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Neue Gesetzmäßigkeit bei chemischen Elementen | Jedes Element sendet bei Erhitzen ein einzigartiges Strahlenspektrum aus. Wie Forscher der Universität Rostock nun zeigen, folgen die bekannten Spektrallinien der Elemente – über die Wellenlänge aufgetragen – dem thermischen Planck-Spektrum der Strahlungsintensität einer Glühlampe. Diese müsste dazu allerdings eine Temperatur von 9000 K haben.Dies könnte mit der Entstehung des Universums zusammenhängen: Kurz nach dem Urknall, bevor Materie entstand, dominierte Strahlung das Universum. Erst nach Ausdehnung und Abkühlung auf etwa 9000 K kondensierten Materie und Elementarteilchen.<ul class="references"><li>
1 Annal. Phys. 2020, 532(6), 2000033</li></ul>
Wie sich Ionen durch Elektrolytlösungen bewegen | Bevor sich Ionen in Flüssigkeiten bewegen können, werden sie von den umgebenden Molekülen in einer Art Käfig festgehalten. Darin schwingen sie zwischen 1000 Milliarden und 10 000 Milliarden Mal pro Sekunde. Dies haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz mit Laserpulsen ermittelt. Die maximale Auslenkung der Ionen erlaube eine Aussage darüber, wie hoch der später mögliche Strom ist. Damit ist geklärt, warum der Widerstand einer Elektrolytlösung neben der Zahl der Ionen von deren Größe und Form abhängt: Er lässt sich auf die Käfige und Käfigformen zurückführen.<ul class="references"><li>
2 Nat. Commun. 2020, 11, 1611</li></ul>
Chiralität spontan herbeiführen | Forscher der Universität Halle-Wittenberg haben einen Weg gefunden, Chiralität in Flüssigkeiten nicht nur zu erzeugen, sondern auch in flüssig-kristalline oder kristalline Stoffe zu übertragen. Dazu nutzen sie das achirale Benzil, das sich so verdrehen kann, dass es chiral wird. Indem sie das Molekül modifizierten, wird es nun nicht nur in kristalliner Form chiral, sondern auch in flüssigem Zustand. Dies bleibt bei Umwandlungen erhalten.Die Erkenntnisse könnten helfen zu verstehen, wie sich die Biochiralität entwickelt hat.<ul class="references"><li>
3 Chem. Sci. 2020, doi: <ext-link ext-link-type="doi">10.1039/D0SC01396J</ext-link></li></ul>
Eliza Leusmann

Meldung

Von Elementen, Ionen und Molekülen

Neue Gesetzmäßigkeit bei chemischen Elementen | Jedes Element sendet bei Erhitzen ein einzigartiges Strahlenspektrum aus. Wie Forscher der Universität Rostock nun zeigen, folgen die bekannten Spektrallinien der Elemente – über die Wellenlänge aufgetragen – dem thermischen Planck-Spektrum der Stra...

