Vor etwa 56 Millionen Jahren stieg der Anteil an Kohlendioxid in der Atmosphäre stark an und die globale Erwärmung, die damit einherging, veränderte die Erdoberfläche grundlegend. Forschende haben das Ökosystem dieser Zeit nun detailliert rekonstruiert und dabei festgestellt, dass mit dem Klimawandel auch die bewaldeten Flächen stark zurückgingen. In der Studie, die im Fachmagazin Science veröffentlicht wurde, ziehen die Forschenden Parallelen zu möglichen Folgen des menschengemachten Klimawandels. »Waldsterben beobachten wir heute weltweit«, sagt die Paläoklimatologin und Mitautorin der Studie Regan Dunn, die am Natural History Museum of Los Angeles County arbeitet.

Die plötzliche Erwärmung dieser Zeit ist unter Fachleuten als das Paläozän-Eozän-Temperaturmaximum (PETM) bekannt. Es zählt zu den markantesten Klimastörungen in der Erdgeschichte. Das damals freigesetzte Kohlendioxid entspricht etwa der Menge, die in einem pessimistischen Szenario bis zum Ende des 21. Jahrhunderts durch den Menschen ausgestoßen werden könnte. Die globale Durchschnittstemperatur stieg in der Folge um 5 bis 9 Grad und veränderte das Klima für mehr als 150 000 Jahre.

Anhand von Fossilien, Sedimenten und weiteren geochemischen Spuren aus dieser Zeit zeichneten die Forschenden nun ein Bild von den plötzlichen Veränderungen der Ökosysteme nach, die auf die Erwärmung folgten. Unter anderem wandelte sich die Zusammensetzung der Wälder: In den mittleren Breiten verdrängten Farne die Laubbäume. In der geologischen Überlieferung zeigt ein solcher »Fern Spike« meist einen Kollaps terrestrischer Ökosysteme an und tritt auch zusammen mit großen Massenaussterben auf. Flüsse schwollen als Folge der feuchteren Atmosphäre an und transportierten mehr Sedimente ab. Die Böden speicherten weniger Kohlenstoff.

Dunn und ihr Team untersuchten, wie sich diese Veränderungen auf die Struktur der Waldkronen auswirkten. Sie wollten verstehen, wie sich die Fähigkeit der Ökosysteme veränderte, Kohlenstoff zu speichern, denn »das sagt viel darüber aus, wie der Wald funktioniert«, erklärt Dunn.

Doch die eingehende Beschäftigung mit der Urzeit sollte auch die aktuelle Frage klären, wie heutige Ökosysteme auf den steigenden Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre reagieren. Höhere Konzentrationen des Treibhausgases erwärmen das Klima, verändern Niederschlagsmuster und setzen Pflanzen unter Stress. Gleichzeitig fördert es aber auch das Wachstum der Bäume. Wie sich diese gegensätzlichen Effekte auf zukünftige Wälder auswirken, ist bislang unklar.

Blätter als Zeugen

Um die Struktur der urzeitlichen Wälder zu rekonstruieren, analysierte das Team die Form von fossilen Blattzellen. Die fanden sie in Sedimentbohrkernen aus dem Hanna-Becken im US-Bundesstaat Wyoming. Aufgrund der Art und Weise, wie Pflanzen wachsen und sich dem Licht entgegenstrecken, lässt sich anhand der Form dieser Zellen abschätzen, welcher Teil des Blätterdachs im Schatten lag und welcher Teil dem Sonnenlicht ausgesetzt war. »Sonnen- und Schattenblätter unterscheiden sich, auch an ein und derselben Pflanze«, sagt Dunn.

Anhand der fossilen Blätter schätzten die Forschenden, wie sich die Kronenbedeckung am Fundort während des PETM veränderte, als Kohlendioxidgehalt und Temperatur anstiegen. Wie viel Grün der Wald zu einem bestimmten Zeitpunkt trug, beschrieben sie über den sogenannten Blattflächenindex.

Das Ergebnis fiel ernüchternd aus: Nach einem anfänglichen Anstieg der Kronenbedeckung zu Beginn des PETM sank der Blattflächenindex in den folgenden Jahrtausenden um 61 Prozent. Danach blieb die Kronenbedeckung für Zehntausende von Jahren um 35 Prozent reduziert, bis zum Ende des PETM.

Die Forschenden interpretieren dieses Muster so, dass ein erster CO₂-Schub – vermutlich ausgelöst durch einen großen Vulkanausbruch in kohlenstoffreichen Sedimenten des Nordatlantiks – das Waldwachstum zunächst förderte. Doch dieser Düngungseffekt wurde von den höheren Temperaturen überlagert. »Zu viel Kohlendioxid treibt die Temperaturen über die Grenze dessen, was Pflanzen verkraften können«, sagt Dunn.

Diese Ergebnisse stimmen mit aktuellen Befunden aus anderen Regionen der Nordhalbkugel überein, die ebenfalls auf einen massiven Rückgang der Waldflächen in mittleren und hohen Breiten während des PETM hinweisen, ergänzt Scott Wing, Paläobotaniker am Smithsonian National Museum of Natural History in der US-Hauptstadt Washington.

Wald ergrünt, bevor er allmählich verschwindet

Die Veränderungen der Wälder in der Urzeit zeigen Parallelen zu heutigen Beobachtungen. Dunn verweist auf Satellitendaten, die denselben Blattflächenindex messen, den ihr Team aus den Fossilien rekonstruiert hat. Seit etwa dem Jahr 2000 zeigen diese Daten einen weltweiten Trend zur Braunfärbung der Vegetation, nachdem im 20. Jahrhundert noch eine Phase des Ergrünens zu beobachten war – ähnlich der anfänglichen Zunahme der Waldflächen, die Dunn und ihr Team in Wyoming nachweisen konnten.

Dennoch ist der heutige Klimawandel nicht vollständig mit dem PETM vergleichbar. Damals wurde das Kohlendioxis wahrscheinlich viel langsamer freigesetzt als heute infolge der Nutzung von fossilen Brennstoffen. Der Zeitraum erstreckte sich vermutlich über Jahrtausende statt über Jahrhunderte. Zudem waren die Ökosysteme damals nicht durch weitere menschliche Einflüsse wie Abholzung belastet. Deswegen mahnt Gabriel Bowen, Paläoklimatologe an der University of Utah in Salt Lake City: Das PETM sei ein warnendes Beispiel. »Wir suchen nach Hinweisen aus der Vergangenheit, um zu verstehen, was bevorstehen kann.«