Die Klimakrise hat sich im Hitzesommer 2026 in aller Deutlichkeit gezeigt – mit Folgen nicht nur für Mensch und Tier. Die extreme Hitze hatte Trockenheit und Dürre zur Folge. Sichtbar wurde das an Bäumen, Büschen, Zier- und Nutzpflanzen und deren braun-bröseligen Blatträndern, verdorrten Zweigen oder herbstlich anmutende Verfärbungen. Wassermangel allein reicht als Erklärung für diese Veränderungen nicht aus. Das vom Wissenschaftsfonds FWF geförderte Projekt „Transpiration bei Hitze“ zeigt eindrucksvoll, dass es die Hitze selbst ist, die unseren Sauerstoffspenderinnen so merkbar zusetzt.
Das Forschungsteam um Gilbert Neuner vom Institut für Botanik der Universität Innsbruck untersuchte die Folgen hoher Temperaturen für die Blätter selbst. Im Zentrum standen Fragen wie: Reagieren verschiedene Pflanzen, von Bodendeckern in den Hochalpen bis zu Laubbäumen im Regenwald, unterschiedlich auf Hitze? Wie weit können sie sich an steigende Temperaturen anpassen? Ab welchen Grenzwerten kommt es zu irreversiblen Schäden? Und welche Rolle spielt dabei die Wasserversorgung?
Eine natürliche Klimaanlage
Das Team um den Botaniker und Projektleiter Gilbert Neuner interessierte vor allem die Dosis-Wirkung-Beziehung. „Pflanzen haben im Laufe der Evolution eine ganze Reihe von Strategien entwickelt, um bei extremen Temperaturen zu überleben“, erklärt Neuner. In Regionen, in denen es sehr kalt wird, wachsen sie niedrig, klein und kompakt, um ihre Körpertemperatur zu erhöhen. Hitze hingegen meistern Pflanzen durch einen ausgeklügelten Kühlmechanismus. Ähnlich wie die menschliche Haut regulieren Blätter ihre Temperatur über kleine Spaltöffnungen oder Stomata, über die sie Wasser verdunsten. Diese Transpiration wirkt als natürliche Klimaanlage für das Blatt. Und sie kühlt die Umgebung gleich um einige Grade mit ab: Das „Schwitzen“ der Pflanzen ist der Grund für die fühlbar niedrigeren Temperaturen im Wald oder unter Bäumen im Vergleich zu baum- und strauchlosen Wiesen, Agrarflächen oder betonierten Städten.
Wie heiß darf es werden?
Blatttemperaturen über 50 Grad Celsius, wie sie an windgeschützten Südhängen in den Alpen oder in Baumwipfeln in den Tropen durchaus gemessen werden, können über diese Verdunstung ausgeglichen werden. Aber bis zu welcher Umgebungstemperatur funktioniert das? „In der bisherigen Forschung wurde die Hitzetoleranz mit einem standardisierten Test bestimmt“, erklärt Neuner. Pflanzenproben werden 30 Minuten lang einer bestimmten Temperatur ausgesetzt und dann auf Schäden untersucht. Diese Tests zeigen, dass fast alle Pflanzen auf der Erde Lufttemperaturen zwischen 44 und 55 Grad Celsius aushalten. „Das ist erstaunlich einheitlich und deckt sich mit den Maximaltemperaturen, die man in diesen Biomen misst“, weiß der Botaniker; nur Wasserpflanzen seien etwas temperaturempfindlicher, während einzelne Wüstenpflanzen mehr aushielten. Allerdings wurde das „bestenfalls für eine Mittagshitze“ getestet: 30 Minuten lang.
„Wir wollten herausfinden, was passiert, wenn wir diese Dosis verändern, also die Dauer der Hitze verlängern oder die Temperatur hinauffahren.“ Dafür verwendeten die Forschenden unter anderem ein Differenz-Kalorimeter, mit dem sie Blätter aus dem Freiland im Labor kontrolliert aufheizen und dann unterschiedliche molekulare Prozesse im Blatt analysieren können. „Wir haben uns zum Beispiel angesehen, wann die Blätter ihre Stomata öffnen oder schließen oder wie sich die Wachsschicht auf den Blättern durch Hitze verändert.“ Auch weitere molekulare Prozesse in der Blattmembran wurden untersucht, etwa, wann Proteine zu denaturieren beginnen.
Je höher, desto schädlicher
Die Experimente zeigten eine klare und exponentielle Beziehung zwischen Dosis und Wirkung. „Ein Blatt hält 45 Grad Lufttemperatur gut aus, wenn die Hitze nach einer halben Stunde wieder vorbei ist“, präzisiert Neuner. „Aber wenn sie vier Stunden andauert, sehen wir vergleichbare Schäden schon bei 40 Grad. Und bei Extremtemperaturen über 50 Grad Celsius reichen für den gleichen Effekt wenige Minuten.“ Passend dazu trug eine Studie den Titel „Die Dosis macht das Gift“. Denn was in der Stadt derzeit ebenfalls gut zu sehen ist: Je länger Blätter hohen Temperaturen ausgesetzt sind, umso weniger hitzetolerant sind sie. Und je höher die Temperaturen steigen, umso schneller kommt es zu schweren Schäden.