Der Boden als funktionierendes Ökosystem ist wichtig für die Landwirtschaft und für natürliche Prozesse wie die Zersetzung von Pflanzenmaterialien und den Kohlenstoffkreislauf. Eine Metastudie zeigt, wie die Biodiversität im Boden eine Schlüsselrolle spielt und wie Schadstoffeinträge wirken.
Wir treten den Boden mit Füßen, verunglimpfen ihn als Dreck, versiegeln ihn mit Asphalt und verschmutzen ihn mit unseren Abfällen. Doch die Ernährung der Menschheit hängt von Böden ab, auf denen landwirtschaftliche Produkte wachsen. Auch die schwindenden Landflächen mit Wäldern oder anderen natürlichen Biotopen erbringen wichtige Ökosystem-Dienstleistungen wie Kohlenstoff binden und Niederschläge regulieren. Erosion, die zum Verlust fruchtbarer Böden führt, kann schon um die Mitte dieses Jahrhunderts die Welternährung gefährden.Außerdem sind die Ökosysteme im Boden ein wichtiger Knotenpunkt in globalen Stoffkreisläufen. Auf und im Boden zersetzen Pilze, Mikroben und Wirbellose totes Pflanzenmaterial. Hier entscheidet sich, ob der Kohlenstoff gebunden wird oder als Kohlendioxid in die Atmosphäre entweicht. Nährstoffe wie Stickstoff- und Phosphorverbindungen werden für das Pflanzenwachstum verfügbar oder gehen verloren. Schadstoffe, die in die Umwelt gelangen, können ebenfalls in Böden entgiftet werden – oder sie sickern durch und gelangen in Wasserläufe oder Grundwasser.<h2>Aufmerksamkeit wecken</h2>Die Vereinten Nationen erklärten 2015 zum Jahr der Böden, um das Bewusstsein für diese wichtige natürliche Ressource zu wecken. In einem Bericht zum Abschluss des Bodenjahrs zog die Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen, FAO, eine alarmierende Bilanz: Mehr als die Hälfte der Bodenressourcen der Welt waren in schlechtem oder sehr schlechtem Zustand. Milliarden Tonnen Erde gehen jährlich durch Erosion verloren. Weitere bedrohliche Trends, die der Bericht nennt, sind Kohlenstoffverlust, Nährstoffungleichgewicht, geringere Artenvielfalt sowie Versauerung, Versumpfung, Verdichtung, Versiegelung und Versalzung der Böden.1)Die wissenschaftliche Erforschung der Zusammenhänge zwischen den Prozessen und Kreisläufen im Boden findet gemessen am Ausmaß dieser Probleme wenig Beachtung und Unterstützung. Oft werden nur einzelne Aspekte des Puzzles untersucht. Zwei neue Studien bemühen sich nun, den größeren Zusammenhang deutlich zu machen.<h2>Auf die Vielfalt kommt es an</h2>Die Verrottung von Pflanzenresten am Boden, wie etwa des Herbstlaubs, ist eine der wichtigen ökologischen Funktionen der Bodenökosysteme. Daran sind unzählige Arten von Bodenorganismen beteiligt, darunter vor allem Pilze und Bakterien, aber auch Wirbellose wie der Regenwurm. Deren Erfolg beeinflussen viele Umweltfaktoren, darunter auch anthropogene Störungen wie Pflanzenschutzmittel, Schwermetalle oder Dünger.Zahlreiche Studien haben untersucht, wie einzelne Störfaktoren auf den ökologische Funktion einzelner Arten wirken, aber wie sieht das Gesamtbild aus? Léa Beaumelle am Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (Idiv) Halle-Jena-Leipzig und Kollegen haben in einer Metaanalyse 69 Studien über die Wirkung von Schad- und Nährstoffen auf Zersetzer und ihre Ökosystem-Dienstleistungen ausgewertet.2)Aus 660 Einzelbeobachtungen ermittelten Beaumelle und Kollegen zwei grobe Gruppen:Umweltgifte wie Schwermetalle und Pflanzenschutzmittel beeinträchtigen sowohl die Artenvielfalt als auch die Individuenzahl der Zersetzer im Boden. Eine geringere Zersetzerpopulation erklärt im Allgemeinen das Ausmaß, in dem die Pflanzenmaterialzersetzung sinkt. Umweltgifte reduzieren also Populationsstärke und Diversität der Zersetzer und verringern damit die Zersetzungsleistung.Nicht so eindeutig ist die Lage bei den Nährstoffen, etwa überschüssigem Düngemittel. Diese führen zu Umweltproblemen wie Überdüngung (Eutrophierung) von Gewässern durch Phosphate. Die Situation ist hier komplex. Denn manche Arten profitieren vom zusätzlichen Nahrungsangebot und können sich daher auf Kosten anderer Arten ausbreiten. Bei mäßiger Belastung erkannten Beaumelle und Kollegen deshalb keine generelle Beeinträchtigung der Zersetzerleistung. Erst bei starker Belastung, welche die Artenvielfalt erheblich stört, schlagen sich die Nährstoffe auf die Zersetzung durch.