COLUMBUS, Ohio – Es scheint, als gäbe es eine positive Seite des steigenden Kohlendioxid-Gehalts in der Atmosphäre. Pflanzen wachsen schneller.
Allerdings ist bei vielen Pflanzenarten Quantität nicht gleich Qualität. Die meisten Pflanzen wachsen schneller, aber sie haben im Durchschnitt mehr Stärke, weniger Protein und weniger wichtige Vitamine in sich, sagt James Metzger, Professor und Vorsitzender des Department of Horticulture and Crop Science im College of Food, Agricultural, and Environmental Sciences (CFAES) der Ohio State University.
Diese Veränderung geschieht, weil der aktuelle Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre 400 Teile pro Million beträgt, fast doppelt so viel wie Mitte des 18. Jahrhunderts, dem Beginn der industriellen Revolution. Und er steigt weiter an, angetrieben durch die Verbrennung von Brennstoffen.
Wenn eine Pflanze Kohlendioxid und Licht aufnimmt, bildet sie zuerst Zucker und Stärke, dann andere Nährstoffe wie Proteine, Fett und Antioxidantien. Obwohl Kohlendioxid für Pflanzen lebensnotwendig ist, kann zu viel Kohlendioxid die Menge an wertvollen Nährstoffen reduzieren, die die Pflanze produziert, einschließlich Eisen, Zink und Vitamin C.
„Der Verlust von Nährstoffen, insbesondere von Proteinen, ist ernst“, sagte Metzger. „Das hilft nicht bei dem Bemühen, dass sich die Menschen ausgewogener ernähren und ihre Ernährung verbessern.“
Tierisches Fleisch und Milchprodukte sind eine wichtige Proteinquelle für den Menschen. Wenn die Tiere also nicht genügend Eiweiß von Pflanzen bekommen, wirkt sich das auf das aus, was sie als Nahrung produzieren können.
Was passiert, ist, dass ein höherer Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre die Menge an Photorespiration reduziert, die bei Pflanzen auftritt. Während der Photorespiration nehmen Pflanzen Sauerstoff aus der Umgebung auf, geben Kohlendioxid ab und produzieren Abfallprodukte wie Glykolsäure, die eine Pflanze nicht verwenden kann. Damit die Pflanze die Glykolsäure in ein Produkt umwandeln kann, das sie verwenden kann, muss sie mehr Photosynthese betreiben, den Prozess, bei dem Pflanzen Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid nutzen, um Glukose zu erzeugen, eine Form von Zucker, die Pflanzen zum Überleben brauchen.
Niedrige Raten der Photorespiration, die durch die höheren Mengen an Kohlendioxid verursacht werden, sind mit einem niedrigen Stresslevel bei Pflanzen verbunden, was ironischerweise nicht gut ist. Denn gestresste Pflanzen reagieren mit der Produktion von Antioxidantien wie den Vitaminen C und E sowie mit einem erhöhten Proteingehalt. Wenn also der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre steigt, gibt es weniger Photorespiration und damit weniger Stress für die Pflanzen. Und der reduzierte Stress bedeutet ein erhöhtes Wachstum, aber zu einem Preis, nämlich einem Rückgang der Nährstoffqualität der Pflanzen.
„Dies wurde bei vielen verschiedenen Pflanzenarten beobachtet“, so Metzger.
Wenn die Pflanze nicht genügend Antioxidantien produziert, ist das nicht nur weniger gesund für die Menschen, die die Pflanze später essen, sondern auch für die Fähigkeit der Pflanze, Krankheiten abzuwehren, so Metzger. Pflanzen können anfälliger für Krankheiten und auch für Insekten werden. Mit weniger Nährstoffen in den Pflanzen müssen die Insekten mehr davon fressen, um den gleichen Nährwert zu erhalten.
Nicht alle Pflanzen reagieren auf den steigenden Kohlendioxidgehalt in gleicher Weise. Einige Nutzpflanzen, darunter Mais und Zuckerrohr, verlieren bei höheren Kohlendioxidwerten nicht an Nährwert. Das liegt daran, dass sich ihr Photosyntheseprozess von dem der meisten anderen Pflanzen unterscheidet.
Auch die Temperatur ist ein Faktor. Je nach Temperatur können Pflanzen unterschiedlich auf hohe Kohlendioxidwerte reagieren. Der steigende Kohlendioxidgehalt, der mehr Photosynthese auslöst, kann das Wachstum einiger Pflanzen behindern, die bei Temperaturen unter 59 Grad Celsius angebaut werden, wie z. B. Winterweizen, sagte Katrina Cornish, Ohio Research Scholar und Stiftungsprofessorin für biobasierte aufstrebende Materialien bei CFAES.
Pflanzen, die bei heißen Wetterbedingungen angebaut werden, können ebenfalls durch erhöhtes Kohlendioxid behindert werden. Bei heißen Temperaturen bleiben viele Pflanzen kühl, indem sie die Poren an der Unterseite ihrer Blätter weit öffnen. Aber in einer Atmosphäre mit hohem Kohlendioxidgehalt öffnen sich die Poren nicht so weit, so dass die Pflanzen nicht in der Lage sind, sich selbst kühl zu halten, sagte Cornish. Das könnte dazu führen, dass „die Pflanzen zu knusprigen Viechern werden und absterben, während sie bei niedrigeren Kohlendioxidwerten in Ordnung waren“, sagte sie.
„Die Pflanzen brauchen Zeit, um sich an den Anstieg des Kohlendioxidgehalts anzupassen.
Kurzfristig kann die zusätzliche Photosynthese, die durch den höheren Kohlendioxidgehalt angeregt wird, zu einem kleinen Zuwachs an Blättern, Stängeln und Trieben führen, die von einer Pflanze produziert werden, aber nicht notwendigerweise zu einem Zuwachs an erntefähigen Pflanzen. Und auf lange Sicht wird es den Pflanzen mehr schaden als nützen, sagte Cornish.
„Es wird einen Kipppunkt geben, und dieser Kipppunkt ist für jede Pflanze anders“, sagte Cornish.
Bei Reispflanzen, die in erhöhtem Kohlendioxid angebaut werden, hat sich bereits gezeigt, dass sie mehr Tiller, also die Stängel und Blätter der Pflanze, aber weniger und kleinere Körner produzieren.
Eine Möglichkeit, um zu verhindern, dass der höhere Kohlendioxidgehalt das Pflanzenwachstum und den Ertrag beeinträchtigt, sei die Kreuzung von Pflanzen und die Genmanipulation, so Metzger. Beides könnte zur Schaffung von Pflanzensorten führen, deren Wachstum und Nährstoffgehalt durch die höheren Mengen an Kohlendioxid in der Umwelt weniger beeinträchtigt werden.
Mehr Forschung ist nötig, um herauszufinden, wie eine Pflanze Antioxidantien produziert, sagte Metzger.
„Ich denke, es ist wichtig, dass wir einige Anstrengungen unternehmen, um wirklich zu verstehen, wie diese biochemischen Pfade kontrolliert werden und wie wir sie ohne schädliche Auswirkungen auf die Pflanze manipulieren können.“