Ökosysteme Berechnungsmodelle

Simulation der Lichtabsorption durch Mangroven

Mangrovenwälder sind der Grundstein der tropischen und subtropischen Ökosysteme an den Küsten. Mangroven können dort wachsen, wo kein anderer Baum wachsen kann, und haben einen enormen Nutzen für die Küstenökologie. Die komplexen Wurzelsysteme der Mangroven fangen Sedimente und Schadstoffe ab und stabilisieren die Küstenlinie. Außerdem bieten sie Nahrungsgründe und Lebensraum für Wildtiere und Meeresbewohner sowie Schutz vor Stürmen.

Leider sind die Mangrovenwälder zahlreichen Bedrohungen ausgesetzt, wie dem Anstieg des Meeresspiegels, der Verschmutzung der Flüsse, der Holzentnahme und der urbanen Expansion. Mangrovenwälder gehören zu den kohlenstoffreichsten Biomen und binden durchschnittlich 14 % des in den Weltmeeren vorkommenden Kohlenstoffs. Wenn sie jedoch abgeholzt und zerstört werden, setzen sie große Mengen an Kohlendioxid in die Atmosphäre frei und beeinflussen damit den Klimawandel.

Es ist dringend notwendig, unsere Fähigkeit zu verbessern, die Reaktion der Mangroven auf diese Bedrohungen vorherzusagen.

Computergestützte Modelle können eingesetzt werden, um die Auswirkungen des Menschen und des Klimawandels auf dieses verwundbare Ökosystem zu verstehen und vorherzusagen. Zuerst müssen Modelle entwickelt werden, die detailliert genug sind, um die einzigartigen strukturellen und physiologischen Prozesse der Mangroven darzustellen.

Die Anordnung der Blätter einer Pflanze (Phyllotaxis) wirkt sich auf ihre Fähigkeit aus, Photosynthese zu betreiben, indem die Blätter so angeordnet werden, dass die für den Einfall des Sonnenlichts verfügbare Fläche maximiert wird. Bei Mangrovenarten ist die Phyllotaxis ein weitgehend unerforschtes Phänomen, und bisherige Mangrovenmodelle stellen die vielfältige Morphologie der Bäume nicht angemessen dar.

Dr. Faustino Chi, Postdoktorand an der Georg-August-Universität Göttingen, und Kollegen rekonstruierten die detaillierte Architektur roter Mangrovenschösslinge, um ein Modell der Lichtabsorption zu erstellen.

Um Daten über rote Mangroven zu sammeln, sind die Forscher mit dem Boot zur Nordostseite des Turneffe-Atolls gereist, das über 20 Meilen vor der Küste von Belize liegt. Dort machten sie hochauflösende Digitalfotos, nahmen manuelle Messungen vor Ort vor und führten eine 3D-Digitalisierung mit elektromagnetischer Abtastung durch.

Das Sammeln dieser Daten war nicht einfach. Chi erklärt: “Einige Messungen von Schösslingen wurden bei Ebbe durchgeführt. Herausforderungen ergaben sich aus der Verwendung des Fastrak-Digitalisierungsgeräts in einer abgelegenen tropischen Umgebung – zum Beispiel erforderten die windigen Bedingungen das Ernten von Schösslingen und die Verwendung eines geschlossenen Gerüsts zum Digitalisieren von Pflanzen, da die Pflanzen zum Digitalisieren stillstehen müssen. Ein kompakter tragbarer Generator wurde für die Stromversorgung der Feldausrüstung verwendet. Und natürlich brauchte man eine ruhige Hand während der Stunden des Digitalisierungsprozesses, wenn die Mücken und Sandfliegen auf einen Jagd machten. Es war auch sehr wichtig, wasserfeste oder wasserdichte Behälter zu haben, um die Ausrüstung während des Transports und vor der hohen Luftfeuchtigkeit oder plötzlichen Regenschauern im Feld trocken zu halten”.

The digitizing setup - a sapling was removed from the ground and tied to a wood and pvc scaffolding. The setup is surrounded by a tarp to block the wind.
Digitalisierungsaufbau eines R. mangle Schösslings.

Die digitalisierten Schösslinge und manuelle Messungen wurden zur Rekonstruktion der Baumarchitektur verwendet. Danach erstellten die Autoren aus den Fotos und Feldnotizen einen Algorithmus für die Phyllotaxis (Blattanordnung am Stamm). Dies ermöglichte ihnen die digitale Rekonstruktion der Bäume mit Blättern mithilfe der 3D-Modellierungsplattform GroIMP.

There are two mangrove trees. Each shows a progression of actual photo, reconstructed geometry of branch and roots, and the final simulation is a refoliated mangrove model. The final simulation is realistic and similar to the photo.
Vergleich der R. mangle Schösslinge mit dem Modell der wieder belaubten Mangroven. A und D: Fotos; B und E: digitalisiertes Modell; und C und F: Simulationsergebnisse.

Zur Simulation des Lichteinfalls durch einzelne Blätter verwendeten die Autoren das in GroIMP integrierte stochastische Strahlungsmodell auf Basis von Raytracing.

Anhand der vorläufigen Ergebnisse konnten die Autoren den Anteil des von einzelnen Blättern absorbierten Lichts im gesamten Kronendach sowie die Auswirkung eines veränderten Blattwinkels auf die relative absorbierte Strahlung auf der Ebene des gesamten Schösslings bewerten und visualisieren. Die Messung des absorbierten Lichts ist für künftige Berechnungen der photosynthetischen Beiträge einzelner Blätter erforderlich.

Visualization of absorbed light for each leaf on a whole sapling. High relative absorption at the top and low at the bottom is evident.
Geschätzte Lichtverteilung auf den Blättern eines Schösslings.

“Mit dem 3D Schösslingsmodell könnte die Simulation anderer Prozesse wie die Strömungen in Xylem und Phloem und das strukturelle mechanische Verhalten auf einem solchen Mangrovenmodell aufbauen”, sagt Dr. Chi.

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Faustino Chi, Katarína Streit, Aleksi Tavkhelidze, Winfried Kurth, Reconstruction of phyllotaxis at the example of digitized red mangrove (Rhizophora mangle) and application to light interception simulation, in silico Plants, 2022;, diac002, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac002


Ins deutsche übersetzt von Faustino Chi.

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