Eine "lebende Haut" schützt die Chinesische Mauer, sagen Wissenschaftler

Diese Bodenoberflächen auf der Großen Mauer sind von einer "lebenden Haut" aus winzigen, wurzellosen Pflanzen und Mikroorganismen bedeckt, die als Biokrusten bekannt sind und eine Quelle für die Beständigkeit des Kulturerbes sind, so der Bodenökologe Matthew Bowker, einer der Mitautoren der Studie, die am 8. Dezember in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde.

"(Biokrusten) sind auf der ganzen Welt auf Böden in trockenen Regionen verbreitet, aber wir suchen normalerweise nicht nach ihnen auf von Menschen errichteten Strukturen", sagte Bowker, ein außerordentlicher Professor an der Northern Arizona University, in einer E-Mail.

Frühere Studien haben gezeigt, dass Biokrusten aus Flechten und Moosen eine zerstörerische Bedrohung für moderne historische Steinbauten darstellen, da die mikrobiellen Gemeinschaften langfristig den ästhetischen Wert beeinträchtigen, Säure und andere Stoffwechselprodukte produzieren und die Mikroumgebung verändern, was zu Erosion und Verwitterung des Gesteins führen kann. Diese Erkenntnisse haben dazu geführt, dass die Pflanzen, die auf Teilen der Großen Mauer wachsen, entfernt wurden. Die Auswirkungen von Biokrusten sehen bei irdenen Wahrzeichen jedoch anders aus, und Gemeinschaften von Cyanobakterien und Moosen erhöhen tatsächlich die Stabilität der Großen Mauer und verbessern ihren Widerstand gegen Erosion, so die neue Studie.

Bei der Untersuchung von Proben aus über 483 Kilometern Länge von acht Stampflehmabschnitten der während der Ming-Dynastie zwischen 1368 und 1644 errichteten Anlage stellten die Studienautoren fest, dass mehr als zwei Drittel der Fläche von Biokrusten bedeckt sind. Als die Forscher die Stabilität und Festigkeit von Proben mit Biokruste mit Proben ohne "lebende Haut der Erde" verglichen, entdeckten sie, dass Proben mit Biokruste bis zu dreimal stärker waren als solche ohne.

"Man dachte, diese Art von Vegetation würde die Große Mauer zerstören. Unsere Ergebnisse beweisen das Gegenteil", so Studienmitautor Bo Xiao, Professor für Bodenkunde an der China Agricultural University. "Biokrusten sind auf der Großen Mauer weit verbreitet und ihre Existenz ist für den Schutz der Mauer sehr vorteilhaft."

Wie eine Decke

Biokrusten bestehen aus Bestandteilen wie Cyanobakterien, Algen, Moos, Pilzen und Flechten und sind auf dem Oberboden von Trockengebieten zu finden. Sie bedecken schätzungsweise 12 % der Erdoberfläche, und es kann Jahrzehnte oder länger dauern, bis sich diese Gemeinschaften aus winzigen Pflanzen und Mikroorganismen entwickeln. Als Miniatur-Ökosysteme stabilisieren Biokrusten den Boden, erhöhen den Wasserrückhalt und regulieren die Stickstoff- und Kohlenstofffixierung.

Dies gelingt ihnen unter anderem dank einer dichten Biomasse, die unter den richtigen Bedingungen als "Anti-Infiltrationsschicht" für Bodenporen fungiert, sowie einer natürlichen Aufnahme von Nährstoffen, die Salzschäden fördern. Die Sekrete und Strukturschichten der Biokruste verflechten sich außerdem zu einem "klebrigen Netzwerk" aus zusammenhängenden Bodenpartikeln, die der neuen Studie zufolge die Festigkeit und Stabilität der Großen Mauer gegen korrosive Kräfte fördern.

Die klimatischen Bedingungen, die Art der Struktur und die Art der Biokruste spielen alle eine Rolle bei der Schutzfunktion der Biokruste, wobei die Verringerung der Erodierbarkeit "viel größer" ist als das Verwitterungsrisiko, so die Forscher.

Im Vergleich zur nackten Stampflehmschicht wiesen die mit Cyanobakterien, Moos und Flechten bewachsenen Abschnitte der Großen Mauer eine um bis zu 48 % verringerte Porosität, Wasserspeicherkapazität, Erodierbarkeit und Versalzung auf, während Druckfestigkeit, Durchdringungswiderstand, Scherfestigkeit und Aggregatstabilität um bis zu 321 % zunahmen. Die Moos-Biokrusten erwiesen sich dabei als die stabilsten unter den Mischungen.