<h2>Komplexes Gesamtbild</h2>Die meisten Untersuchungen zu Umweltschädigungen und die meisten der Arbeiten, die Beaumelle und Kollegen ausgewertet haben, widmen sich jeweils einem Faktor oder höchstens zweien. Matthias Rillig von der Freien Universität Berlin und Kollegen haben nachgezählt, bevor sie einen neuen Weg beschritten. Demnach variierten rund 80 Prozent der Publikationen, die untersuchten, wie Umweltfaktoren auf die Bodenökosysteme wirken, nur einen Faktor, 19 Prozent brachten es auf zwei, und weniger als 2 Prozent analysierten drei Faktoren oder mehr.3)Dabei kommt im wirklichen Leben ein Faktor selten allein. Derselbe Quadratmeter Boden kann zum Beispiel durch Klimaerwärmung, Chemikalien und Plastikpartikeln belastet sein. Eine systematische Untersuchung, wie mehrere Faktoren gemeinsam wirken, scheitert oft an der Zahl der kombinatorischen Möglichkeiten: Können zehn Faktoren in zehn Abstufungen auftreten, ergeben sich 1010 – also 10 Milliarden – Möglichkeiten, die man testen müsste. Und dafür stehen weder die Testflächen noch die nötige Arbeitszeit zur Verfügung.Rilligs Arbeitsgruppe hat deshalb eine Strategie aus der Ökologie übernommen. Sie hat zufällige Kombinationen der Faktoren getestet und mit der Wirkung der einzelnen Faktoren verglichen. Dabei nutzten die Forscher eine Palette von zehn Faktoren, darunter Erwärmung, Nährstoffe, Giftstoffe und Mikroplastik. Für zufällige Kombinationen von mehreren dieser Faktoren ermittelten sie die Auswirkung auf Bodeneigenschaften wie Artenreichtum und Wasseraufnahme. Als Vergleichspunkte dienten jeweils Experimente mit derselben Zahl von Faktoren, aber in anderer Kombination.Wie die Ergebnisse zeigen, addieren sich die Wirkungen von Störfaktoren in der Umwelt nicht unbedingt. Liegen zwei oder drei Faktoren vor, findet sich oft der Effekt, den eine Kombination der Einzeleffekte vorhersagt. Sind es jedoch mehr, so weichen die Experimente häufiger von den Erwartungen ab. Selbst die Richtung der Abweichung ist nicht vorherzusagen. Die Auswirkungen können gravierender werden als die Summe der Teileffekte oder weniger schlimm.Der Vergleich verschiedener Kombinationen auf demselben Komplexitätsniveau kann Hinweise darauf geben, welche der Faktoren zusammenwirken. Somit kann das Experiment helfen, unerwartete Gefahren zu erkennen, wenn diese Faktoren, etwa in der Landwirtschaft, großflächig zusammentreffen, und der Schaden lässt sich gegebenenfalls abwenden.<h2>Vorhersagen nicht nur für Böden</h2>Nach Meinung von Peter Manning, Senckenberg Forschungsinstitut in Frankfurt, könnten die Methoden von Rilligs Studie auch für andere Bereiche nützlich werden.4) Wie etwa eine Metastudie gezeigt hat, werden auch bei Pflanzen die Auswirkungen mit zunehmender Zahl von Störfaktoren unübersichtlich.5) Die Strategie der zufälligen Stichproben kann helfen, trotzdem einen Eindruck von der Komplexität zu bekommen, die uns bisher verborgen geblieben ist.Und gerade die bisher im Verborgenen gebliebenen Bodenökosysteme könnten weitere Analysen dieser komplexen Zusammenhänge gebrauchen, damit sie uns auch in Zukunft noch ernähren können.Der promovierte Biochemiker Michael Groß arbeitet als freier Wissenschaftsjournalist in Oxford, England. <a href="https://www.michaelgross.co.uk" target="_blank">www.michaelgross.co.uk</a><figure><img src="https://media.graphcms.com/4ZJPYhVTSWHvlsUhHH4O"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Bild: Kritchanon/AdobeStock</figcaption></figure>
<h2>AUF EINEN BLICK</h2>Dem Pflanzenwachstum auf Böden schaden Erosion, Kohlenstoffverluste, Nährstoffungleichgewichte, geringere Artenvielfalt, Versauerung, Versiegelung und Versalzung.Umweltgifte reduzieren Populationsstärke und Diversität der Zersetzer im Boden und verringern damit deren Leistung. Überschüssige Nährstoffe führen zu Umweltproblemen, sind aber günstig für manche Bodenorganismen.Werden mehr als drei Störfaktoren gleichzeitig betrachtet, addieren sich ihre Wirkungen nicht unbedingt. Die Auswirkungen können gravierender sein als die Summe der Teileffekte oder weniger schlimm.
<ul class="references"><li>
1 FAO, 2015, Status of the World‘s Soil Resources: Main Report, <a href="https://t1p.de/le9g" target="_blank">https://t1p.de/le9g</a></li><li>
2 L. Beaumelle, F. De Laender, N. Eisenhauer, eLife 2020, 9, e55659</li><li>
3 M. Rillig, M. Ryo, A. Lehmann et al., Science 2019, 366, 886–890</li><li>
4 P. Manning, Science 2019, 366, 801</li><li>
5 K. J. Komatsu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2019, 116, 17867–17873</li></ul>

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