Der Klimawandel verändert die Tier- und Pflanzenwelt der Erde tiefgreifend. Das liegt nicht nur an dem weltweiten Anstieg der Durchschnittstemperaturen, sondern auch an Änderungen bei den Temperaturschwankungen sowohl zwischen Tag und Nacht als auch zwischen Sommer und Winter. George Wang, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, analysiert Klimadaten, um den Einfluss der veränderten Bedingungen auf Flora und Fauna zu erforschen.

Der November ist kein schöner Monat in Deutschland. Er ist normalerweise nasskalt, grau und ungemütlich. Die Bäume werfen endgültig ihre Blätter ab, die Stauden verwelken, viele Tiere suchen sich ein Quartier für den Winterschlaf. Doch im Spätherbst 2014 lebte die Natur noch einmal auf: Die Forsythien blühten in voller Pracht, Igel wanderten putzmunter durch die Gärten, und die Erdbeeren trieben neue Knospen.

Was war schiefgelaufen? "Die ungewöhnlich milden Temperaturen haben den Pflanzen ein falsches Signal gegeben", sagt George Wang. Der Spätherbst fühlte sich im vergangenen Jahr sehr frühlingshaft an - womöglich ein Indiz dafür, dass sich die Temperaturunterschiede zwischen den Jahreszeiten verringern. Die Temperatur ist für die Gewächse in den gemäßigten Klimazonen jedoch der wichtigste Indikator dafür, welche Jahreszeit gerade herrscht. Klettert das Thermometer auf über 20 Grad, nehmen die Pflanzen an, dass der Frühling ausgebrochen ist - und bilden selbst im November noch Blüten oder neue Triebe aus. Das ist freilich eine Fehlinvestition: Beim nächsten Nachtfrost sterben die zarten Blättchen ab. Wang, Biologe am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen, sieht in den Auswirkungen der Wetterkapriolen Ende 2014 ein Beispiel für einen möglichen Trend, den er kürzlich entdeckt hat: "Ähnliche Ereignisse", so sagt er, "könnten wir in Zukunft häufiger erleben."

Der Zusammenhang zwischen Umwelt und der Physiologie von Lebewesen ist das Spezialgebiet von George Wang. Ihn interessiert, wie sich der Klimawandel auf Tiere und Pflanzen und auf die Evolution auswirkt. "Alle physiologischen Prozesse hängen von der Temperatur ab", sagt der aus den USA stammende Forscher mit taiwanesischen Wurzeln, der seit vier Jahren in Tübingen arbeitet.

Biochemische Vorgänge etwa laufen bei höheren Temperaturen schneller ab, der Stoffwechsel wechselwarmer Tiere beschleunigt sich also. Populationen mancher Insekten vermehren sich wesentlich schneller, wenn es wärmer ist. Andere Tiere wiederum verkraften große Hitze überhaupt nicht gut. Daher verändern sich auch ökologische Beziehungen, wenn die Temperaturen sich verändern - zum Beispiel, welche Nahrung Vögeln in welchem Monat zur Verfügung steht oder welches Insekt eine bestimmte Blüte bestäuben kann.

Ein Beispiel für solche Zusammenhänge hat Wang vor vier Jahren entdeckt: Mit seinen US-Kollegen Michael Dillon von der University of Wyoming und Raymond Huey von der University of Washington in Seattle berechnete er, wie sich der Klimawandel auf den Stoffwechsel von wechselwarmen Tieren in den Tropen auswirkt. Das überraschende Ergebnis: Die Temperaturen in den Tropen haben sich seit 1980 zwar kaum erhöht, sie stiegen lediglich um wenige zehntel Grad Celsius. Doch selbst diese kleine Änderung lässt die Stoffwechselrate von Reptilien, Amphibien und wirbellosen Tieren stark ansteigen. Sie nimmt den Berechnungen zufolge genauso stark zu wie die von Tieren in gemäßigten Breiten, wo die Temperaturen viel stärker angestiegen sind. "Das liegt daran, dass die Stoffwechselrate exponentiell von der Temperatur abhängt", berichtet Wang. Für tropische Echsen, Lurche und Insekten bedeutet das, dass sie bei steigenden Temperaturen deutlich mehr Nahrung brauchen und womöglich weniger Energie für die Fortpflanzung übrig haben.

