In einigen der trockensten Regionen der Erde ist die scheinbar unscheinbare, dunkle Kruste an der Oberfläche in Wirklichkeit ein hochentwickeltes Mikroökosystem. Sie besteht aus Moos, Pilzen, Bakterien, Algen und mikroskopisch kleinen Tieren und wird als „biologische Bodenkruste“ bezeichnet. Sie spielt eine Schlüsselrolle bei der Bindung von Nährstoffen, der Stabilisierung des Bodens und der Verhinderung von Winderosion.
Moss ist eines der „tragendsten“ Mitglieder dieser Gemeinschaft. Sie können völlig austrocknen und tot aussehen, können sich aber nach einem kurzen Regenfall schnell wieder erholen; Einige Arten können sich an kahlen Felsen festsetzen und bei hohen Temperaturen und langfristigem Wassermangel überleben. Diese hartnäckige Eigenschaft hat Wissenschaftler sogar zu der Annahme veranlasst, dass Moose den Menschen in Zukunft dabei helfen könnten, Lebenserhaltungssysteme in extremen außerirdischen Umgebungen aufrechtzuerhalten.
Ein Forschungsteam der University of California, Riverside, schlug kürzlich vor, dass die außerordentliche Überlebensfähigkeit von Wüstenmoos auf einen „versteckten Helfer“ zurückzuführen sein könnte – Pilze, die im Moosgewebe leben. Die in der botanischen Fachzeitschrift New Phytologist veröffentlichten Beweise deuten auf eine symbiotische Beziehung hin, die noch nie zuvor offiziell bei Moosen dokumentiert wurde.
Sollte sich diese Entdeckung schließlich weiter bestätigen, könnte sie nicht nur eine seit langem bestehende Grundhypothese über die Moosbiologie zunichte machen, sondern den Wissenschaftlern möglicherweise auch ein neues Beobachtungsfenster eröffnen, um den Wendepunkt in der Erdgeschichte vor etwa 470 Millionen Jahren, als Pflanzen erstmals in großem Maßstab auf dem Land landeten, erneut zu untersuchen.
Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass mehr als 80 % der Landpflanzen nicht alleine arbeiten, sondern eine stillschweigende Partnerschaft mit Pilzen eingehen: Pilze helfen Pflanzen dabei, mineralische Nährstoffe aus dem Boden zu gewinnen, und Pflanzen geben den Pilzen durch Photosynthese produzierte Zucker zurück. Eine der kritischsten ist die Pilzgruppe der „arbuskulären Mykorrhizapilze“ (AMF), die auf Pflanzenwurzeln winzige, verzweigte Strukturen bilden, die als Schnittstellen für den Nährstoffaustausch dienen.
Allerdings galten Moose lange Zeit als „Ausnahme“ von diesem Muster. Im Gegensatz zu Angiospermen, Holzpflanzen und den meisten Nutzpflanzen fehlt Moosen ein echtes Wurzelsystem, und die wissenschaftliche Gemeinschaft geht seit langem davon aus, dass es unter den etwa 10.000 bekannten Moosarten keine ähnlichen Mykorrhiza-Pilzpartner gibt.
„Das war das Grundmodell in den Lehrbüchern.“ Der Co-Autor der Studie, Jason Stajic, Professor für Mikrobiologie und Pflanzenpathologie an der University of California, Riverside, wies darauf hin, dass Moose nach traditioneller Auffassung offenbar nicht auf Pilze angewiesen sind, um zu überleben.
Um diese „vorgefasste“ Hypothese zu testen, reiste Gene Kelly, ein Doktorand der Schule, in die Mojave- und Sonora-Wüste, um Feldproben zu nehmen. Die Tagestemperaturen in diesen Gebieten überschreiten oft 38 Grad Celsius, was sie sowohl zu rauen natürlichen Versuchsstandorten als auch zu idealen Standorten für die Beobachtung von Überlebensstrategien in extremen Umgebungen macht.
Kelly hat für seine Forschung gezielt Moose in biologischen Bodenkrusten ausgewählt. Diese Art von Kruste wird oft als „lebende Kruste der Wüste“ bezeichnet. Es unterstützt nicht nur das Funktionieren trockener Ökosysteme, sondern ist auch äußerst fragil. Oftmals kann ein einziger Fußabdruck oder ein Reifenschaden die Wiederherstellung über Jahrzehnte hinweg verhindern.
Während des Sammlungsprozesses versuchte Kelly auch, Moosgemeinschaften unter verschiedenen Klimabedingungen zu vergleichen. „Manchmal hat es lange gedauert und es war schwierig, die gleiche Moosart in einer anderen Umgebung zu finden.“ Er erinnerte sich daran, wiederholt unter extrem hohen Temperaturbedingungen nach vergleichbaren Proben zwischen trockenen und relativ feuchten Gebieten gesucht zu haben.
Die Kernfrage des Forscherteams lautet: Gibt es systematische Unterschiede in den Pilzgemeinschaften innerhalb von Moosen verschiedener Klimazonen? Dies ist besonders wichtig für das Verständnis der expandierenden globalen Trockenzone. Wenn bestimmte Pilze Moosen helfen, Hitze und Dürre zu widerstehen, könnten sie tiefgreifende Auswirkungen darauf haben, wie Wüstenökosysteme auf den Klimawandel reagieren.
Im Labor zermahlen und verarbeiten Forscher die gesammelten Moosproben und führen Pilz-DNA-Tests durch. Die Ergebnisse zeigten, dass es im Moosgewebe tatsächlich Pilze gibt, und noch überraschender war, dass es sich dabei um eine Art Mykorrhiza-Pilz handelte, von dem man normalerweise annimmt, dass er sich an Pflanzen festsetzen muss, um zu überleben.
