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Umwelt+Natur

Geheimnis der australischen Feenkreise gelüftet

Feenkreise
Die australischen Feenkreise vom Hubschrauber aus gesehen. (Bild: Stephan Getzin)

Rätselhafte Ringe: In Australiens trockener Landschaft wachsen Gräser von sich aus in kreisrunden Mustern. Bei diesen „Feenkreisen“ umgibt ein Ring aus Gräsern eine kahle Stelle. Wie und warum diese Gebilde zustande kommen, haben nun Forscher enträtselt. Demnach sorgen miteinander verknüpfte Rückkopplungen zwischen Regen, Bodenbeschaffenheit und Pflanzen dafür, dass diese Kreise selbstorganisiert entstehen und erhalten bleiben.

Die sogenannten Feenkreise kommen vor allem in trockenen Graslandschaften im südlichen Afrika wie in Namibia oder im Nordwesten Australiens vor. Dabei handelt es sich um kreisförmige Kahlstellen, die aber von einem Ring kräftige gewachsenen Grases umgeben sind. Diese Ränder der Ringe wirken an ihren trockenen Standorten wie Oasen. Mit einem Durchmesser von bis zu zehn Meter ordnen sich die auffälligen Kreise dabei in regelmäßigen Abständen in einem Gittermuster an.

Was ist die Ursache der Feenkreise?

Um das seltene Phänomen der Feenringe zu erklären, haben Forscher bereits nach Giftstoffen im Boden gesucht, Grabungen von Ameisen als Ursache vermutet oder bestimmte geochemische Gegebenheiten. Andere vermuteten, dass die Gräser durch einen Prozess der Selbstorganisation und Rückkopplung quasi von selbst diese Kreismuster bilden. Auch mathematische Modelle erklärten die Entstehung der Ringmuster. Um diesen Hypothesen aber auch praktisch auf den Grund zu gehen, hat Stephan Getzin von der Universität Göttingen und dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Leipzig mit einem internationalen Forschungsteam das Wachstum der Gräser an einem natürlichen Standort im australischen Newman untersucht.

Vorläufige Analysen der nur in Australien heimischen Triodia-Gräser ergaben bereits, dass in den Kahlstellen innerhalb der Ringe deutlich weniger Regenwasser versickert als außerhalb der Kreise. Basierend auf mehr als 150 Bodenausgrabungen wurde zudem nachgewiesen, dass dieser Effekt und auch die Gräserringe auch dort auftreten, wo keine Ameisen präsent sind. Daran anknüpfend untersuchte nun Getzins Team unter anderem mithilfe einer Drohne und Multispektralkamera, wie stark und gut die australischen Gräser wachsen. Dafür wurde das Gebiet in fünf, jeweils einen Hektar große Parzellen aufgeteilt und die Gräser nach hoher und niedriger Vitalität klassifiziert. Das Team zeichnete zudem kontinuierlich Daten von einer Wetterstation auf.

Von positiven Rückkopplungen geprägt

Das Ergebnis: Der verhärtete Boden im Inneren der Feenringe begünstigt das Wachstum der Pflanzen am Rand der Kreismuster. „Die höchste Pflanzendecke bildete sich unmittelbar an den Rändern“, so die Wissenschaftler. „Das ist ein starker Hinweis darauf, dass die Gräser nahe der Feenringe einen Nutzen von den großen Lücken haben müssen.“ Und Getzin und seine Kollegen konnten sich diese Beobachtung auch erklären: „Die Vegetation profitiert von dem zusätzlichen Abflusswasser, das durch die großen Feenkreise bereitgestellt wird, und hält so das trockene Ökosystem auch unter sehr unwirtlichen, trockenen Bedingungen funktionsfähig.“

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Gleichzeitig sorgen die kahlen Stellen selbst dafür, dass sie trocken und kahl bleiben: Bei einem der seltenen, aber dafür umso heftigeren Regengüsse versickert das Regenwasser an den verkrusteten Kahlstellen in der Mitte der Ringe nicht. „Die Bodenfeuchte nach Regenfällen war innerhalb der Feenringe mit ihrer verwitterten Oberfläche am niedrigsten“, berichten Getzin und sein Team. Stattdessen fließt das Wasser seitlich ab und strömt in die grasbewachsenen Ränder der Kreise. Im Laufe der Zeit führt dies zu einer sich selbst verstärkenden Rückkopplung, wodurch das regelmäßige Muster der Feenringe entsteht: Die Regentropfen klopfen den harten Boden fest und verstärken damit die Verkrustung. Der Wasserabfluss im Kreisinneren verhindert dort dauerhaft ein Pflanzenwachstum. Am Rand dagegen fördert der verstärkte Abfluss das Pflanzenwachstum.

Pflanzen schaffen sich selbst günstige Bedingungen

Außerdem stellten die Forscher fest, dass die schützende Pflanzendecke aus Gräsern auch die Oberflächentemperatur des Bodens an diesen Stellen senkt: In der heißesten Tageszeit erreicht der Untergrund bis zu 75 Grad Celsius – durch die Pflanzen verringert sich die Temperatur jedoch um etwa 25 Grad. Das erleichtert das Keimen und Wachsen neuer Gräser dort, wo ohnehin schon Pflanzen stehen. Die Grasbüschel sorgen zudem für mehr Schatten und ermöglichen, dass mehr Wasser zu den nahegelegenen Wurzeln dringt – auch das ist ein sich selbst verstärkender Prozess.

„Das Entscheidende ist, dass die Gräser ihre eigene Umwelt aktiv gestalten, indem sie symmetrisch angeordnete Lückenmuster bilden“, fasst Getzin die Ergebnisse zusammen. Die Ringe der australischen Feenkreise gehen demnach aus Wechselwirkungen der Gräser, dem Boden und dem Regenwasser hervor. Damit bestätigen die Forscher, dass die Pflanzen sich ein Stück weit selbst die für sie günstige Umgebung sichern. „Ohne die Selbstorganisation der Gräser würde dieses Gebiet wahrscheinlich zu einer Wüste werden, die von kahlem Boden dominiert wird“, fügt der Experte hinzu. Die Tatsache, dass die Gräser ihre eigenen Wasserressourcen umverteilen und damit ihre physische Umwelt verändern, macht sie zu „Ökosystemingenieuren“.

Feenkreise als Turing-Muster

Und die Arbeit der Forscher brachte noch eine weitere Erkenntnis: Zum ersten Mal ließ sich in einem solchen Ökosystem die mathematische Theorie der „Turing-Muster“ prüfen. Das Modell des Wissenschaftlers Alan Turing erklärte beispielsweise bereits die Entstehung der Punktmuster bei Dalmatinern oder der Streifen von Zebras. Darin begründet er die unterschiedliche Verteilung der Farbstoffe der Tiere mit einem „Reaktions-Diffusions-Mechanismus“, bei dem zwei Akteure oder Substanzen so miteinander wechselwirken, dass sich selbstorganisiert Grenzen zwischen ihren Einflussgebieten bilden und so ein Muster entsteht.

Frühere Modellierungen der australischen Feenkreise hatten bereits angedeutet, dass diese Theorie auch auf die faszinierenden Vegetationsmuster zutreffen könnte. Die Erkenntnisse von Getzin und seinem Team bestätigen dies nun. Dies erleichtert nicht nur das Verständnis von Ökosystemen, die sich unter Extrembedingungen – wie der Hitze in Australien – selbst gestalten, sondern ermöglichen erstmals auch realitätsnahe Modellierungen.

Quelle: Georg-August-Universität Göttingen, Fachartikel: Journal of Ecology, doi: 10.1111/1365-2745.13493

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