Erdbeobachtung

Gesundes Grünzeug leuchtet rot

2022 soll der neue Forschungssatellit FLEX starten und wertvolle Daten zur globalen Pflanzenproduktivität liefern. Sein Herzstück ist ein hochauflösendes Spektrometer, das Pflanzen erkennt, die unter Stress stehen. Bild: ESA/ATG medialab

Der neue Forschungssatellit FLEX wird in einigen Jahren aus dem All erfassen, wie gesund die Pflanzenwelt der Erde ist. Er misst dazu mit hochempfindlichen Sensoren die Intensität der Photosynthese.

Einmal im Monat fährt der Pflanzenforscher Uwe Rascher von seinem Jülicher Institut ins holländische Nordwijk. Dort im Testzentrum der Europäischen Weltraumorganisation ESA entsteht ein Satellit, der im Jahr 2022 in die Erdumlaufbahn gebracht werden soll. Der „Fluorescence Explorer“ – kurz FLEX – wird dann mit sechs Sekunden Abstand hinter dem Sentinel-3-Satelliten der ESA herfliegen. Zusammen sollen sie wertvolle Daten über die Umwelt und den Zustand der globalen Vegetation liefern: Während Sentinel-3 die Umweltzustände wie Temperatur und Feuchtigkeit erfasst, soll FLEX messen, wie die Vegetation darauf reagiert. „Es macht Spaß zu sehen, dass bei jedem Besuch neue Komponenten eingetroffen sind und der Satellit zusehends wächst“, sagt Uwe Rascher, der Leiter des Forschungsbereichs „Shoot Dynamics“ am Forschungszentrum Jülich.

„Ist die Pflanze gestresst und läuft die Photosynthese nicht optimal, verändert sich das Signal.“

Rascher ist Teil der wissenschaftlichen Beratergruppe aus verschiedenen europäischen Ländern, die den Bau des Satelliten begleitet. Die ESA hatte vor zwei Jahren entschieden, sich mit dem FLEX-Satelliten der Fluoreszenzmessung von Pflanzen zu widmen, einem jungen Forschungsfeld, in dem es darum geht, die Photosyntheseleistung sichtbar zu machen. Photosynthese – also die Umwandlung von Licht, Wasser und Kohlendioxid in Zucker, Sauerstoff und andere Stoffe – läuft für den Menschen unsichtbar in den Blättern der Pflanzen ab. Als eine Art Abfallprodukt entsteht ein sogenanntes Fluoreszenzlicht, ein schwaches rotes Leuchten. Die Pflanzen senden im dunklen Spek-tralbereich des Lichts, den sogenannten Fraun- hoferlinien. Mithilfe einer hochempfindlichen Optik, Filtern und elektronischer Verstärkung kann dieses Leuchten sichtbar gemacht werden.

„Vereinfacht kann man sagen: Je mehr Licht die Pflanze einfängt und je mehr Photosynthese sie betreibt, desto intensiver ist das Fluoreszenzsignal“, erläutert Uwe Rascher. „Ist die Pflanze jedoch gestresst und läuft die Photosynthese nicht optimal, verändert sich das Signal.“ Durch diese Änderungen können die Forscher den Effekt von ungünstigen Umweltbedingungen auf Pflanzen direkt messen. „Pflanzen können ja nicht davonlaufen“, sagt Rascher. Folglich haben sie überall und immer wieder mit Bedingungen zu kämpfen, die nicht optimal sind. Sie sind Trockenheit, Hitze, Kälte, Insektenbefall oder schlechten Böden ausgesetzt. „Die Pflanzen habe eine Menge Mechanismen entwickelt, um damit umzugehen“, sagt Rascher, „zumindest für ein Weile.“

Unter anderem bei Trockenheit geraten die Pflanzen aber in Stress und verringern ihre Photosyntheseaktivität. Denn über die Spaltöffnungen an den Unterseiten der Blätter findet ein Austausch mit der Umgebung statt. Die Pflanze nimmt Kohlendioxid auf und gibt Sauerstoff und feinen Wasserdampf ab. Bei Trockenheit verschließt die Pflanze die Öffnungen, um die Verdunstung zu verringern. Damit wird aber auch die CO2-Aufnahme verhindert, was die Photosynthese zum Erliegen bringt. In der Folge wächst die Pflanze nicht mehr weiter. Eine Weile kommt die Pflanze mit dem heruntergefahrenen Stoffwechsel zurecht, irgendwann wirft sie aber ihre Blätter ab und verwelkt.