Temperaturzyklen im globalen Wandel

Dillon und Wang hätten gern auch untersucht, wie sich die Stoffwechselrate der Tropentiere in der Zukunft entwickelt. Doch dabei standen sie vor einem typischen Problem: Weil der Einfluss der Temperatur nichtlinear ist, genügt es nicht, eine Prognose für die Durchschnittstemperatur zu kennen. "Wenn man Fragen der Ökologie untersuchen will, muss man auch Temperaturvariationen erfassen", betont Wang. Studien dazu waren bislang allerdings rar.

"Einige Kollegen haben zwar Veränderungen bei den Temperatur-Extremen untersucht, aber auch dort wurden die Werte meist gemittelt", sagt er. Das Leben der meisten Tiere und Pflanzen wird dagegen vor allem von kurzperiodischen Schwankungen beeinflusst, etwa vom Wechsel der Temperaturen zwischen Tag und Nacht. Auch die Jahreszeiten spielen eine wichtige Rolle für Flora und Fauna - ganz besonders für die Lebensgeschichte vieler Organismen, die lediglich wenige Tage oder Wochen existieren.

Wie sich diese Zyklen im Zuge des globalen Wandels während der letzten Jahrzehnte verändert haben, war bislang kaum bekannt. "Solche hochfrequenten Klimaschwankungen lassen sich nur schwer charakterisieren, weil es dazu oft nur mangelhaft aufgelöste Daten gibt und es auch an Analysetechniken fehlt", sagt Wang.

Schon 2007, während seiner Doktorarbeit an der University of Washington, stieß er auf dieses Problem. Damals untersuchte er ein Lieblingstier der Biologen, die Fruchtfliege Drosophila melanogaster. Er wollte herausfinden, wie das Insekt auf Hitzestress reagiert - und anschließend Vorhersagen dafür ableiten, wie sich das Verhalten der Fliegen durch den Klimawandel verändert. "Das ging aber nicht, weil die entsprechenden Klimadaten fehlten", berichtet er. Zusammen mit Michael Dillon hat Wang da nun Abhilfe geschaffen.

Das mathematische Mittel der Wahl, um periodische Veränderungen in größeren Datenbergen zu identifizieren, ist die sogenannte Fourier-Transformation. "Sie funktioniert aber eigentlich nur bei perfekten Daten", sagt Wang. Klimadaten sind jedoch notorisch unvollständig und uneinheitlich: Die eine Wetterstation misst die Temperatur vielleicht einmal pro Stunde, eine andere dagegen lediglich alle vier Stunden. Außerdem gibt es immer wieder einmal Datenlücken, weil Sensoren ausfallen oder gewartet werden.

Da ähnliche Probleme auch in der Astrophysik auftauchen, wandelten Wang und Dillon eine bislang vor allem dort genutzte mathematische Methode etwas ab, um die hochfrequenten Zyklen in Klimadaten aufspüren zu können. In der Zeitschrift Nature Climate Change stellten sie die Ergebnisse im September 2014 vor.

Die Daten stammen von fast 8000 Wetterstationen

Dass man als Biologe in der Lage sein muss, mit großen Datenmengen umzugehen und selbst zu programmieren, hält Wang für selbstverständlich: "Darum kommt heute niemand mehr herum." Für ihre Studie trugen er und Dillon mehr als eine Milliarde Temperaturmessungen zusammen. Die Daten stammten von fast 8000 Wetterstationen weltweit und waren zwischen 1926 und 2009 aufgenommen worden.

