Chemikalien die Samenruhe durchbrechen.

Der Boden ist reich an schlafenden Samen, d.h. Samen in einem Zustand, in dem sie nicht keimen und einen neuen Keimling hervorbringen können, da optimale Feuchtigkeits-, Sauerstoff- und Lichtbedingungen für die Keimung und Etablierung erforderlich sind. Dank dieser adaptiven Eigenschaft verbleiben die Samen im Boden, entweder für einige Monate oder bis zu vielen Jahrzehnten, als eine veritable persistente Samenbank, die auf das Eintreffen idealer Bedingungen wartet.Außenreize, die mit günstigen Bedingungen verbunden sind, führen zur Unterbrechung der Keimruhe, so auch bei der Keimung nach einem Brand, die durch verschiedene Mechanismen ausgelöst werden kann, unter anderem durch die Wärme und den Rauch des Feuers, die die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Etablierung erhöhen.

In feuergefährdeten mediterranen Ökosystemen hat sich gezeigt, dass der Hitzeschock, der durch das zerstörerische Feuer verursacht wird, die Keimruhe der Samen durchbricht und die Keimung auslöst; man spricht sogar von hitzestimulierter Keimung. Der Hitzeschock kann die Keimung auf zwei Arten fördern: durch das Aufbrechen der physischen Keimruhe oder durch die Erhöhung der Wasserdurchlässigkeit der Samen. Im ersten Fall sind die Samen mit einer Hülle bedeckt, einer Art undurchlässiger Barriere zum Schutz des Samens, die aufgebrochen werden kann und so das Eindringen von Wasser in das Innere des Samens ermöglicht. Andere Samen hingegen sind mantelfrei, und die hohe Temperatur kann sie wasserdurchlässiger machen. Ist das Wasser erst einmal in das Innere des Samens eingedrungen, begünstigt es dessen Keimung.

Ein weiterer Auslöser für das Aufbrechen der Keimruhe ist der Rauch. Mit Rauch ist eine Reihe von chemischen Verbindungen, Asche und verkohltem Holz gemeint, die nicht nur die Keimung anregen, sondern auch das Wachstum neuer Keimlinge fördern können. Bei diesen aus der Pyrolyse von Biomasse stammenden Verbindungen handelt es sich um organische oder anorganische Nebenprodukte, die, wenn sie flüchtig sind, in die Luft diffundieren oder nach Regen durch den Boden sickern können, wo sie die Samen erreichen können. Chemische Verbindungen im Rauch können sich als Kofaktoren bestimmter Proteine in ruhenden Samen verhalten und so die Aktivität dieser Makromoleküle erhöhen. Beispiele dafür sind hydrolytische Enzyme, die für das Aufbrechen der Samenruhe verantwortlich sind. Andere Verbindungen hingegen können die Wasseraufnahme erhöhen.

Das Feuer unterbricht nicht nur die physikalische Ruhephase oder erhöht die Wasseraufnahme der Samen, sondern schafft gleichzeitig offene Wasserscheiden in der Vegetation, wo der Boden kahl ist. Durch die effektive Beseitigung der Streu können auf den neu entstandenen Flächen Pflanzen wachsen, die sich vorher nicht etablieren konnten. Diese neuen Öffnungen sind reich an Nährstoffen und eignen sich für die Keimung. Darüber hinaus können Brände, vor allem wenn sie wiederholt auftreten, die hitzetolerantesten Samen für die Regeneration in dem betroffenen Gebiet selektieren. So entstehen in hochentzündlichen Ökosystemen ideale Bedingungen, in denen die Samen bei geeigneten hydrothermalen Bedingungen, wie beim ersten Regen nach dem Brand, genau in den neu entstandenen Lücken keimen können.

Die Samen vieler Pflanzenarten mit feuerausgelöster Dormanz besitzen fleischige, fettreiche Anhängsel, um die Verbreitung, insbesondere durch Ameisen, zu erleichtern. Diese Strukturen dienen dem Samen gerade dazu, diese Tiere anzulocken, die sie als Futter für ihre Larven verwenden. Indem sie die Samen zum Nest bringen, vergraben die Ameisen die Samen und platzieren sie in einer Tiefe, in der die Konzentration von Wärme und/oder Rauch günstig ist, um die Keimruhe der Samen zu brechen und ihre Keimung zu fördern. Ameisen fungieren also, wie die Studie von Lengyel et al. aus dem Jahr 2010 nahelegt, als Ausbreitungsmittel, ohne die Samen zu beschädigen, und fördern so indirekt die Regeneration von Ökosystemen nach einem katastrophalen Ereignis wie einem Brand.

In grasbewachsenen Ökosystemen, die häufig und intensiv von Bränden heimgesucht werden, wie z. B. Savannen, sind Samenruhe und feuerbedingte Samenverluste weniger häufig. Allerdings sind die Keimungsraten unter normalen Bedingungen und nach Bränden in Savannen zwei Mal schneller als in mediterranen Ökosystemen. Diese Ökosysteme und die Wechselwirkung mit dem Feuer wurden vor kurzem untersucht, und bisher ist bekannt, dass die Samen in diesen Gebieten das Feuer tolerieren, aber die durch das Feuer ausgelöste Feuerruhe beträgt im Durchschnitt nur 23 %, wie Pausas und Lamont berichten. Es wurden mehrere Gründe für eine unterschiedliche Anpassung in diesen Ökosystemen postuliert, darunter: Die meisten mehrjährigen Pflanzen in Savannen werden feuertolerant, bevor sie ihre Reife erreichen, was zu einem verringerten Selektionsdruck auf die Samen führt; zweitens begrenzt eine so hohe Feuerhäufigkeit das Vergraben der Samen und die Entwicklung eines Mechanismus für Dormanz, Bruch und Keimung.

Brände sind je nach Häufigkeit und Intensität ein wichtiger Faktor für die Entwicklung und Aufrechterhaltung verschiedener Arten der Samenruhe in vielen natürlichen Ökosystemen der Welt. Auf diese Weise ermöglichen sie die Regeneration ganzer Ökosysteme, die periodischen Bränden ausgesetzt sind und dank dieser evolutionären Anpassungen weiter bestehen können. Die immer stärker werdenden menschlichen Einflüsse verändern jedoch die Mechanismen zur Unterbrechung der Samenruhe bei vielen Pflanzenarten, wodurch sich die Rolle des Feuers und die natürlichen Gleichgewichte verändern.