Moleküle verraten, wie es dem Amazonas-Regenwald geht. Normalerweise stoßen die Pflanzen dort ein Terpen-Enantiomer aus – während Dürren aber dessen Spiegelbild. Mainzer Forschende wissen, warum.

Pflanzen drücken sich über Chemikalien aus: Mit Geraniol locken Blumen Insekten an, verletzte Pflanzen rufen mit Hexanderivaten Tiere herbei, die ihre Schädlinge fressen. Und Wälder setzen Terpene wie α-Pinen frei, das als Enantiomerenpaar (+)-α-Pinen und (–)-α-Pinen auftritt. Seit Kurzem ist klar: Das Verhältnis dieser beiden Verbindungen erzählt etwas darüber, wie es dem Amazonas-Regenwald geht.

α-Pinen zeigt, wie es dem Wald geht

Wie Forschende des Max-Planck-Instituts für Chemie um Jonathan Williams herausgefunden haben, setzt der Wald normalerweise viel (–)-α-Pinen frei; unter Trockenstress steigt jedoch der Anteil an (+)-α-Pinen.¹⁾

Abb.1: Künstlicher Regenwald in Arizona: Diesen fluteten die Forschenden mit ¹³C-angereichertem CO₂. So ergründeten sie, wie Pflanzen (+)- und (–)-α-Pinen herstellen. Foto: Joseph Byron / Max-Planck-Institut für Chemie

Um Daten für ihre Studie zu sammeln, reisten die Forschenden in den Norden Brasiliens. Dort liegt das Amazon Tall Tower Observatory (ATTO), dessen Atmosphärenmessturm 325 Meter in die Höhe ragt. Durch ihn hoffen Forschende weltweit zu verstehen, wie sich Regenwald und das globale Klima beeinflussen.

Im September und Oktober 2023 nahmen die Wissenschaftler:innen Luftproben in 24 Metern Höhe im Kronendach des Regenwalds. Zu dieser Zeit dörrte der Regenwald gleich wegen zwei Ereignissen aus: Die Trockenzeit kollidierte mit dem Wetterereignis El Niño, das außerdem Hitze ins Amazonasbecken brachte. Im Labor in Mainz ermittelten die Forschenden später mit Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) das Verhältnis der beiden α-Pinen-Formen. Joseph Byron, Forscher am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz und Erstautor der Studie, erklärt einer Pressemitteilung seines Instituts zufolge: „Zunächst bestimmten wir, in welchem Mengenverhältnis die beiden Varianten unter normalen Bedingungen vorkommen. Danach beobachteten wir, wie sich dieses Verhältnis während der von El Niño beeinflussten Trockenperiode verschob und sich danach langsam wieder normalisierte.“ Projektleiter Williams ergänzt: „Als sich während der schlimmsten Phase der Dürre mittags das sonst übliche Verhältnis der Spiegemoleküle umkehrte, war klar: Die Pflanzen stellten die Fotosynthese ein und schlossen ihre Poren, um den Verlust des kostbaren Grundwassers zu verhindern.“

Spurensuche im Modellwald

Wie Pinen-Ausstoß und biochemische Prozesse zusammenhängen könnten, ergründeten die Forschenden nicht erst in Brasilien – auf ihrem Trip nach Südamerika hatten die Mainzer Forschenden neben festem Schuhwerk schon Hypothesen im Gepäck. Im Jahr 2022 hatten sie bereits erste Ergebnisse veröffentlicht, basierend auf einer Modellstudie im Biosphäre-2-Komplex in Arizona.¹⁾ Diesen 1,6 Hektar großen Kuppelbau (Foto links) hatte einst der Unternehmer und Umweltschützer Edward Bass mit 200 Millionen Dollar finanziert – er diente als Miniaturversion der Erde, inklusive Savannen, Regenwäldern und Wohnanlagen. Der Komplex scheiterte darin, sich selbst zu erhalten, hilft aber weiterhin der Forschung.

Wie das Mainzer Team dort herausgefunden hatte, setzt die Vegetation (+)- und (–)-α-Pinen über verschiedene Prozesse frei. Um darauf zu kommen, griffen die Forschenden zu drastischen Maßnahmen – sie fluteten das Gewächshaus mit ¹³C-angereichertem CO₂. Sofort spürten sie das ¹³C an anderer Stelle auf: nämlich im (–)-α-Pinen in der Luft. Die Bäume sammelten also bei der Fotosynthese ¹³C, bauten es direkt in (–)-α-Pinen ein und gaben das ¹³C-markierte Terpen auch gleich wieder an die Umwelt ab. Auch (+)-α-Pinen fanden die Forschenden, allerdings kein ¹³C-markiertes. Sie schlossen: Die Wälder stoßen zwar (+)-α-Pinen aus, allerdings stammt es aus Speichern, die die Pflanze vor der ¹³C-Flut gebildet hatte.

Künstliche Dürre

Um den Terpenen weiter nachzuspüren, erzeugten die Forschenden eine Dürre im künstlichen Wald. Dazu drehten sie die Sprinkler ab, die damals den künstlichen Wald dreimal die Woche mit 20 000 Liter wässerten. Unter dem entstehenden Trockenstress schlossen die Pflanzen ihre Spaltöffnungen (Stomata), sodass weniger O₂ und H₂O ausströmten und weniger CO₂ hineindiffundierte. Wie Williams‘ Gruppe folgerichtig beobachtete, emittierte der Wald weniger (–)-α-Pinen, weil ihm schlicht die Kohlenstoffquelle für die Fotosynthese ausging (Abbildung oben). Die Bäume emittierten jedoch weiter fleißig das (+)-Enantiomer aus ihren Speichern, ob die Stomata nun offen waren oder nicht. Mehr noch: Die Stomata ließen weniger H₂O verdampfen, wodurch sich die Pflanze stärker aufheizte – dadurch strömte noch mehr (+)-α-Pinen aus.

Abb.2: Bei Trockenstress ist weniger (–)-α-Pinen und mehr (+)-α-Pinen in der Luft: Die Pflanzen schließen ihre Spaltöffnungen, und dadurch fehlt CO₂ zum Bau von (–)-α-Pinen, das sofort wieder ausströmen würde. (+)-α-Pinen lagert dagegen in Speichern. Und da weniger Wasser aus den Spaltöffnungen diffundiert, heizt sich die Pflanze auf, und mehr (+)-α-Pinen wird frei.

Ob Tageszeit, Jahreszeit oder El-Niño – das Verhältnis der α-Pinen-Enantiomere macht gestresste Wälder sichtbar. Dieses Terpen soll Forschenden nun helfen, die Schwere von Dürren infolge des Klimawandels zu erfassen. LB

• ¹ Commun. Earth Environ. 2025, doi: 10.1038/s43247-025-02709-z
• ² Nature 2022, doi: 10.1038/s41586-022-05020-5