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Wachse, Fette, Proteine
Denn Hitze verändert nicht nur die Transpiration, sondern die gesamte Blattphysiologie. Sie stößt eine Kaskade an Veränderungen an. Manche davon kann die Pflanze wieder reparieren, wenn die Temperaturen sinken. Doch ab einer bestimmten Schwelle sind die Schäden irreversibel. Was genau verursacht aber letztlich die Schäden? Als Erstes nahmen die Forschenden die Kutikula genauer unter die Lupe, eine dünne Wachsschicht auf Blättern. „Beim Krautkopf sieht man die Kutikula sehr gut“, nennt Neuner ein Beispiel, „aber jedes Blatt hat eine Kutikula.“ Sie schützt Pflanzen etwa vor dem Eindringen von Krankheitserregern, bietet einen mechanischen Schutz, hemmt Insektenfraß – und sie verhindert, dass das Blatt unkontrolliert viel Wasser verliert. Pflanzen können die Zusammensetzung dieser Schutzschicht an starke Sonneneinstrahlung anpassen. „Zum Beispiel haben wir an der alpinen Gämsheide gesehen, einem immergrünen Bodendecker, dass sie an Südhängen weniger Flavonoide in die Wachsschicht einbaut. Dadurch wird sie deutlich hitzestabiler als Gämsheide auf Nordhängen“, erzählt Neuner. Ähnlich wie Bienenwachs, das bei Hitze schmilzt, geht es auch der Kutikula bei großer Hitze: „Je heißer es wird, umso löchriger wird sie. Der Wasserverlust des Blattes nimmt dadurch sehr stark zu.“
Deshalb vermuteten die Forscher:innen, dies wäre der Grund für die Blattschäden. „Aber: Die Kutikula wird erst viel später durchlässig, wenn das Blatt schon starke Schäden aufweist“, berichtet Projektleiter Neuner. Auch Proteine und Fette in der Blattmembran verändern sich bei sehr hohen Temperaturen. Proteine etwa denaturieren „wie Eiweiß, das beim Braten fest und weiß wird“. Aber auch das, zeigten die Analysen, passiert erst, nachdem das Blatt schon kaputt ist. „Offenbar beginnt der eigentliche Schadensprozess früher“, so Neuner, der seufzend bekennt: „Wir hätten das wirklich gerne geklärt. Aber die eigentliche Schadensursache ist nach wie vor offen.“
Anpassungsfähigkeit am Limit?
Was bedeutet das für unsere sich rasch erhitzende Welt? „Prognosen sind schwierig, weil es sehr eng mit der Wasserversorgung zusammenhängt – bei uns und überall auf der Welt“, so Neuner, der immer wieder über die Anpassungsfähigkeit von Pflanzen staunt. „Aber diese safety margin, die sichere Grenze, von der wir sprechen, ist in manchen Regionen nicht mehr besonders groß.“ Noch unpublizierte Ergebnisse aus den Tropen zeigen, dass es konkrete physiologische Grenzen geben dürfte. „Weil die Dosis-Wirkung-Beziehung so eindeutig ist, dachten wir, Tropenpflanzen hätten sich sicher an die höheren Temperaturen vor Ort angepasst“, erzählt er von einer Forschungsreise nach Costa Rica. „Aber das ist nicht der Fall. Das hat uns wirklich überrascht. Die Bäume im Regenwald sind nicht wesentlich hitzetoleranter als die Gämsheide in den Alpen. Sie gleichen die Umgebungshitze nur über eine besonders starke Transpiration aus.“ Bleibt der Regenwald-typische Regen aus, kann die Hitze für die Bäume kritisch werden. Tatsächlich haben sich die Trockenzeiten bereits merkbar verlängert. In manchen Regenwäldern gab es in den vergangenen Jahren sogar erstmals Dürren. Ob in Zukunft ausreichend Wasser verfügbar ist, wird also hier wie dort über die Entwicklung der Wälder entscheiden. Das stimmt nicht wahnsinnig optimistisch. Bei den rasch steigenden Temperaturen der Gegenwart bräuchten die Pflanzen deutlich mehr Wasser als früher – nicht zum Wachsen, sondern für die lebenswichtige Transpiration.
Doch vielerorts lassen Schnee und sanfte, kontinuierliche Regenfälle immer öfter auf sich warten. Weil die Blätter dann ihre Stomata schließen, um Wasser zu sparen, verlieren sie einerseits ihre natürliche Kühlung und überhitzen, was dem Blatt selbst und der Widerstandskraft der ganzen Pflanze schadet. Andererseits sinkt die Verdunstungsleistung der Pflanzen, wodurch es noch wärmer wird. Die Hitze entzieht zusätzlich auch Böden und der Luft die Feuchtigkeit, was die Trockenheit verschärft. So entsteht ein Teufelskreis des Verdorrens. Die Folgen sind bereits weltweit zu sehen.
Zur Person
Gilbert Neuner studierte Botanik an der Universität Innsbruck und ist dort seit 2001 Universitätsprofessor. Als Leiter der Forschungsgruppe Stressphysiologie am Institut für Botanik interessieren ihn die Mechanismen, die Pflanzen – vor allem Pflanzen im Alpenraum – gegen äußere Stressfaktoren wie Hitze, Dürre, Kälte, Eis und starke Sonneneinstrahlung entwickelt haben. Neuner ist auch stellvertretender Leiter des Doktoratskollegs „Alpine Biologie und Globaler Wandel“. Das Forschungsprojekt „Transpiration bei Hitze“ (2021–2025) wurde vom Wissenschaftsfonds FWF gefördert.
Dieser Beitrag erschien am 31. August im Wissenschaftsmagazin scilog des FWF.