Ein weiterer Vergleich ergab, dass die Pilzgemeinschaft im Moos nicht mit der Pilzgemeinschaft im umgebenden Boden identisch war und dass sich die Pilzzusammensetzung aus trockenen Wüstenmoosen auch deutlich von der Pilzzusammensetzung in Moosen aus milderen Umgebungen unterschied. Kelly vermutet, dass „bestimmte Pilze möglicherweise das Überleben von Moosen in heißen und trockenen Umgebungen fördern“.
Dieses Muster verringert die Wahrscheinlichkeit der „Kontaminationshypothese“ erheblich. Wenn es sich bei den Pilzen lediglich um Erdreste handelte, die an der Oberfläche des Mooses haften, dann sollten die im Moos nachgewiesenen DNA-Abstammungslinien denen im Hintergrundboden ähnlicher sein. Das tatsächliche Ergebnis ähnelt jedoch eher dem „Aussuchen“ bestimmter Pilzpartner durch das Moos, was auf eine selektive Verbindung zwischen den beiden Parteien schließen lässt.
DNA-Beweise allein reichen immer noch nicht aus, um zu beweisen, dass sich Pilze tatsächlich im Pflanzengewebe ansiedeln und an physiologischen Aktivitäten teilnehmen. Um nach direkten strukturellen Beweisen zu suchen, behandelte Kelly das Moosgewebe mit einem blauen Farbstoff, der sich spezifisch an den Pilz bindet, und betrachtete es unter dem Mikroskop.
Im Inneren der Mooszellen sah er verzweigte, sich verzweigende Pilzstrukturen. „Als ich diese Formen zum ersten Mal unter dem Mikroskop sah, wusste ich, dass wir etwas sehr Ungewöhnliches gefunden hatten“, sagte Kelly.
Diese Strukturen ähneln morphologisch den „Arbuskeln“, die typische Mykorrhizapilze an Pflanzenwurzeln bilden – baumartige Strukturen, die dem Nährstoffaustausch dienen. Doch im Gegensatz zu Wurzelpflanzen besitzt Moos kein echtes Wurzelsystem. Diese „zweigartigen“ Strukturen treten in den Moosblättern auf, daher nennt das Forschungsteam sie vorübergehend „arbuskelartige Strukturen“.
In ihrer Morphologie und Verteilungsposition sind diese Strukturen den Schnittstellen für den Nährstoffaustausch in anderen Pflanzen sehr ähnlich, allerdings müssen Wissenschaftler noch weiter nachweisen, ob tatsächlich ein Stoffaustausch zwischen Moosen und Pilzen stattfindet. Erst wenn dies schlüssig bestätigt wird, kann die Beziehung formal als echte Symbiose definiert werden.
Die Ergebnisse könnten Auswirkungen haben, die weit über den Bereich der Wüstenökologie hinausgehen. Moose gehören zu einem sehr alten Zweig des Evolutionsbaums der Pflanzen und gelten als einige der frühesten Verwandten der Landpflanzen.
Wenn Pflanzen von Gewässern an Land wandern, müssen sie eine ganze Reihe neuer Probleme lösen, indem sie Nährstoffe aufnehmen, Wasserverluste verhindern und sich von der physischen Unterstützung von Gewässern lösen. Immer mehr Fossilienfunde zeigen, dass die Kombination früher Pflanzen und Pilze in diesem historischen Prozess wahrscheinlich eine entscheidende Rolle gespielt hat. Viele Forscher glauben sogar, dass es diese Partnerschaften waren, die zur groß angelegten „Begrünung“ der Kontinente der Erde beigetragen haben.
Wenn Moose tatsächlich in der Lage sind, Mykorrhiza-Pilze auf bisher übersehene Weise zu beherbergen, wird dies die wissenschaftliche Gemeinschaft dazu zwingen, die Ursprünge und die Vielfalt der Beziehungen zwischen Pflanzen und Pilzen zu Beginn der Evolution zu überdenken und möglicherweise sogar die klassische Erzählung darüber, auf welche Art von Pilzen Pflanzen angewiesen sind, um an Land zu landen, neu zu schreiben.
Aus Anwendungssicht ist diese Forschung auch für ökologische Wiederherstellungspraktiken in Trockengebieten relevant. Derzeit sind biologische Bodenkrusten vielfältigen Bedrohungen ausgesetzt, wie z. B. steigenden Temperaturen, anhaltender Dürre, Weidedruck, Geländefahrzeugen und menschlichem Trampeln. Die Erholung dieser Art von Gemeinschaft verläuft äußerst langsam. Nach einer Beschädigung dauert der teilweise Wiederaufbau oft Jahre oder sogar Jahrzehnte.
Das aktuelle Experiment kann nicht direkt beweisen, dass der Pilz dem Moos definitiv dabei hilft, seine Überlebensrate zu verbessern, aber es zeigt deutlich ein „verborgenes Netzwerk“, das bisher nicht erkannt wurde. Für Forscher, die eine ökologische Wiederherstellung in degradierten Trockengebieten umsetzen möchten, könnte dieser potenzielle Kooperationsmechanismus zwischen Moos und Pilzen neue Ideen für die Entwicklung anspruchsvollerer Wiederherstellungsstrategien in der Zukunft liefern.
Wie Kelly sagte: „Die Wüste ist voller Lebensformen, die die Menschen für selbstverständlich halten, sich aber nie ernsthaft damit befassen. Manchmal wachsen die größten Überraschungen still unter unseren Füßen.“