Weil die Daten so umfangreich waren, mussten die beiden Forscher mehrere Großrechner in Deutschland und den USA in Beschlag nehmen. Aus den Messungen ermittelten sie zunächst die Durchschnittstemperaturen sowie die täglichen und jahreszeitlichen Temperaturschwankungen an den verschiedenen Breitengraden. Die Durchschnittstemperaturen, die die Forscher ermittelten, spiegelten die Klimazonen der Erde wider: In den gesamten Tropen, zwischen dem 23. Grad nördlicher und dem 23. Grad südlicher Breite, herrschen, aufs Jahr gemittelt, in etwa die gleichen Temperaturen von rund 25 Grad Celsius. Je weiter man nach Norden oder Süden kommt, desto kälter wird es im Jahresdurchschnitt.

Die täglichen Temperaturschwankungen folgen freilich keinem eindeutigen Trend vom Äquator zu den Polen: Gemittelt über den gesamten Zeitraum, für den die Forscher Wetterdaten analysierten, sind die täglichen Temperaturschwankungen in den hohen Breiten am niedrigsten. In den gemäßigten Breiten erreichen sie Spitzenwerte von bis zu 15 Grad Celsius. In den Tropen liegt die Differenz überall bei etwa sechs Grad.

Die jahreszeitlichen Schwankungen verhalten sich dagegen ganz anders als die täglichen Variationen: In hohen Breiten sind sie am stärksten ausgeprägt, am Äquator dagegen kaum zu spüren. An einzelnen Orten in Sibirien oder Kanada beispielsweise können zwischen Sommer und Winter mehr als 60 Grad Celsius liegen. Auf der Südhalbkugel schwanken die Temperaturen zwischen Sommer und Winter insgesamt weniger stark - vermutlich, weil die Landmassen kleiner sind und die Ozeane dadurch einen größeren Einfluss haben.

Um herauszufinden, in welchen Breitengraden die täglichen und in welchen die jahreszeitlichen Schwankungen wichtiger sind, bildeten Wang und Dillon eine neue mathematische Größe, die die Schwankungsbreite beider Zyklen ins Verhältnis zueinander setzt.

Wie die Auswertung ergab, lassen sich die Tropen, die gemäßigten Zonen und die hohen Breiten nicht nur anhand der Durchschnittstemperaturen voneinander abgrenzen, sondern auch durch das Verhältnis zwischen den jahreszeitlichen und den täglichen Temperaturzyklen: In den Tropen ist der Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht größer als der zwischen Sommer und Winter. Für die Natur spielen die Jahreszeiten folglich bloß eine untergeordnete Rolle. Die Pflanzen grünen und blühen das ganze Jahr über, und die Tiere unternehmen keine größeren Wanderungen.

Allerdings enthüllte die Berechnung, dass die Temperaturen, über ein Jahr gesehen, nicht überall in den Tropen so gleichförmig verlaufen wie bislang angenommen. Nur innerhalb eines Bereichs wenige Breitengrade nördlich und südlich des Äquators gibt es praktisch keine jahreszeitlichen Veränderungen.

Flora und Fauna im Rhythmus der Jahreszeiten

Je weiter man sich allerdings vom nullten Breitengrad entfernt, desto stärker gewinnen Sommer und Winter doch an Einfluss - auch wenn die Durchschnittstemperatur genauso hoch ist wie am Äquator. "Unsere Analyse enthüllt, dass sich die jahreszeitliche Temperaturvariabilität innerhalb der Tropen, abhängig vom Breitengrad, stark verändert - mit unbekannten ökologischen Folgen", so Wang.

Ziemlich genau an der Grenze der Tropen kehrt sich das Verhältnis zwischen jahreszeitlichen und täglichen Temperaturschwankungen um: Auf der Höhe der Wendekreise sind sie etwa gleich groß. In den gemäßigten Breiten dagegen schwanken die Temperaturen im Verlauf eines Jahres mehr als doppelt so stark wie im Verlauf eines Tages. "In Deutschland ist es nachts im Schnitt vielleicht zehn Grad kälter als tagsüber, während zwischen Sommer und Winter ungefähr 25 Grad liegen", berichtet George Wang. Als Folge unterliegen Tier- und Pflanzenwelt ausgeprägten jahreszeitlichen Rhythmen.

