Fernerkundung

Das Blätterorakel

Zwei Forscherinnen der UZH gewinnen aus der Lichtreflexion von Blättern Erkenntnisse zu Artenvielfalt und Eigenschaften von Pflanzen. Die Auswertung solcher Spektraldaten revolutioniert nicht nur die Art, wie wir Ökosysteme untersuchen, sondern ermöglicht es auch, diese besser zu schützen.

Stéphanie Hegelbach

Biodiversität von oben: Blick auf den bewaldeten Höhenzug der Lägern in der Nähe der Stadt Zürich. (Bild: zVg)

 

Das gelappte Blatt einer Eiche. Gelb verfärbt. Gesprenkelt mit dunklen Flecken. Beinahe unbewusst lesen wir die Informationen von den Laubblättern auf dem Waldspaziergang. Die Forschenden der UZH Remote Sensing Laboratories können jedoch noch viel mehr: Mit einem Spektrometer messen sie das von den Blättern reflektierte Licht, das ihnen Rückschlüsse auf chemische und strukturelle Eigenschaften der Pflanze erlaubt – und dies sogar aus dem All.

«Das Spektrum ist wie ein Fingerabdruck und einzigartig bei jeder Pflanze», sagt Meredith Schuman, Professorin für Spatial Genetics am Departement für Geografie. Die Beobachtung von Pflanzen mit Hilfe von Satelliten, Flugzeugen und Drohnen – sogenanntes Remote Sensing – könnte ein wichtiges Werkzeug in der Biodiversitätskrise werden. Die Artenzusammensetzung sowie die Gesundheit der Ökosysteme liessen sich fast in Echtzeit global überwachen. Regierungen würden so schützenswerte Gebiete frühzeitig erkennen und erhielten direktes Feedback zu ihren Massnahmen.

Abgleichung mit Feldmessungen

«Wir sind dabei, herauszufinden, welche Aspekte pflanzlicher Diversität mit Fernerkundung messbar sind», erklärt Anna Schweiger, Forscherin am Remote Sensing Lab der UZH. Damit die Forscherinnen die Daten in den Spektren richtig interpretieren können, benötigen sie Referenzdaten aus dem Feld. Computermodelle helfen ihnen dabei, Übereinstimmungen zwischen Spektral- und Felddaten zu finden, und liefern Inputs, wie die Spektren zu lesen sind. «Am einfachsten lassen sich Pigmente wie das grüne Chlorophyll bestimmen, die spezifische Wellenlängen absorbieren», erklärt Schuman.

Die Spektrometrie beschränkt sich jedoch nicht nur auf das sichtbare Licht, sondern schliesst weitere Bereiche des elektromagnetischen Spektrums wie zum Beispiel Infrarot mit ein. Die Blätter reflektieren die Infrarotstrahlen beim Übergang des sichtbaren Lichts, dem Nahinfrarot-Bereich, besonders stark. «Wir nennen diesen Übergang ‹Red Edge›», sagt Schuman. «Dieses Reflexionsmuster gibt Aufschluss über den Chlorophyllgehalt sowie die Wachsschicht auf den Blättern.»

Schumans Gruppe arbeitet daran, von den Spektren auf die genetischen Informationen der Pflanzen zu schliessen. Dadurch können die Forschenden die genetischen Unterschiede innerhalb von Arten studieren und Aussagen über die genetische Diversität treffen. In einer Langzeituntersuchung von Buchen auf dem Höhenzug Lägern konnte ein Team unter der Leitung von Doktorandin Ewa Czyz˙ zeigen, dass die Spektraldaten, die mit Wassergehalt, Phenolen, Pigmenten und Wachskompositionen zusammenhängen, geeignete Indikatoren sind, um Informationen über die genetische Struktur zu gewinnen.

Ein Ziel der Gruppe ist es, diese Zusammenhänge besser zu verstehen. Die genetische Variation innerhalb einer Art ist besonders wichtig für die Biodiversität: Ein grosser Genpool gibt den Pflanzen mehr Spielraum, auf negative Umwelteinflüsse wie Schädlinge oder Dürren zu reagieren. «Verlieren wir die genetische Diversität und den Artenreichtum, verlieren die Ökosysteme ihre Fähigkeit, äussere Einflüsse abzudämpfen», sagt die Ökologin Schweiger.

Forschende in Schumans Forschungseinheit, insbesondere die «4D Forests»-Gruppe unter der Leitung von Felix Morsdorf, kombinieren die Spektroskopie zusätzlich mit Laserscanning. Dabei wird ein von der Erde oder den Pflanzen zurückgeworfener Laserstrahl gemessen und so die Topografie und die Vegetationshöhen aufgenommen. «Das daraus berechnete 3D-Modell liefert Erkenntnisse zur Makrostruktur, dem von Auge sichtbaren Aufbau der Pflanzen, sowie zu dessen Einfluss auf die Spektraldaten», klärt Schuman auf. Die Kombination von Laserscanning und Spektroskopie gilt als besonders vielversprechend: Aus den Daten lassen sich zum Beispiel auch die Biomasse und die Menge an gespeichertem Kohlenstoff berechnen.

Diverse Pflanzengemeinschaften

Die Forscherinnen suchen nicht nur nach direkten Verbindungen zwischen Spektren und Pflanzen­eigenschaften, sondern vergleichen die Spektren auch untereinander. «Pflanzen mit ähnlichen Merkmalen sowie nah verwandte Arten weisen ähnliche Spektren auf», erklärt Schweiger.