"(Biokrusten) bedecken die Große Mauer wie eine Decke, die die Große Mauer vor Luft, Wasser und Wind schützt", so Xiao.

Die Biokrusten halten das Wasser ab und verhindern Salzablagerungen. Sie widerstehen der chemischen Verwitterung und produzieren Substanzen, die als "Klebstoff" für die Bodenpartikel fungieren, um sie gegen die Zerstreuung zu binden und die Bodeneigenschaften zu stärken.

Die Rolle der Biokruste in einer ungewissen Zukunft

Die meisten Gemeinschaften, die eine Biokruste bilden, gehen auf einen einzigen Organismus zurück, der wächst und die Umgebung, in der er wächst, für andere geeignet macht. Obwohl sie immer noch anfällig für die Auswirkungen des Klimawandels sind, wird erwartet, dass diese sich ständig weiterentwickelnden Organismen interne Mechanismen einsetzen, um sich an künftige Extreme anzupassen, sagte Emmanuel Salifu, ein Assistenzprofessor an der Arizona State University, der naturbasierte Lösungen für nachhaltige Technik untersucht.

Diese inhärente Anpassungsfähigkeit macht Biokrusten zu großartigen Anwärtern für naturbasierte Interventionen zur strukturellen Erhaltung in unserer sich erwärmenden Welt, sagte Salifu, der nicht an der neuen Studie beteiligt war.

"Selbst wenn wir wärmere Temperaturen haben, sind sie bereits für diese Bedingungen geeignet", sagte er. "Wir stellen die Hypothese auf, dass sie besser überleben können, wenn wir ihr Wachstum in großem Maßstab steuern.

Winderosion, Regenfälle, Versalzung und Frost-Tau-Zyklen haben dazu geführt, dass die Tausende von Kilometern langen Strukturen, die die Große Mauer miteinander verbinden, Risse bekommen haben und zerfallen sind, so dass die Mauer stark gefähr det und einsturzgefährdet ist. Steigende Temperaturen und zunehmende Niederschläge könnten auch zu einem Rückgang der Biokruste auf der Mauer führen.

Laut Salifu ist sich die Baubranche jedoch nach wie vor uneins über das historische Schutzpotenzial von Biokruste.

"Die gängige Meinung ist, dass biologisches Wachstum nicht gut für Bauwerke ist. Es beeinträchtigt die Ästhetik, führt zu Degradation und beeinträchtigt die allgemeine strukturelle Integrität", sagte er. Es fehle jedoch an konkreten Forschungsergebnissen, die diese Schlussfolgerungen untermauern, fügte Salifu hinzu und merkte an, dass "die Entscheidung darüber noch aussteht".

Salifu sieht die neue Studie als Beweis für die potenziellen Vorteile von Biokrusten für die Erhaltung von Bodendenkmälern - auch wenn es sich hierbei noch um ein neues Feld handelt. Die Forschung belegt, dass die natürlichen Gemeinschaften von Pflanzen und Mikroorganismen "die Fähigkeit haben, die strukturelle Integrität, Langlebigkeit und Beständigkeit von Lehmbauten wie der Chinesischen Mauer zu verbessern", so Salifu.

Die Studie ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg, die Industrie näher an den Punkt zu bringen, an dem wir in der Lage sein könnten, über die Entwicklung von Biokruste nachzudenken", so Salifu.

Die Autoren der Studie sagen auch, dass ihre Arbeit ein Argument dafür ist, die Möglichkeit der Kultivierung von Biokrusten zur Erhaltung anderer Stampflehmkulturen weltweit zu untersuchen.

Abgesehen von ihrem Status als Touristenziel, das jedes Jahr Millionen von Besuchern anzieht, hat die Große Mauer eine große kulturelle Bedeutung, weshalb die Biokruste, die sie bewahrt, so wichtig ist, sagte Xiao.

"Die Große Mauer ist das kulturelle Zentrum der chinesischen Zivilisation", sagte er gegenüber CNN. "Wir sollten unser Bestes tun, um sie für unsere nächsten Generationen zu schützen. Für unsere Kinder, für unsere Enkelkinder."