Als Nächstes untersuchten Wang und Dillon, wie sich die Temperaturzyklen weltweit zwischen 1975 und 2013 veränderten. In ihren Daten fanden sie den bekannten globalen Temperaturanstieg wieder: An den Polen kletterten die Temperaturen in diesem Zeitraum am stärksten, um 1,2 Grad Celsius. In den gemäßigten Klimazonen wurde es 0,7 Grad wärmer und in den Tropen um 0,4 Grad.

Zur Überraschung der Forscher veränderten sich auch die täglichen Temperaturschwankungen in diesem Zeitraum stark - und sie folgten dem gleichen Muster: Auch hier zeigte sich an den Polen die stärkste Veränderung, der Unterschied zwischen Tag- und Nachttemperaturen erhöhte sich um 1,4 Grad Celsius. In den gemäßigten Breitengraden waren es 1 Grad und in den Tropen 0,3 Grad. Die jahreszeitlichen Temperaturschwankungen verringerten sich dagegen an den Polen und in den gemäßigten Breiten bis etwa 2010, und zwar um 1,4 und 0,3 Grad Celsius. In den letzten drei Jahren der Analyse stiegen die Werte aber wieder leicht an. In den Tropen gab es dagegen kaum Veränderungen.

Wang und Dillon zufolge zeigt sich in ihren Daten eine Verschiebung der Klimazonen: "Die täglichen und jahreszeitlichen Schwankungen in höheren Breitengraden haben sich einander angenähert, die Temperaturvariationen sind sozusagen tropischer geworden", erläutert Wang. Das bedeute freilich nicht, dass die Jahreszeiten verschwinden, betont er. Die Temperaturverteilung auf der Welt wird jedoch insgesamt "flacher" - die Unterschiede zwischen den verschiedenen Klimazonen verringern sich also.

Eine Erklärung für dieses Phänomen liefern die beiden Biologen nicht. "Wir sind keine Klimaforscher", betont Wang. Ob die Veränderungen auf die globale Erwärmung zurückzuführen sind, ist daher unklar. Möglicherweise spielen langfristige Verlagerungen der Luftströmungen in der Atmosphäre eine Rolle, möglicherweise auch ein Phänomen namens global dimming ("globale Verdunkelung"). Messungen zeigten, dass zwischen 1960 und 1990 immer weniger direkte Sonneneinstrahlung den Boden erreichte, wahrscheinlich als Folge steigender Luftverschmutzung.

Seit 1990 hat sich der Trend allerdings umgekehrt, wodurch vor allem in hohen Breiten wieder mehr Sonnenlicht den Boden erreicht. Das könnte dazu beigetragen haben, den täglichen Lauf der Temperaturen stärker ausschlagen zu lassen, vermutet der Klimaforscher Alexander Stine von der San Francisco State University in einem Kommentar in Nature Climate Change.

George Wang interessiert sich für die ökologischen Folgen der Veränderungen. Und die sind möglicherweise vielfältig - für Mensch, Natur und Landwirtschaft: So könnten kurzlebige Insekten, die in mittleren Breiten bislang nur in der warmen Jahreszeit auftauchen, in Zukunft möglicherweise das ganze Jahr über gedeihen. "Wenn sich die Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht erhöhen, entsteht ein Selektionsdruck, der die Tiere zwingt, größere Temperaturschwankungen auszuhalten", erläutert Wang. "Ihre Physiologie könnte sich so auch an das Winterwetter anpassen." In Amerika kann etwa der Bergkiefernkäfer, eine Borkenkäferart, mittlerweile zwei Generationen pro Jahr hervorbringen und nicht nur eine, wie früher. Die Insekten befallen folglich wesentlich mehr Bäume und haben in den vergangenen Jahren in Teilen der Rocky Mountains geradezu eine Spur der Verwüstung hinterlassen.