„Trockenheit, Hitze, Luftverschmutzung, Parasitenbefall oder schlechte Bodenverhältnisse dämpfen die Photosyntheseaktivität von Pflanzen, und dies lässt sich mit unserem Fluoreszenzspektrometer erstmals großflächig abbilden“, erklärt Uwe Rascher. Die neue Methode hat er mit seinem Team bereits erprobt: Mit ihrem Messsystem „HyPlant“ ist es ihnen als Ersten gelungen, die Photosyntheseleistung von Pflanzen zuverlässig zu messen – bislang mit Messungen vom Boden aus sowie mit großflächigen Fernmessungen aus dem Flugzeug. Die Technik dahinter: Das hochauflösende Gerät erkennt Pflanzen, die unter Stress stehen, anhand der Intensität des roten Leuchtens – und das noch bevor das menschliche Auge Veränderungen wahrnimmt. Bislang erkennen Landwirte erst dann, wenn die Pflanzen weniger wachsen, dass ihnen etwas fehlt. Aber zu diesem Zeitpunkt sind Ertragseinbußen kaum noch zu vermeiden.

„Aus dem Orbit werden wir dann in der Lage sein, ein globales Bild zu erhalten.“

Rascher und seine Mitarbeiter haben mit ihrem Messsystem „HyPlant“ in Europa und den USA seit 2012 sowohl bewirtschaftete Agrarflächen als auch natürliche Ökosysteme und Landschaften gemessen. „Aus der Luft ist uns das im lokalen Maßstab gelungen, aus dem Orbit werden wir dann in der Lage sein, ein globales Bild zu erhalten“, erläutert Rascher. Mit einer Auflösung von 300 mal 300 Metern werden in 20-tägigem Abstand Landkarten entstehen, auf denen sichtbar gemacht wird, wie die Vegetation der Erde Photosynthese betreibt. Es geht dem Wissenschaftler dabei nicht nur um eine Hilfestellung für die Landwirtschaft, sondern auch um Aussagen über den Zustand ganzer Ökosysteme. Man kann damit einerseits erkennen, ob bestimmte Nutzpflanzen sich für den Anbau in ausgewählten Gebieten überhaupt eignen. Darüber hinaus lässt sich frühzeitig voraussagen, ob beispielsweise in Afrika großflächige Ernteausfälle wegen Trockenheit oder Insektenbefall drohen. Es können aber auch Erkenntnisse über den Zustand der tropischen Regenwälder, der sibirischen Nadelwälder oder großer Nationalparks gewonnen werden.

Um die globalen Karten zu ergänzen, sollen auch Referenzmessungen am Boden stattfinden. Zum Einsatz kommen dazu die Geräte des Startups JB Hyperspectral Devices, einer Ausgründung des Jülicher Instituts für Pflanzenwissenschaften. Leiter ist Andreas Burkart, der als Doktorand bei Uwe Rascher an der Entwicklung des „HyPlant“-Messsystems beteiligt war. Er hat sich darauf spezialisiert, Messgeräte für die bodengestützte Photosynthesemessung zu bauen. „Während der Satellit alle 20 Tage ein Ergebnis über große Flächen liefert, können unsere Geräte zum einen zeigen, ob die Messungen aus dem Orbit korrekt sind, zum anderen geben sie aber auch Aufschluss darüber, wie es den Pflanzen zwischen den zeitlich punktuellen Messungen aus dem All ergeht“, sagt Andreas Burkart. Mit den Daten aus den Langzeituntersuchungen können die Ergebnisse aus dem All nicht nur bestätigt, sondern auch besser interpretiert werden, ist seine Hoffnung.

Neuer ESA-Satellit FLEX soll Floureszenzsignale erfassen

29.03.2018 , Harald Olkus
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