Sie hat einen spektralen Diversitätsindex entwickelt, der die Vielfalt innerhalb von Pflanzengemeinschaften (Alpha-Diversität) sowie zwischen unterschiedlichen Pflanzengemeinschaften (Beta-Diversität) berechnet. Massgebend für die Auswertung der Diversität ist die Auflösung der Spektraldaten: «Um einzelne Individuen zu erkennen und so die Alpha-Diversität zu schätzen, brauchen wir eine besonders hohe Auflösung: Pro Pixel sollte nur eine Pflanze erfasst werden», sagt Schweiger.

Satellitengestützte Bildspektrometer, wie sie ESA und NASA derzeit entwickeln, nehmen die Erdoberfläche jedoch in 30×30 Meter grossen Ausschnitten auf. «Was sich mit diesen grossen Pixeln, die verschiedene Individuen gleichzeitig erfassen, gut vergleichen lässt, sind die Unterschiede in der Artenzusammensetzung von Pflanzengemeinschaften – also die Beta-Diversität», erklärt Schweiger.

Vom Blatt zum Boden

Die Blätter sollen künftig gar Auskunft über die Bodenqualität geben können, denn die Pflanzen tragen massgeblich zu den Bodeneigenschaften bei. «Totes Pflanzenmaterial beispielsweise beeinflusst die Bodenprozesse und die mikrobiellen Aktivitäten», erzählt Schweiger.

Sie hat an einer Studie gearbeitet, die anhand von Fernerkundungsdaten untersuchte, welche Pflanzeneigenschaften einen Einfluss auf die Enzymaktivität und die Diversität von Mikroorganismen, den organischen Kohlenstoffgehalt und den Stickstoffgehalt des Bodens haben. Die Resultate der Studie deuten an, dass sich die Zusammenhänge zwischen Vegetation und Bodenprozessen je nach Ökosystem unterscheiden. «Wir müssen zuerst verstehen, wie produktiv und artenreich ein Ökosystem im Verhältnis zu anderen Ökosystemen ist, bevor wir Aussagen über den Boden treffen können», folgert Schweiger.

Neben der immensen Datenmenge ist ebendiese Komplexität der Ökosysteme eine Herausforderung für die Auswertung der Fernerkundungsdaten. Die Beobachtungen sind abhängig von ihrem Aufnahmezeitpunkt und den Umweltbedingungen – die Spektren verändern sich im Zeitraum von Sekunden.

Schuman möchte die Fernerkundung sogar auf bestimmte chemische Verbindungen ausweiten, die Lebewesen und Zellen verströmen, um miteinander zu kommunizieren. Insekten riechen solche Moleküle ihrer Futterpflanze bereits aus mehreren Kilometern und steuern auf sie zu. «Für unsere Technologie ist es immer noch schwierig, diese Informationen aus der Ferne zu erfassen», sagt Schuman. Für die Genetikerin wäre das Remote Sensing dieser Moleküle umso interessanter, da sie einen direkten Bezug zu den Genen haben: «Gene enthalten die Bauanleitung zu Proteinen, die wiederum die chemischen Verbindungen zusammenbauen», erklärt Schuman.

Weltweit einzigartiges Messgerät

Schuman und Schweiger sind unter anderem durch Gespräche mit UZH-Rektor und Remote-Sensing-Experte Michael Schaepman auf das Fachgebiet gestossen. Die Universität Zürich arbeitet seit Jahrzehnten an vorderster Front an der Entwicklung dieser Technik mit und hat schon früh die Wichtigkeit von Remote Sensing für die Biodiversität erkannt. Im Auftrag von ESA und NASA führt die UZH Testflüge mit dem neusten Bildspektrometer AVIRIS-NG durch. «Dieses Messgerät ist weltweit einzigartig», betont Schweiger.

Nicht immer hatten die beiden Forscherinnen den Blick zum Himmel gerichtet: Insbesondere am Anfang ihrer Karriere in der Ökologie verbrachten sie viel Zeit damit, kleinere Flächen im Feld auszuwerten. «Ich habe mich immer gefragt, ob meine Erkenntnisse auch für die angrenzenden Lebensräume gelten», erzählt Schweiger. Mit den Fernerkundungsmethoden lassen sich Feldmessungen hochrechnen und grössere Gebiete einfacher überwachen. Auch für Meredith Schuman hat Remote Sensing eine Lücke geschlossen: «Die Methode stellte neue Fragen und veränderte die Art, wie wir Ökosysteme untersuchen», sagt sie. Was die Blätter noch alles über die Ökosysteme preisgeben, wird die Zukunft zeigen.

Dieser Artikel stammt aus dem UZH Magazin 4/2022

Stichwort Spektroskopie

Je nachdem, wie Materie strukturiert ist, reflektiert sie elektromagnetische Strahlen be­­stimm­ter Wellenlängen. Die Spektroskopie ist ein Analyseverfahren, das diese Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie misst. Dazu wird das Objekt mit den gewünschten Wellenlängen abgetastet. Damit die reflektierte und absorbierte Strahlung untersucht werden kann, wird sie mit einem Spektroskop – bei­spiels­weise einem Prisma im Bereich des sichtbaren Lichts – zerlegt. Die resultierende In­ten­sitätsverteilung – das Spektrum – wird mit Hilfe eines Spektrometers in Linien oder Banden auf­gezeichnet. Der Regenbogen ist ein Beispiel eines Spektrums. Die Spektroskopie ist eine wichtige Analysemethode in der Physik, Chemie und Astro­nomie. Sie wird auch in der Industrie verwendet, beispielsweise um Verunreinigungen von Lebensmitteln oder Medikamenten zu erkennen.

Stéphanie Hegelbach, Journalistin Zürich