Auch die Übertragung des Malaria-Erregers hängt von den täglichen Temperaturschwankungen ab, wie eine Studie 2010 zeigte. Eine andere Untersuchung ergab, dass die Wanderungen von Zugvögeln ebenfalls vor allem vom Wetter beeinflusst werden und weniger von langfristigen Klimatrends. Bei der Ackerschmalwand, einer wichtigen Modellpflanze der Biologen, hängt die Überwinterungsstrategie Untersuchungen zufolge sowohl von Umweltsignalen als auch von genetischen Faktoren ab. Stärkere Temperaturschwankungen könnten somit bei Pflanzen ebenfalls einen Selektionsdruck erzeugen.

Mit den molekularen Mechanismen, die die Anpassung von Pflanzen steuern, befasst sich der Großteil der Abteilung, zu der George Wang gehört: "Wir untersuchen genetische Variationen im Grenzgebiet von Genetik, Genomik und Ökologie", sagt Detlef Weigel, der Direktor der Abteilung "Molekularbiologie" am Tübinger Max-Planck-Institut. In dieser Gruppe ist George Wang mit seinen Forschungsfragen eher ein Exot.

Dass er überhaupt nach Tübingen kam, hatte vor allem private Gründe: Seine Frau, die Molekularbiologin Beth Rowan, wurde von Detlef Weigel 2009 nach Tübingen geholt. Wang folgte ihr ein Jahr später aus Seattle und fand in der Abteilung ebenfalls einen Platz. "Es ist eine große und vielfältige Gruppe, man hat viele Freiheiten und kann mit großartigen Leuten zusammenarbeiten", sagt Wang.

Den Wechsel von der Westküste der USA ins beschauliche Schwabenland hat der in Los Angeles aufgewachsene Biologe jedenfalls nicht bereut. "Tübingen ist großartig", sagt er - und lobt insbesondere die Kinderbetreuung in der Universitätsstadt. Dass die Temperaturen in Deutschland nicht so angenehm sind wie in seiner kalifornischen Heimat - und der Winter hier zumindest manchmal Schnee und zweistellige Minusgrade mit sich bringt -, das spielt für ihn daher keine große Rolle.

Auf den Punkt gebracht

• Der Klimawandel hat vielfältige ökologische Folgen, nicht nur weil die Durchschnittstemperaturen steigen, sondern auch weil sich die Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht sowie zwischen den Jahreszeiten verändern. Das kann sich etwa auf die Stoffwechselrate wechselwarmer Tiere auswirken.

• Um den künftigen Einfluss des Klimawandels auf Flora und Fauna im Detail untersuchen zu können, haben George Wang vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie und Michael Dillon von der University of Wyoming anhand von Klimadaten die hochfrequenten Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht sowie zwischen Sommer und Winter analysiert.

• Die verschiedenen Klimazonen, sprich: Tropen, gemäßigte und hohe Breiten, lassen sich sowohl anhand der Durchschnittstemperaturen als auch anhand der kurzperiodischen Temperaturschwankungen unterscheiden. Dabei dominiert in den Tropen der Einfluss des Tag-Nacht-Zyklus, während der Einfluss der Jahreszeiten in den gemäßigten Breiten und an den Polen überwiegt.

• Vermutlich durch den Klimawandel verändern sich die kurzfristigen Temperaturschwankungen: Wie die Durchschnittstemperaturen nahmen die täglichen Temperaturschwankungen seit 1975 an den Polen am stärksten zu und in den Tropen am wenigsten. Die jahreszeitlichen Veränderungen nahmen dagegen vermutlich vor allem in den hohen, aber auch in den gemäßigten Breiten ab. In der Folge gleichen sich kurzperiodische Temperaturvariationen in höheren Breiten dem Muster der Tropen an.

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